Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

1. Nutzung von Aquiferspeichern für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden am Beispiel des Energieverbunds Spreebogen Quelle: Itw Stuttgard Präsentation zur Vorlesung Geothermie bei Prof. Dr. Manfred Koch

2. Agenda • Aquifere • Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung • Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

3. Aquifere • Grundwasserführende Schicht • hochpermeable Gesteinsschichten mit ausreichend durchlässigem Material, um signifikante Mengen an Wasser zu speichern oder weiterzuleiten • hochporöse Sandsteine sowie andere stark geklüftete oder verkarstete Sedimentgesteine Quelle: Welt der Physik Quelle: TAB-Arbeitsbericht Nr.84 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

4. Aquifere • Aquifer-Wärmespeicher • nach oben und unten hydraulisch abgeschlossene Grundwasserschichten • hydraulische Durchlässigkeit kf > 10-5 m/s • geringe Grundwasserfließgeschwindigkeit • biologische & chemische Zusammensetzung Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

5. Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung • Warum Energiespeicher: Verringerung von Energieverlusten • Im Sommer: kaum Abnehmer für Abwärme aus Stromerzeugung (KWK), aber Kühlbedarf (erzeugt auch Abwärme) • Im Winter: Kaum Bedarf an der zur Verfügung stehenden Kälte, aber Wärmebedarf • Lösung: Langzeitspeicher zur Überbrückung • Gut kombinierbar mit Solarthermie (Großanlagen) • Problem Langzeitspeicher: konventionelle Speicher sind teuer, verlustreich • Lösung: unterirdische, natürlich vorkommende Speicher • Möglichkeiten: Erdwärmesonden (20 bis 100m), Aquifere (Tiefe 100m bis 300m wegen Konkurrenz zu Trinkwassernutzung bzw. zu hohen Kosten) • Aber: Einleitung von Wasser in Untergrund erfordert Genehmigungen Quelle: VDI Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

6. Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung • Speichermedium ist Grundwasser sowie poröses Gestein • Gespeicherte Energie wird direkt / über Wärmepumpe genutzt • Aquifere: • Tiefe ≈ 100m bis 1500m (Optimum bei ca. 200m) • Dicke ≈ bis 100m (Verteilung der Wärme) • möglichst homogene Struktur • Einsparungen: • Im Schnitt können ¾ der Wärmeenergie eigespart werden • Bei Kühlung bis zu 80% Energiekosteneinsparung • Bei Kombination ggf. zusätzliche Verbesserung der Energiebilanz Quelle: Schossig, Seibt/ Kabus, Geophysica Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

7. Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung • Einsatz besonders bei Gebäuden mit hohem Kühlbedarf im Sommer interessant: • Bürogebäude, Einkaufszentren, Krankenhäuser • Kongressgebäude, Ausstellungs- & Messehallen • Nahwärmenetze • Warmwasser & Heizungsunterstützung für Gebäudekomplexe • Voraussetzungen: • Sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit & -richtung • Volumen des Aquifers: 10.000m³ bis 1.000.000m³ • Hydrogeologische Standortbedingungen (weitreichende Kenntnisse aus 1980ern aufgrund von Erdgasbohrungen) Quelle: Geophysica, VDI, AEE Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

8. Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung • Speicher aus mind. einer Bohrgruppe: Entnahme & Injektion • Wasserentnahme über Entnahmebohrung aus grundwasserführender Schicht • Abgekühltes / aufge- wärmtes Wasser über Injektionsbrunnen wieder in Aquifer einspeisen • Abstand der Bohrungen 50 – 300m Quelle: Schossig Quelle: Schossig, Geophysica Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

9. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • Investition rund 40Mio. Mark (in Summe) • Strom und Wärme bis zu 80% aus erneuerbaren Enegrien • Spitzenlast, Erstatzstromversorgung aus öffentlichem Netz • CO2-Ausstoß wird um mehr als 50% reduziert (gegenüber städtischem Strom & Fernwärme) • BHKW mit Bio-Diesel, stromgeführt • Abwärme wird direkt genutzt für Heizung, Absorptions-Kälteanlage oder in Aquifer gespeichert • 2 Aquifere (für Wärme und Kälte) Quelle: Berliner Morgenpost Quelle: Die Woche Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

10. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • oberer Aquifer: • Kältespeicher: Etwa 50m unter Reichstagsgebäude • Süßes Grundwasser • Erschlossen durch 5 Bohrungen • max. Förderrate 300 m³/h • Abkühlung im Winter (Temp. < 0°C) auf 5°C • Entnahmetemperatur 6 – 10°C • max. Injektionstemperatur 30°C Quelle: Huenges Quelle: Die Woche Berliner Energietage, Huenges Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

11. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • unterer Aquifer: • Wärmespeicher: Rund 300m Tiefe (durch etwa 60m Tonschicht abgedeckt) • Salzhaltiges Sohle-Wasser • Erschlossen durch Dublette • max. Förderrate 100m³/h • Beladungstemperatur: max. 70°C • Entnahmetemperatur: 65°C -30°C (mit Wärmepumpe bis auf 20°C möglich) Quelle: Huenges Quelle: Die Woche, Berliner Energietage, Huenges Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

12. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • Beladung der Aquifere: • Wärmespeicher: • Einspeisung etwa 70°C heißem Wasser • Heißes Wasser stammt aus KWK des BHKW • Temperatur sinkt bis Beginn der Nutzung auf etwa 65°C • Kältespeicher: • Wasser wird durch Trockenkühler und Verdampfer abgekühlt und eingespeist (5°C) • Bis zum Einsatz der Kälte steigt Temperatur auf 6°C • Kühlung über Kühldecken (direkter Wärmetausch) η ≈ 75% η ≈ 90% Quelle: Schmidt/ Müller-Steinhagen Quelle: Die Woche, Schmidt/ Müller-Steinhagen 12 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

13. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen • Betriebsumstellungen: • niedrigere Einspeichertemperaturen • angepasste Abnahme • Rückkühlung erst ab 2003 • Forschungsprojekt Quelle: Kranz et al.2009 13 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

14. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen Temperaturverlauf am Bohrungskopf des Wärmespeichers über 3 Zyklen Absinkende Fördertemperatur (dunkelblau) in Entladungsperiode ist Charakteristisch für Aquiferspeicher Quelle: Huenges Quelle: Huenges Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

15. Fallbeispiel: Energieverbund Spreebogen in Berlin Quelle: Die Woche Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

16. Potential geothermischer Aquiferspeicher in Deutschland • Untersuchung unterstützt von der Europäischen Kommission aus 90er Jahren (DIS-0463-95-NL (1997) - Seasonal thermal energy storage in NW Europe) • Unter 70% der Fläche von Deutschland befinden sich Aquifere, die als Wärme- bzw. Kältespeicher genutzt werden können • Untersuchung ging nur bis zu einer Tiefe von 150m • d.h. das Potential zur Nutzung von Aquiferspeichern ist noch höher • Weitere größere Projekte in Deutschland: • Fernwärmenetz Neubrandenburg • Wohnkomplex „Helios“ in Rostock Quelle: Seibt / Kabus Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

17. Quellenverzeichnis • AEE: Agentur für Erneuerbare Energien e.V. (2009): Hintergrundinformation – Wärme speichern, zugegriffen über: http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/18_Hintergrundpapier_November_2009_Waerme_ speichern.pdf, am 07.09.2011 • Berliner Energietage: Römmling, U. (2001): Ergebnisse und Erfahrungen bei der Umsetzung des energiesparenden Bauens am Beispiel der Berliner Bundesbauten, zugegriffen über: http://www.bine.info/fileadmin/content/ Publikationen/Projekt-Infos/Zusatzinfos/2003-13_Vortrag_Berliner_Energietage.pdf, am 25.08.2011 • Berliner Morgenpost: Berliner Morgenpost: Geheimpapier offenbart massive Sicherheitslücke, zugegriffen über: http://www.morgenpost.de/ politik/article1492564/Geheimpapier-offenbart-massive-Sicherheitsluecken.html, am 07.09.2011 • Die Woche: Die Woche 10.07.1998: Der Öko-Reichstag, zugegriffen über: http://www.co2sparhaus.de/fileadmin/ co2/img/Oeko-Reichstag.pdf, am 07.08.2011 • Geophysica: Geophysica Beratungsgesellschaft mbH: Geothermische Aquiferspeicher – Wärme und Kälte aus Grundwasserspeichern, zugegriffen über: http://www.geophysica.de/Downloads/Aquiferspeicher.pdf, am 07.08.2011 • Huenges: Huenges, E. (2006): Geothermie – Nachhaltige Stromerzeugung mit KWK, zugegriffen über: http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2006/th2006_02_04.pdf, am 07.09.2011 • itwStuttgard: itwStuttgard: Aquifer-Wärmespeicher, zugegriffen über: http://www.itw.uni-stuttgart.de/abteilungen/ rationelleEnergie/technik/aquifer.php, am 07.09.2011 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

18. Quellenverzeichnis • Kranz et al. 2009: Kranz, S. et al. (2009): Aquiferspeicher für die Wärme und Kälteversorgung von Gebäuden, zugegriffen über: http://www.enob.info/ fileadmin/media/Publikationen/EnOB/EnOB_Statusseminar_2009/ EnOB_Statusseminar_Block_III.pdf, am 07.09.2011 • Schmidt/ Müller-Steinhagen: Schmidt, T.; Müller-Steinhagen, H. (2005): Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher in Deutschland, zugegriffen über: http://solites.org/download/05-01.pdf, am 07.09.2011 • Schossig: Schossig, P. (2005): Thermische Speicher, zugegriffen über: http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/ Themenhefte/th2005/th2005_06.pdf, am 07.09.2011 • Seibt/ Kabus: Seibt, P.; Kabus, F. (2006): AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE – PROJECTS IMPLEMENTED IN GERMANY, zugegriffenüber:http://intraweb.stockton.edu/eyos/energy_studies/content/docs/FINAL_PAPERS/4A-1.pdf, am 07.09.2011 • TAB-Arbeitsbericht Nr.84: Paschen, H.; Oertel, D.; Grünwald, R. (2003): Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland , zugegriffen über: (http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200304/bilder/ab84.pdf, am 07.09.2011 • VDI : VDI Nachrichten 19.10.2007: Energie in Aquiferen lagern, zugegriffen über: http://www.eflocon.de/pdfarchiv/ energietechnik/19.10.2007%20Energie%20in%20Aquiferen %20lagern%20VDI-N.pdf, am 07.08.2011 • Welt der Physik: Welt der Physik: Sandstein aus dem Ketziner Untergrund, zugegriffen über: http://www.weltderphysik.de/ de/3730.php?i=5892, am 07.09.2011 Aquiferspeicher für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden

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