Kolloquium-Beitrag von Oliver KleyVL Geothermie07.08.2008 VL Geothermie Gekoppelte Solar-Geothermik-...

Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008

VL Geothermie

Gekoppelte Solar-Geothermik-Niedertemperatur-Nutzung


Gliederung

• Einführung in die Solarthermie

• Grundlagen der geothermischen Energienutzung

• Geo-Solarthermie


Einführung in die SolarthermieEinführung in die Solarthermie


Solarthermische KombianlageAnlagenschaubild

Kombianlage: Solarthermische Anlage zur- Trinkwarmwasserbereitung- solaren Raumheizungsunterstützung

Kollektor

Warm-wasser

Kalt-wasser

Nachheizung

Heiz-kessel

Raumheizung

Speicher

Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]


Solarthermische KombianlageDimensionierung Ein- / Zweifamilienhaus

Wärmebedarf• allgemein• konkret

nahezu antizyklisch (zur Solareinstrahlung)

30 … 100 kWh/m²Wohnfläche * a

Speicher 60 ... 80 Liter pro m²col

Kollektor 10 … 15 m²col

Solarertrag 250 ... 350 kWh/m²col * a

Solare Deckungsrate 20 … 25 %f so l

Q col

Q col Q aux


Solarthermische KombianlageBetriebszeiten & Erträge

SolaresWärmeangebotWärmebedarf




Wärmebedarf

SolaresWärmeangebot(bei doppelter Kollektorfläche)




Ungenutzter solarerÜberschuss

NotwendigeNachheizung

NotwendigeNachheizung

Solar gedeckter Bedarf


Grundlagen der Grundlagen der

geothermische Energienutzunggeothermische Energienutzung


Oberflächennahe GeothermieFunktionsprinzip Wärmepumpe

ZugeführteWärme(+ 7 K)

AbgeführteWärme(- 30 K)

Verdampfer

Verdichter

Verflüssiger

Expansionsventil

Antriebsenergie

+ 25 °C17 bar

+ 2 °C4,5 bar

- 5 °C4,5 bar

+ 55 °C17 bar

Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007]


Oberflächennahe GeothermieLeistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe

• Leistungszahl (COP: Coefficient of Performance)

• Jahresarbeitszahl (SPF: Seasonal Performance Factor)

C O P m ax

T wa rm

T wa rm T kalt

C O P rea l C O P m ax W P

Momentanwert für Effizienz

Jahreswert für Effizienz

COP abhängig von T zwischen• Wärmequelle (Erdsonde / -kollektor) &• Wärmenutzungsanlage (Niedertemp.-heizung)

COPreal berücksichtigt• thermische, mechanische & elektrische Verluste• Energiebedarf der Hilfsantriebe

C O Pabgegebene W ä rme le is tung

aufgenommene A ntrie bs le is tung

QV erflüssiger

kWthe rm .

W V erd ichte r kW e lektr.

S F P abgegebene W ärmeenergieaufgenommene A ntriebsenergie

QV e rfl ü s s ig e r

kW hth e rm .

WV e rd ic h te r

kW he le ktr.


Oberflächennahe GeothermieLeistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe

• Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz

LeistungszahlCOP

Temperaturdifferenz T

0 10 20 30 40 50 60 70 80

12

10

8

6

4

2

T = 25 K COP = 6,0

T = 40 K COP = 4,0

In der Praxis bewirkt die Verringerung von T um je 1 K eine Stromersparnis bis zu 2,5 %!

Je geringer T, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe!

StMUGV [2005]


Oberflächennahe GeothermieErdreichtemperaturen

-5

0

5

10

15

20

Jan Feb Mrz Apr Mai Juni AugJuli Sep Okt Nov DezMonat

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

BINE Informationsdienst [2006]


Geo-SolarthermieGeo-Solarthermie


Geo-SolarthermieAnlagenkonzept (Beispiel-Projekt)

5 5

6

7

88

9

1. Kollektorfeld• 44 m²

2. Solarregler

3. Solarstation

4. Kombispeicher• 400 l

5. Hydraulikbaugruppen

6. Sole/Wasser-Wärmepumpe (mit Pufferspeicher)

7. Heizflächen• 300 m²

8. Wärmebedarf (TWW, Heizung)• 35.750 kWh

9. Erdsonden• 14 Geosticks à 17,5 m

Schüco [2008]GEFGA [2006]


Geo-SolarthermieHeizenergieverlauf (Beispiel-Projekt)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Hei

zen

erg

ie (

kWh

)

Monat GEFGA [2006]


Geo-SolarthermieEnergieflüsse

Kollektor

Erdsonde

Kombispeicher

Wärmepumpe

1

2

34

1. Direkte Nutzung der Solarenergie bei ausreichenden Temperaturen im Kombispeicher zur TW-Erwärmung & Heizungsunterstützung

2. Unterstützung der Wärmepumpe durch Anhebung des Temperaturniveaus im Solekreis

3. Regeneration des Erdreiches bei Wärmepumpenstillstand & Solarüberschuss

4. Nutzung der im Erdreich zwischengespeicherten Solarwärme beim nächsten Wärmepumpenstart

Schüco [2008]


Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage

• Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage

-8

-4

0

4

8

12

16

20

24

28


Sole-Temp (Maximaler Entzug)

Basistemperatur

Monat

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

GEFGA [2006]


-8

-4

0

4

8

12

16

20

24

28



• Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage

Monat

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

GEFGA [2006]

Sole-Temp (Maximaler Entzug)

Basistemperatur



• Basistemperatur-Differenz zwischen der Geo-Solarthermie-Anlage und der konventionellen Geothermie-Anlage

0

2

4

6

8

10

12


Monat

Tem

per

atu

rdif

fere

nz

(in

K)

Quelltemperaturerhöhung von 6 K im Jahresdurchschnitt!

GEFGA [2006]



• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Maximale Temperatur

Minimale Temperatur

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

Jahr

GEFGA [2006]



• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Maximale Temperatur

Minimale Temperatur

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

Jahr

GEFGA [2006]



• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit (Vergleich der beiden Anlagen)

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Geo-Solarthermie

Geothermie

Max

Max

Min

Min

Tem

per

atu

r (i

n °

C)

Jahr

Gestiegene & konstantere Quelltemperaturen!

GEFGA [2006]


• Prinzip

– Sommer:• Heizenergie wird g. T. von Solarthermie-Anlage bereitgestellt• Überschüssige Solarwärme wird im Erdreich gespeichert

– Im Winter:• Heizenergie wird g. T. von Wärmepumpe bereitgestellt

• Vorteile

– Temperaturniveau im Erdreich steigt an Energiesenke (Heizfall) wird mit Einlagerung von Solarenergie wieder gefüllt

– COP & SPF (die vom zu leistenden Temperaturhub abhängen) steigen an Wärmepumpe verbraucht weniger Strom

– Jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe wird gegenüber einem konventionellen System verringert

Längere Lebensdauer der Wärmepumpe (weniger Kompressorstarts & Betriebsstunden)

Geo-SolarthermieZusammenfassung

30 % Energieeinsparung (gegenüber konventioneller Geothermie-Anlage)

Mehrkosten amortisieren sich in der gleichen Zeit wie konventionelle Geothermie-Anlage gegenüber Öl- oder Gas-Heizungssystem

ENDEENDE


Literaturverzeichnis

Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]Skript zur Vorlesung „Solartechnik“

Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007]Skrip zur Vorlesung „Physik der Energieerzeugung“

Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV) [2005]

Oberflächennahe Geothermie: Heizen & Kühlen mit Energie aus dem Untergrund

BINE Informationsdienst [2006]Wärmepumpen: Heizen mit Umweltenergie

Schüco [2008]Wärmepumpen mit Solarthermie

Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermen Anlagen mbh (GEFGA) [2006]

Vortrag zur 9. geothermischen Fachtagung, 17.11.2006 Karlsruhe

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