2. Energiemesse element-e 2015
Vortrag
„Nutzungsmöglichkeiten und Planungsgrundlagen
oberflächennaher Erdwärmesysteme “
Fr...
Themen
Grundlagen Geothermie
Was ist Geothermie ?
Woher kommt die Erdwärme ?
Thermisches Regime im Untergrund
Gewinnung vo...
Grundlagen Geothermie
Definition:
Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie
unterhalb der Oberf...
Folie 3
FvB2 Frank von Brandis; 05.07.2009
Grundlagen Geothermie
Erdwärme stammt zu ~1/3
aus der Bildungszeit der
Erde
Woher stammt Erdwärme ?
99% der Erde wärmer al...
Folie 4
FvB1 Frank von Brandis; 05.07.2009
Grundlagen Geothermie
Thermisches Regime des Untergrunds
Die mittlere Temperatur der Erdoberfläche ist ungefähr
13°C und e...
Grundlagen Geothermie
Thermisches Regime des Untergrundes
Grundlagen Geothermie
Die Entwicklung
des natürlichen
ungestörten
Temperaturprofils
im Untergrund
Grundlagen Geothermie
Nutzungsmöglichkeiten der Geothermie
Quelle: LfU Bayern
Oberflächennahe Geothermie
Technik
Umwelt- und Erdwärme aus dem Untergrund wird über horizontale
bzw. vertikale Wärmeübert...
Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Bergrecht
Erdwärme gilt in Deutschland als bergfreier Bodenschatz. In § 3, ...
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Bohrungen unter 100 m unterliegen der wasserrechtlichen Anzeige...
Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht
In Bayern sind für Bau und Betrieb von Anlagen, die oberflächen...
Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht
Aufschlussarbeiten oberhalb des Grundwassers:
Anzeigepflicht na...
Heizlast abhgg. von:
Bausubstanz
Außentemperatur
Nutzerverhalten
Sondernutzungen
Wärmepumpe
Bemessung abhgg. von:
Heizlast...
Bohrungen 5 – 150 m
Kollektoren bis 5 m
Brunnen
Einflussfaktoren bei der Planung und Auslegung einer Erdwärmeerschließung
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Grundlagen Geothermie: Auslegung
Beispiel : Standort Hirschaid
Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Grundwasser-Wärmepumpe
Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen
Wärmeträge...
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Grundwasser-Wärmepumpe
Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen
Wärmeträge...
Förderbrunnen
Schluckbrunnen
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Einbaubeispiel
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Bei eisenhaltigem Grundwasser kann
ausfallender Eisenocker in den
Wärmepumpen Anlagen zu großen
Problemen führen.
Im Sauer...
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Erdwärmesonde
Prinzip: Bohrungen 70 – 150 m
Doppel-U-Sondenrohre aus ...
Grundlagen Geothermie: Auslegung
⇒Erforderliche
Gesamtsondenlänge
nach SIA 384/6
Anforderungen an den Bohrplatz
Genehmigung vorhanden
Bei jeder Witterung befahrbares Terrain
Neigung max. 5% (oder nach Ab...
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Film zum Projekt unter:
www.erdwaermeplus.de
Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
Erdreich- und Grabenkollektoren (bis max. 5m)
Prinzip: Kunststoff-Roh...
Collector PLUS
Collector PLUS
Erdreichtemperaturen
Collector PLUS
Stromkosten im Mittel ca. 450 €/Jahr
Collector PLUS
3
Collector PLUS
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Kollektormatten (Spiralkollektoren)
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Erdwärmekörbe
Bild: betatherm
Quelle: Uponor
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Spiralkollektoren
Bild: enregis
Quelle: Rehau
Bild: Rehau
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Vertikalkollektoren
Bild: GeoCollect
Quelle: TerraQ
Bild: Ter...
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• erdgebundene Betonbauteile (z.B. Stützpfähle = Energiepfähle)
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Abwassernutzung
Quelle: Frank GmbH
Quelle:http://www.bwb.de
Oberflächennahe Geothermie
weitere Anwendungsmöglichkeiten
• Nutzung von Oberflächengewässern
Quelle: Frank GmbH
Oberflächennahe Geothermie
Zusammenfassung:
Geothermie ist aufgrund ihrer
hohen Effizienz und damit einhergehenden CO2 - E...
Oberflächennahe Geothermie
Die Energiewende wird auf dem Wärmemarkt entschieden und
nicht durch den Austausch von Glühbirn...
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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  1. 1. 2. Energiemesse element-e 2015 Vortrag „Nutzungsmöglichkeiten und Planungsgrundlagen oberflächennaher Erdwärmesysteme “ Frank v. Brandis, Dipl.-Geologe, Erdwärme plus
  2. 2. Themen Grundlagen Geothermie Was ist Geothermie ? Woher kommt die Erdwärme ? Thermisches Regime im Untergrund Gewinnung von Erdwärme: Rechtliche Grundlagen Möglichkeiten d. Erdwärmenutzung Oberflächennahe Geothermie Grundwasser-Wärmepumpe Erdwärmesonde Erdwärme-Kollektor
  3. 3. Grundlagen Geothermie Definition: Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (Syn.: Erdwärme). VDI 4640 Was ist Geothermie ? Bei der Nutzung der Geothermie unterscheidet man zwischen Direkter Nutzung, also der Nutzung der Wärme selbst, und Indirekter Nutzung, der Nutzung nach Umwandlung in Strom in einem Geothermiekraftwerk. zählt wie Sonnen- und Windenergie, Wasserkraft und Biomasse zu den regenerativen Energieformen, hat jedoch den besonderen Vorteil, dass sie jahres- und tageszeitenunabhängig konstant zur Verfügung steht und somit grundlastfähig ist. Der begriffliche Übergang von der Oberflächennahen Geothermie auf die Tiefe Geothermie wurde auf eine Tiefe von etwa 400 m festgelegt. FvB2
  4. 4. Folie 3 FvB2 Frank von Brandis; 05.07.2009
  5. 5. Grundlagen Geothermie Erdwärme stammt zu ~1/3 aus der Bildungszeit der Erde Woher stammt Erdwärme ? 99% der Erde wärmer als 1000°C Die Erde gibt ständig eine thermische Leistung von ~35 TW ab. bezogen auf die Gesamtfläche Wärmestromdichte von ~ 0,07 W/m2 ~ 2/3 entstehen durch natürlichen radioaktiven Zerfall in der Unterkruste FvB1
  6. 6. Folie 4 FvB1 Frank von Brandis; 05.07.2009
  7. 7. Grundlagen Geothermie Thermisches Regime des Untergrunds Die mittlere Temperatur der Erdoberfläche ist ungefähr 13°C und ergibt sich aus dem Gleichgewicht von: einfallender Solarstrahlung (20 bis max. 900 W/m² in Mitteleuropa) Niederschlag ca. 0,6 W/m² geothermischer Wärmefluss (0.05 - 0.12 W/m²) emittierter Wärmestrahlung Unter der neutralen Zone (<10 – 20 m) ist die Temperatur zeitlich konstant, sie nimmt mit der Tiefe zu (0,03 K/m = 3 K/100m) Der Energietransport im Untergrund geschieht durch Wärmeleitung (λ ~ 1 - 5 W/mK) Konvektion (d.h. Fluidtransport – Grundwasser/Gas/Dampf)
  8. 8. Grundlagen Geothermie Thermisches Regime des Untergrundes
  9. 9. Grundlagen Geothermie Die Entwicklung des natürlichen ungestörten Temperaturprofils im Untergrund
  10. 10. Grundlagen Geothermie Nutzungsmöglichkeiten der Geothermie Quelle: LfU Bayern
  11. 11. Oberflächennahe Geothermie Technik Umwelt- und Erdwärme aus dem Untergrund wird über horizontale bzw. vertikale Wärmeübertrager oder durch Abpumpen von Grundwasser gewonnen und (meist über Wärmepumpen) zum Heizen eingesetzt (VDI 4640) Merkmale nutzt Erdwärme, die in Tiefen bis 400 m gespeichert ist geeignet für viele Anwendungen im Niedrigtemperaturbereich Heizen, Kühlen und thermische Energiespeicherung möglich praktisch überall einsetzbar im privaten und gewerblichen Bereich mit Heizleistungen > 100kW nutzbar unabhängig von Witterung sowie Tages- und Jahreszeiten immer nutzbar i.d.R. Regel Anhebung des Temperaturniveaus mittels Wärmepumpe (Primärenergiebedarf zum Betrieb der Wärmepumpe ca. 25%) Wärmepumpe
  12. 12. Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Bergrecht Erdwärme gilt in Deutschland als bergfreier Bodenschatz. In § 3, Abs. 3, letzter Satz BBergG: …Als bergfreie Bodenschätze gelten: … 2.b) Erdwärme und die im Zusammenhang mit ihrer Gewinnung auftretenden anderen Energien (Erdwärme). Erdwärme befindet sich nicht im Eigentum des Grundbesitzers, sondern gehört der Allgemeinheit (dem Staat) und unterliegt folglich dem Bergrecht. …aber § 4, Abs. 2 BBergG : Gewinnen (Gewinnung) ist das Lösen oder Freisetzen von Bodenschätzen …; ausgenommen ist das Lösen oder Freisetzen von Bodenschätzen 1. in einem Grundstück aus Anlass oder im Zusammenhang mit dessen baulicher oder sonstiger städtebaulicher Nutzung… Die "100 m Grenze„: Nach § 127 BBergG müssen alle Bohrungen, also nicht nur Bohrungen auf bergfreie Bodenschätze, die "mehr als hundert Meter in den Boden eindringen sollen", der zuständigen Bergbehörde angezeigt werden. Bohrungen < 100 m unterliegen nicht dem Bergrecht Praxis: Bohrungen > 100 m oder Anlagen mit thermischen Leistungen > 0,2 MW müssen zwar bergrechtlich angezeigt und geprüft werden, unterliegen i.d.R. aber nur bei besonderen bergrechtlich relevanten Verhältnissen der Betriebsplanpflicht. ?
  13. 13. Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht Bohrungen unter 100 m unterliegen der wasserrechtlichen Anzeigepflicht nach § 49 Abs. 1 Satz 1 WHG, da die Arbeiten in der Regel so tief in den Boden eindringen, dass sie sich unmittelbar oder mittelbar auf die Bewegung, die Höhe oder die Beschaffenheit des Grundwassers auswirken können. Der Betrieb von Erdwärme- oder Erdkälteanlagen ist gemäß den §§ 8, 9 und 10 Wasser- haushaltsgesetz (WHG) als Gewässerbenutzung fast immer erlaubnispflichtig. Was ist erlaubnispflichtig? das Einbringen und Einleiten von Stoffen in Gewässer, das Entnehmen, Zutagefördern, Zutageleiten und Ableiten von Grundwasser. Benutzungen, die geeignet sind… … dauernd oder in einem nicht nur unerheblichen Ausmaß nachteilige Veränderungen der Wasserbeschaffenheit herbeizuführen…
  14. 14. Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht In Bayern sind für Bau und Betrieb von Anlagen, die oberflächennahe Geothermie nutzen, die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) in Verbindung mit dem Bayerischen Wassergesetz (BayWG) und der hierzu ergangenen Verwaltungsvorschrift (VwVBayWG) maßgebend. ergänzend Leitfaden für Erdwärmesonden in Bayern (aktuell: Stand Juni 2012) m. Merkblatt 3.7.2, ergänzt durch Ministeriumsschreiben v. 17.12.2012 VDI Richtlinie 4640 Blatt 1 und 2 Thermische Nutzung des Untergrundes DIN 8901:2002-12 Kälteanlagen und Wärmepumpen - Schutz von Erdreich, Grund- und Oberflächenwasser - Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen und Prüfung SIA-Norm 384/6 Erdwärmesonden (Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein VAwS Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen … .Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen dürfen keinesfalls das Grundwasser schädlich verunreinigen oder seine Beschaffenheit nachteilig verändern – weder während die Anlage gebaut noch während sie betrieben wird.
  15. 15. Grundlagen Geothermie Rechtliche Grundlagen => Wasserrecht Aufschlussarbeiten oberhalb des Grundwassers: Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWG => Prüfung durch Fachbehörde Aufschlussarbeiten, die in das Grundwasser reichen: Im Regelfall immer wasserrechtlich erlaubnispflichtig Genehmigungsbehörde: Untere Wasserbehörde (Landratsamt oder kreisfreie Stadt) ggf. weitere Behörden (Wasserwirtschaftsamt, Bergamt)
  16. 16. Heizlast abhgg. von: Bausubstanz Außentemperatur Nutzerverhalten Sondernutzungen Wärmepumpe Bemessung abhgg. von: Heizlast Nutzung (Heizen, Kühlen, WW) COP (Leistungszahl) Auslegung abhgg. von: Das System der Wärmepumpenheizung Gebäude
  17. 17. Bohrungen 5 – 150 m Kollektoren bis 5 m Brunnen Einflussfaktoren bei der Planung und Auslegung einer Erdwärmeerschließung Prinzip: Kälteleistung Wärmepumpe Genehmigungsrecht Wasserrecht Bergrecht örtliche Verhältnisse Grenzabstände (Hydro-)geologische Verhältnisse Bohrverfahren Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes Kosten Effizienz
  18. 18. Grundlagen Geothermie: Auslegung Beispiel : Standort Hirschaid
  19. 19. Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
  20. 20. Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
  21. 21. Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
  22. 22. Grundlagen Geothermie: Vorrecherche
  23. 23. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe Grundwasser-Wärmepumpe Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen Wärmeträger: Wasser hydrogeolog. Verhältnisse besonders zu beachten: Fließrichtung, Herkunft des Wassers, Wasserqualität Plus + geringer Flächenbedarf + hohe Arbeitszahl, geringe Energiekosten + unkompliziert in der Auslegung + hohe Zuverlässigkeit + Heizen und Kühlen möglich - aufwändig im Bau - Anschaffungskosten - je nach hydrogeol. Verhältnissen nur eingeschränkt einsetzbar Anwendung: Heizen, Warmwasserbereitung, Kühlen
  24. 24. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe Grundwasser-Wärmepumpe Prinzip: Förder- und Schluckbrunnen Wärmeträger: Wasser hydrogeolog. Verhältnisse besonders zu beachten: Fließrichtung, Herkunft des Wassers, Wasserqualität Genehmigung in Bayern: Grundwasserwärmepumpen bis 50 KJ/s: Wasserrechtliche Erlaubnis in der Regel nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG Bohranzeige erfolgt durch ausführende Brunnenbaufirma Gutachten und Abnahme eines Sachverständigen erforderlich (vom Bauherrn zu beauftragen!) Beschreibung des Vorhabens mit Bestimmung von Absenktrichter und Aufstaukegel Erstellung der Brunnen ist von Fachbetrieben auszuführen (DVGW 120 o. vergleichbar) Außer Abkühlung und Erwärmung darf Grundwasser in seiner Beschaffenheit nicht weiter verändert werden und muss vollständig in denselben Grundwasserleiter eingeleitet werden aus dem es entnommen wurde Keine anderweitige Einleitung in den Schluckbrunnen (z.B. Regenwasser)
  25. 25. Förderbrunnen Schluckbrunnen Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
  26. 26. Einbaubeispiel Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
  27. 27. Bei eisenhaltigem Grundwasser kann ausfallender Eisenocker in den Wärmepumpen Anlagen zu großen Problemen führen. Im Sauerstofffreien Wasser können große Mengen zweiwertiger Eisen Ionen gelöst sein. Kommt dieses Wasser mit Sauerstoff in Kontakt, fällt dunkelbrauner Eisenocker aus. Ebenso können auch im Wasser gelöste Mangan Ionen als schwarzes Manganoxid ausfallen. Betroffen sind alle Anlagenteile wie Brunnen, Pumpen, Rohrleitungen, Verdampfer. Der ausfallende Ocker (Verockerung) ist sehr weich und kann alles verstopfen. Verockerung Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
  28. 28. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe Erdwärmesonde Prinzip: Bohrungen 70 – 150 m Doppel-U-Sondenrohre aus HDPE, Durchmesser 32 mm Wärmeträger Wasser mit Frostschutzmittel Plus + geringer Flächenbedarf, überbaubar + hohe Arbeitszahl, geringe Betriebskosten + sehr hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer + Heizen, Kühlen und Speichern möglich - aufwändiger in Auslegung und Einbau - Anschaffungskosten - je nach hydrogeologischen Verhältnissen nur eingeschränkt einsetzbar Genehmigung: Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWG i.d.R. wasserrechtliche Erlaubnis nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG erforderlich Gutachten und Abnahme eines Sachverständigen erforderlich (vom Bauherrn zu beauftragen!) Bei Bohrungen > 100 m bergrechtliche Anzeige nach § 127 BBergG Anwendung: Heizen, Warmwasserbereitung, Kühlen, Speichern
  29. 29. Grundlagen Geothermie: Auslegung ⇒Erforderliche Gesamtsondenlänge nach SIA 384/6
  30. 30. Anforderungen an den Bohrplatz Genehmigung vorhanden Bei jeder Witterung befahrbares Terrain Neigung max. 5% (oder nach Absprache) Keine Leitungen im Bohrgrund Platzbedarf für Bohrgerät und Hilfsgerätschaften (Mulde bzw. Container für Bohrschlammentsorgung) Wasser notwendig (bevorzugt ab Hydrant) Strom notwendig, je nach Bohrunternehmen Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
  31. 31. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe
  32. 32. Film zum Projekt unter: www.erdwaermeplus.de
  33. 33. Möglichkeiten der Erdwärmenutzung mittels Wärmepumpe Erdreich- und Grabenkollektoren (bis max. 5m) Prinzip: Kunststoff-Rohrregister in ca. 1.2 - 1.5 m Tiefe) geothermischer Wärmefluss vernachlässigbar es wird direkte und indirekte Sonnenenergie von der darüberliegenden Bodenschicht aufgenommen Plus + geringer Aufwand Planung u. Einbau + relativ geringe Kosten + fast überall einsetzbar - großer Flächenbedarf - Überbauung o. Versiegelung nicht möglich - unterliegt jahreszeitl. Temperatureinflüssen Genehmigung: Anzeigepflicht nach § 49 WHG in Verbindung mit Art. 30 BayWG => Prüfung durch Fachbehörde Bei Eingriff in Grundwasser oder Wasserschutzgebieten (Weitere Schutzzone): Wasserrechtliche Erlaubnis in der Regel nach Art. 15 BayWG in Verbindung mit Art. 70 BayWG Anwendung: Heizen, Warmwasserbereitung; seltener auch Kühlen und Energiespeicherung
  34. 34. Collector PLUS
  35. 35. Collector PLUS Erdreichtemperaturen
  36. 36. Collector PLUS Stromkosten im Mittel ca. 450 €/Jahr
  37. 37. Collector PLUS 3
  38. 38. Collector PLUS
  39. 39. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Kollektormatten (Spiralkollektoren)
  40. 40. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Erdwärmekörbe Bild: betatherm Quelle: Uponor
  41. 41. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Spiralkollektoren Bild: enregis Quelle: Rehau Bild: Rehau
  42. 42. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Vertikalkollektoren Bild: GeoCollect Quelle: TerraQ Bild: TerraQ
  43. 43. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • erdgebundene Betonbauteile (z.B. Stützpfähle = Energiepfähle)
  44. 44. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Abwassernutzung Quelle: Frank GmbH Quelle:http://www.bwb.de
  45. 45. Oberflächennahe Geothermie weitere Anwendungsmöglichkeiten • Nutzung von Oberflächengewässern Quelle: Frank GmbH
  46. 46. Oberflächennahe Geothermie Zusammenfassung: Geothermie ist aufgrund ihrer hohen Effizienz und damit einhergehenden CO2 - Einsparpotentials Grundlastfähigkeit Hohen Lebensdauer der Systemkomponenten (mehrere Generationen) vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten (Heizen, Kühlen, Speichern) Umweltfreundlichkeit (erneuerbar, nicht sichtbar, hörbar oder riechbar) Unabhängigkeit von Import und Zulieferung ein wichtiger und unverzichtbarer Baustein der Energiewende, Ein wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller Einsatz bedingt jedoch eine frühzeitige Planung und eine standortbezogene Wahl des passenden Erschließungs- und Nutzungssystems auf Basis der genehmigungsrechtlichen Vorgaben (Boden- und Grundwasserschutz) Untergrundverhältnisse (Geologie/Hydrogeologie) Standort- und Platzverhältnisse der Gebäudeanforderung
  47. 47. Oberflächennahe Geothermie Die Energiewende wird auf dem Wärmemarkt entschieden und nicht durch den Austausch von Glühbirnen !
  48. 48. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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