Projekt 11909/01

Erdsondenwärmespeicher Greußenheim – Vorstudie

Projektdurchführung

Bayerisches Zentrum für angewandteEnergieforschung (ZAE Bayern) e. V.Abt. Wärmedämmung / Wärmetransport
Am Hubland
97074 Würzburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel ist die Ermittlung der relevanten Speicher- und Anlagenkenngrößen, die zum Bau eines Erdsondenwärmespeichers und dessen Einbindung in ein bestehendes Nahwärmeversorgungsnetz (Wärmeerzeugung durch ein BHKW) nötig sind. Die Vorstudie umfaßt die gesamte Anlagenplanung bis einschließlich der Genehmigungsplanung. Es findet eine ökologische und ökonomische Bilanzierung des Verfahrens in Abgrenzung zum Stand der Technik statt. Ebenso werden durch eine Variantenbetrachtung mehrere Alternativen (z.B. höherer Wärmedämmstandard, zweites BHKW-Modul) ökonomisch und ökologisch bewertet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurchführung von geologischen Voruntersuchungen am geplanten Standort in Greußenheim. Die Fa. Brunnen & Bohren führt eine Probebohrung aus. Anhand dieser Bohrung charakterisiert das Geologische Institut die hydrogeologischen, hydrophysikalischen und thermischen Eigenschaften des Untergrunds. Die gewonnenen Daten bilden die Eingangsgrößen für numerische Simulationsrechnungen (Finite-Differenzen-Methode) welche vom ZAE Bayern durchgeführt werden und zur Bestimmung der Speicherkenngrößen (u.a. Anzahl, Anordnung und hydraulische Verschaltung der einzelnen Erdsonden) dienen. Die Planung des Speichers und dessen Anbindung an ein vorhandenes Blockheizkraftwerk und an ein zu errichtendes Sonnenkollektorfeld führt das Ing.-Büro Wehrig in Absprache mit allen beteiligten Projektpartnern durch. Es erfolgt eine detaillierte Ermittlung der Speicherbau- und Anbindungskosten. Eine Systemanalyse dieses Konzepts mit dem Simulationsprogramm TRNSYS wird vom ZAE Bayern durchgeführt. Für das optimierte Konzept erfolgt eine ökologische und ökonomische Bilanzierung des Verfahrens in Abgrenzung zum Stand der Technik. Gleichzeitig wird durch eine Variantenbetrachtung (z.B. höherer Wärmedämmstandard, zweites BHKW-Modul) die Systemsensibilität ausgetestet.


Ergebnisse und Diskussion

Der zur Speicherung genutzte Horizont besteht aus wassergesättigten Tonsteinen, die nur eine geringe Grundwasserfließbewegung zulassen (< 1 m/a). Die anhand der Probebohrungen gewonnenen Daten bildeten die Eingangsgrößen für numerische Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Speicherkenngrößen und für eine Systemanalyse dieses Konzepts mit dem Simulationsprogramm TRNSYS. Als Ergebnis der Voruntersuchungen erwies sich ein Erdsondenwärmespeicher mit 36 Sonden, von denen jeweils 6 in Serie durchströmt werden, als am günstigsten. Unter Verwendung des Erdwärmespeichers als saisonaler Speicher kann das BHKW ganzjährig im Dauerbetrieb gefahren werden und trotzdem auf zusätzliche Maßnahmen zur Spitzenlastdeckung (z.B. Ölkessel) verzichtet werden. Ein Teil der vom BHKW erzeugten elektrischen Energie, die ins öffentliche Netz eingespeist wird, wird in der Heizperiode zum Antrieb einer 5-stufigen Kompressionswärmepumpe eingesetzt, deren Kondensator die Wärme über einen Pufferspeicher an das Wärmeverteilnetz abgibt. Auf der Verdampferseite ist die Wärmepumpe an den Erdsondenwärmespeicher angeschlossen, der als Niedertemperaturquelle dient. Für den Speichernutzungsgrad ergibt sich ein Wert von hESWS = 64%. Die Kompressionswärmepumpe erreicht im Jahresmittel eine Arbeitszahl von 3,4. Die spezifischen Speicherbaukosten belaufen sich auf 125 DM/m³ bei einem Speichervolumen von 8700 m³. Unter Berücksichtigung der elektrischen Einspeisung des BHKW ergibt sich eine jährliche CO2-Gutschrift von 204 t.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Kuschel-Wärme aus der Erde, Main Post vom 16.01.1997
· Scheitert die Gewinnung von Erdwärme am Geld für die wissenschaftliche Betreuung? Main Post vom 2.3.1997
· Ökologisch und digital Main Post vom 16.04.1997
· Messedarstellung Ökoregio 27.-29. Juni 1997 in Greußenheim
· Warmer Ton für kalte Tage Umwelt Magazin 8/97
· Beitrag bei der 5. Geothermischen Fachtagung in Straubing, vom 12.-15. Mai 1998: Barthel R., Udluft P., Büttner D., Ebert H.-P., Drach V., Röhle B., Fricke J., Nahwärmesystem mit Erdsondenwärmespeicher in Greußenheim
· Weitere Veröffentlichungen sind geplant


Fazit

Geologische Voruntersuchungen und Versuchsbohrungen haben gezeigt, daß die hydrogeologischen und wasserrechtlichen Voraussetzungen für den Betrieb eines Erdsondenspeichers nahe dem Siedlungsgebiet Eselweg-West der unterfränkischen Gemeinde Greussenheim erfüllt sind. Die Erweiterung des bestehenden Nahwärmesystems mit seinem rapsölbetriebenen Blockheizkraftwerk (BHKW) um einen Erdsondenspeicher ist technisch machbar. Bei Implementierung des Erdsondenspeichers wirkt sich die fast gänzliche Substitution konventioneller Brennstoffe durch das Rapsöl sehr positiv auf die CO2-Bilanz aus, da im Vergleich mit dezentralen Heizöl-Systemen jährlich 400 t CO2 eingespart würden. Die ökonomische Betrachtung läßt bei der gegenwärtigen Preissituation und ohne Förderung vor allem wegen hoher Investitionskosten keinen gewinnbringenden Betrieb des Systems mit Erdsondenspeicher erwarten. Geht man in einem zukünftigen Szenario allerdings von einer Förderung der weiteren Investitionskosten von 50% sowie von Variationen der Energie- und Treibstoffpreise im Bereich von 10% aus, wie sie sich durch Veränderungen des Marktes oder der politischen Rahmenbedingungen leicht ergeben können, so kann auch das System mit Erdsondenspeicher wirtschaftlich betrieben werden. Dies berücksichtigt noch nicht, daß durch Verbesserungen und Rationalisierungen in Zukunft Kosteneinsparungen beim Erdsondenspeicherbau möglich sind. Im Gegensatz zu den offensichtlichen ökonomischen Defiziten, welcher der Erdsondenwärmespeicher-Variante anhaften, gibt es eine Reihe nur sehr schwer quantifizierbarer positiver Aspekte, welche für die Errichtung des Erdsondenwärmespeichers sprechen. Ein solcher bisher nicht marktüblicher Speicher, welcher mit Vorlauftemperaturen um die 70°C arbeitet, hätte Pilotcharakter und würde technisches und ökonomisches Verbesserungspotential aufzeigen und erschliessen helfen. Die dadurch entscheidend erhöhte Sachkompentenz bei regionalen Firmen und Objektplanern kann dazu beitragen, daß saisonale Wärmespeicher in Form von Erdsondenwärmespeichern in Anlagenplanungen überhaupt berücksichtigt werden. Berücksichtigt man die Maßgaben, welche sich aus dem Beschluß der Bundesregierung ergibt, die CO2-Emission bis zum Jahr 2005 um 25% zu reduzieren, erscheint es auch in dieser Hinsicht als sinnvoll, entsprechende Pilotvorhaben auch bei vorerst höheren Kosten zu verwirklichen, um die Entwicklung und wünschenswerte Verbreitung der Erdsondenwärmespeichertechnik voranzutreiben.