Grundlagen der oberflächennahen Geothermie Thea Mildebrath

1. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Grundlagen der oberflächennahen Geothermie Thea Mildebrath

2. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Übersicht • Definition • Potential • Gewinnung • Auslegung

3. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Definition, Regelung der Nutzung • Nutzung der Wärme des Erdreiches und Grundwassersbis zu einer Tiefe von 400 m • Erdwärme ist bergfreier Bodenschatzstaatliche Konzession entfällt bei Nutzung: - unter einem Grundstück für diese Grundstück Abstand Grundstücksgrenzen 3m Abstand zur nächsten Anlage 10 m - oberhalb 100 m, danach bergrechtliche Vorschriften • WasserhaushaltsgesetzBundesbergbaugesetz, div. Regelungen der Länder Ansprechpartner: Untere Wasserbehörde, Bergamt • VDI Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes“Blatt 1-4

4. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Ergiebigkeit NRW Quelle: Geologischer Dienst NRW

5. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Geothermisches Potential ohne geotherm. Anomalien: bis 15 m Tiefe jahreszeitliche Schwankung Einfluss der Sonnenenergie Temperaturniveau 10°C dann +3°C je 100 m bei 400 m also gut 20°C geothermisches Wärmepotential aus dem Erdinneren Regenerationsfähigkeit Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

6. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Erzeugung Heizwärme Energieflussdiagramm Erhöhung des Temperaturniveaus zur Gebäudeerwärmung oder für Prozesswärme mittels Wärmepumpe Niedertemperaturheizsystem Vorlauftemperatur bis 45°C Kühlung direkt oder auch mit Wärmepumpe nutzbar (Temperaturniveau – Bohrtiefe) Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

7. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Technische Nutzung Quelle: Vortrag AK techn. Gebäudeausrüstung VDI Baden-Württemberg Tunnel Abwasserkanäle Gewässer Erdöl-, Gasförderbohrungen Saisonale Wärmespeicher

8. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Erdwärmekollektor 80-160 cm Tiefe (unterhalb der örtlichen Frostgrenze) möglichst in feuchtem Untergrund Wärmeleitung, Wärmekapazität des Wassers geringer Investitionsbedarf Flächenbedarf ca. 1,5-2 x zu beheizende Fläche Quelle: Tecalor Sonderform: Erdkörbe Spiralkollektoren weniger Aushubarbeiten Jahresarbeitszahl ca. 4 Quelle: Golder Associates Oberflächennahe Geothermie in Deutschland Quelle: www.rosenthal-geothermie.de

9. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Erdwärmesonde Nutzung konstantes Temperaturniveau geringer Flächenbedarf Sonden senkrecht oder strahlenförmigggf. auch unter das Gebäude abgeteuft (Platzbedarf) paarweise gebündelte U-förmige Kunststoffschleifen Wärmeleitfähiges Verfüllmaterial bei größeren Anlagen Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ausreichtz.B. per Geothermal-Respons-Test Sondenlänge Einfamilienhaus 80-200 m Jahresarbeitszahl ca. 4,5 klassisch gefüllt mit Wasser + Frostschutzmittelneuerdings auch mit CO2

10. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch CO2-Sonde CO2 unter etwa 40 bar Kältemittel R744 pumpenloser selbständiger Kreislauf druckfestes Edelstahlrohrwärmeleitfähig hinterfüllt Bei 2° bis 3°C CO2 flüssigan der Rohrwand nach unten durch Erdwärme bei ca. 10°C verdampft steigt in Kopf des Rohres kondensiert im Sondenkopf am Verdampfer der Wärmepumpe Jahresarbeitszahl ca. 5 Quelle:Universität Karlsruhe Prof. Dr. H. Hötzl

11. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Energiepfähle große Bauwerke Gründungspfähle, Schlitz- und Pfahlwände, Bodenplatte Wärmetauscherrohre in Armierungskörper geringer Mehraufwand gute Wärmeleitfähigkeit des Betons Kühlen und Heizen Individuelle Auslegung erforderlich Straßenbau eisfrei mit Wärmespeicher Quelle: Oberflächennahe Geothermie;Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

12. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Grundwassernutzung Schluckbrunnen muss aufnehmen können, was Förderbrunnen liefert Temperaturdifferenz auf ± 6 ° beschränkt (meist) genehmigungspflichtig, Qualität muss geprüft werden Korrosion, Lösung von Stoffen bei geänderten Temperaturen Nenndurchfluss 0,25 m³/h je kW Verdampferleistung Leistungsnachweis z.B. durch Pumpversuch messtechn. Überwachung, Pflege: Filter, Verstopfung Fremdstoffe Abstand 10-15 m gegen Kurzschluss Brunnentiefe 4-50 m(Grundwasserstand) Flußrichtung  Quelle: VDI-Richtline 4640

13. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Luft-Erdwärmetauscher bei kontrollierter Lüftung vortemperieren der Außenluft Kühlung im Sommer großen Querschnitte Quelle Rehau

14. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Entzugsleistung Quelle: VDI Richtlinie 4640

15. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Kostenvergleich Einfamilienhaus, 150 m2 Wohnfläche, Wärmebedarf 7,5 kW,jährlicher Energiebedarf 18.000 kWh bei 2.400 Heizstunden im Jahr Quelle Golder Associate ohne Berücksichtigung Schornsteinbau, Lebensdauerunterschiede !!

16. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Verbreitung Anteil der Wohngebäude mit 1-2 Wohneinheiten in Hessen mit Erdwärmesonden-gekoppekoppelten Wärempumpen Häufigkeitsverteilung der Wärmepumpenheizleistung bis 30 kW

17. Institut für Geotechnik und Geohydraulik Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch Literatur • VDI-Richtline 4640 Blatt 1-4 • Dr. Sven Rumohr, Wasser Berlin 2009 Nutzung der oberflächennahen Geothermie in Hessen • Leitfaden Erdwärmenutzung in Niedersachsen; Niedersächsisches Umweltministerium • Oberflächennahe Geothermie, Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz • Erdwärmenutzung in Hessen; Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie • Golder Asociates, Oberflächennahe Geothermie in Deutschland • Luft-/Erdwärmetauscher ETW; Forschungsverbund Sonneenergie • Hans-Joachim Lohr, Vortrag „Nutzung oberflächennaher Geothermie“, Velta-Kongress 2005 • Prof. Dr. Roland Königsdorff, Vortrag „Geothermisches Heizen und Kühlen von Gebäuden“, VDI Baden-Würtemberg, 2005 • www.geothemie.de • www.waermepumpe.de • www.innovationsforum-geothermie.de • www.geophysik.rwth-aachen.de • www.geo-energiekonzept.de