Saisonale Speicherung in einem Erdwärmesondenfeld

Die saisonaler thermischer Speicherung im Erdwärmesondenfeld erlaubt Kühlen im Sommer und Heizen im Winter.

Technik der Speicherung im Erdwärmesondenfeld

Temperaturniveau

Generell gibt es zwei Formen von BTES:

1. Hochtemperatur-BTES mit Maximaltemperaturen von ca. 90°C aus industrieller oder gewerblicher Prozesswärme aber auch aus solarthermischen Kollektoren, wenn kein Bedarf für eine Kühlung besteht, denn dafür wären die hohen Temperaturen ungeeignet.
2. Heizen und Kühlen mit saisonaler Niedertemperatur-BTES. Hier bleibt ein annähernd normales Temperaturniveau im Untergrund erhalten, indem (im steady-state nach einigen Jahren) im Winter ebenso viel Wärme zum Heizen mit Wärmepumpe entnommen wird, wie im Sommer zum Kühlen und aus solarthermischen Kollektoren zugeführt wird.

Für unser Klimadörfl kommt nur die Niedertemperatur-BTES in Frage. Hier gelten folgende Überlegungen:

• Der Wärmeverlust im Speicher ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Speichertempratur im Jahreskreis - der ungestörten Temperatur im Untergrund (T_mittel - T₀).
• Die Minimaltemperatur nach Wärmeabgabe im Winter muss über 0°C und mit Sicherheitsabstand über 4°C liegen, um das Wasser im Untergrund nicht zu gefrieren.
• Ein ausreichender Unterschied von Minimaltemperatur und Maximaltemperatur ist nötig, um das Volumen des Speichers und damit die Investitionskosten zu begrenzen. Damit läge eine praktische Maximaltemperatur bei knapp unter 40°C, die PE-Kunstoffrohre langfristig problemlos tolerieren
• BTES Systeme, die bei Temperaturen über 40°C operieren, können geochemische Effekte auslösen. (IEA ECES, 1997).
• Das unberührte Temperaturniveau liegt über die Bohrtiefe im Durchschnitt bei 12°C + Bohrtiefe*3/2.
• Das langfristige mittlere Temperaturniveau des Speichers läge mit 20-25°C etwas höher. Die mittlere Temperatur im Speichervolumen würde über mindestens 5 Jahre steigen.
• Durch das etwas höhere mittlere Temperaturniveau wird die Differenz zwischen Verdampfertemperatur und Kondensortemperatur der Wärmepumpe vermindert, wodurch Stromverbrauch und Energiekosten direkt proportional sinken.
  

  Wikipedia: Wärmepumpe

COP= Q_th/E_el

COP_max = T_warm/(T_warm-T_kalt),

COP = Wirkungsgrad * T_warm/(T_warm-T_kalt).

E_el = Q_th * (T_warm-T_kalt)/T_warm/Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe liegt bei 0,45-0,55.

Dies wird am Temperatur vs. Tiefenprofil im Sondenfeldzentrum im Verlauf eines Jahreszyklus am Beispiel Braestrup verdeutlicht .

Wobei hier die Temperatur jeweils ca. 10°C höher liegt.

Geophysikalische Voraussetzungen im Untergrund:

• bohrbarer Grund
• hohe Wärmekapazität
• niedrige hydraulische Konduktivität (< 10^-10 m/s)
• natürlicher Grundwasserfluss < 1 m/a
• thermische Leitfähigkeit begrenzt

Aufgrund des geophysischen Berichts der Kernbohrung bei Herrn Dr. Worseg wissen wir, dass der Untergrund Wienerwaldflysch enthält. Das ist günstig, weil dieser eine geringe Wasserdurchlässigkeit aufweist.

Die Wärmeleitfähigkeit der Erde im Dörfl beträgt 2W/m/K

Volumen des Erdwärmesondenfeldes

Determinanten:

• Zu speichernde thermischen Energie für den Winter
• geplanten Temperaturdifferenz zwischen Beginn und Ende der Heizsaison
• Wärmekapazität des Erdreichs

Optimale Form des Sondenfeldes:

Zylinder Um Verluste durch Wärmeleitung in das umliegende Erdreich zu minimieren, soll das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen möglichst klein gehalten werden. Die optimale Geometrie dazu wäre eine Kugel, aber diese lässt sich nicht mit Bohrlöchern erzielen. Die nächstbessere Form ist ein Zylinder, minimal schlechter ein Sechseck, oder noch einmal etwas schlechter ein Quader.

Formfaktor - Verhältnis von Durchmesser zu Bohrtiefe

Der optimale Formfaktor hängt davon ab, ob die mittlere Temperatur im Erdwärmespeicher deutlich erhöht werden soll oder naturbelassen bleibe soll.

• Eine naturbelassene Speichertemperatur setzt voraus, dass die Vorlauftemperatur der Wärmepumpen niedrig ist. Dies wiederum setzt voraus, dass Neubauten mit Niedrigenergiestandard oder Altbauten nach guter thermischer Sanierung und i.d.R. auch Flächenheizkörpern zu beheizen sind.
• Wo eine solche Sanierung an der Wirtschaftlichkeit und/oder Denkmalschutz scheitert (und das ist in unserem Dörfl zu befürchten), muss für einen ausreichenden Wirkungsgrad der Wärmepumpen eine erhöhte Temperatur des Speichers vorgesehen werden.

Saisonale Speicherung im Erdwärmesondenfeld mit deutlich erhöhter Durchschnittstemperatur

• Bei einem Zylinder wäre das optimale Oberfläche/Volumenverhältnis erreicht, wenn der Durchmesser des Sondenfeldes und die Bohrtiefe gleich wären.
• Anderseits entsteht für jedes weitere Bohrloch zusätzliche Kosten für den Zeitaufwand zum Versetzen des Bohrers.
• Bei Isolation an der Oberfläche ist ein größerer Durchmesser als Bohrtiefe mit dem geringsten Wärmeverlust verbunden
• Die optimale Speichereffizienz wird nach Modellrechnungen erzielt, wenn die Bohrtiefe je nach Bodenbeschaffenheit 1-2x so hoch ist wie der Durchmesser des Zylinders (Abb 1).
• Entsprechend hat sich eine Bohrtiefe von von 50m als wirtschaftlicher als 200m oder 20m erwiesen (siehe Abb.2).
• Die dabei unvermeidlichen fortlaufenden Netto-Wärmeverluste an die Umgebung des Speichers müssen durch zusätzliche Solarthermiekollektoren kompensiert werden. Diese stellen einen zusätzlichen Kostenfaktor dar.

Bisherige Beispiele für Bohrtiefen sind 55m (bei 80 Sonden in Crailsheim, D), 45m (bei 48 Sonden in Braedstrup, DK) und 35m (bei 130 Sonden in Drake Landing, Canada).[1]

In Crailsheim, Deutschland, war die Bohrtiefe auch durch einen Aquifer begrenzt (und gegen oberflächennahes Schichtenwasser musste isoliert werden) .

Saisonale Speicherung im Erdwärmesondenfeld mit naturbelassener Durchschnittstemperatur

• Die Verluste an die Umgebung im Spätsommer, wenn maximale Speichertemperaturen von z.B. 25°C erreicht werden, werden durch Wärmegewinne aus der Umgebung in der zweiten Hälfte der Heizperiode, wenn Minimumtemperaturen von 5°C erzielt werden, ausgeglichen. Damit spielt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kaum eine Rolle.
• Die ungestörte Temperatur des Bodens steigt pro 100m Tiefe um ca. 3°C. Tiefere Bohrlöcher erbringen also eine Erhöhung der mittleren Speichertemperatur (bei 200m +3°C).
• Die Tiefe der Bohrungen wird aber durch etwaige Grundwasserströme begrenzt, sodass die Machbarkeit von der Geophysik abhängt..
• Bohrtiefen von bis zu 200m bei einer langgestreckten Zylinderform wird vorgeschlagen.
• Auch beim aktuellen Wiener Projekt SMART Block Geblergasse wurde für das winzige Nahwärmenetz, das nur 5 Häuser umfasst, eine Bohrtiefe von 150m gewählt.
• In einem wirtschaftlichen Optimierungsmodell für ein warmes Fernwärmenetz mit 55°C und 25GWh/a wurde für die BTES Komponente als optimale Bohrlochtiefe von 550m ermittelt .

Bohrlochabstand bzw. Dichte der Sonden

Determinanten:

• Maximale thermische Leistung
• Thermische Leitfähigkeit des Untergrunds
• Thermische Widerstand im Bohrloch

Eine größere Zahl von Sonden bzw. Gesamtlänge der Sonden verringert die Temperaturdifferenz zwischen dem Erdspeicher und der eingespeicherten bzw. ausgespeicherten Temperatur.

Der Bohrlochabstand für BTES liegt zwischen 2-7 m meist 3-5m. In Crailsheim und Braestrup wurde jeweils 3m gewählt. Bei größeren Bohrtiefen muss der Abstand größer gewählt werden, um eine Beschädigung einer Sonde durch eine benachbarte Bohrung mit einer kleinen Winkelabweichung zu verhindern (diese kann bei der Rammtechnik bis zu 1m/10m Bohrtiefe betragen). In Braestrup wurde ein dreieckförmiges Bohrlochmuster gewählt, um die Dichte weiter zu steigern, während es in Crailsheim und Drake Landing quadratisch ist.

Die serielle Verschaltung der Erdwärmesonden

Angestrebt wird eine konzentrische Schichtung der Wärme, mit der höchsten Temperatur im Zentrum, um die Wärmeverluste am Rand zu minimieren und eine möglichst hohe Temperaturzufuhr für den Verdampfer der Wärmepumpen im Winter zu gewinnen.

Dazu ist eine serielle Verschaltung der Sonden im Sondenfeld von Peripherie zum Zentrum nötig. Meist wird eine maximale Zahl von 6 Sonden in Serie geschaltet, damit der gesamte Druckabfall auf 2 bar limitiert werden kann. Bei der Einspeicherung von Wärme im Sommer wird das Wasser ins Zentrum einleitet und das kühle Wasser von der Periphere ins Nahwärmenetz rückgeführt, wo es zur Kühlung von Wohnraum dient. Im Winter wird das kühle Wasser aus dem Nahewärmenetz umgekehrt in die Peripherie eingeleitet und das warme Wasser aus dem Zentrum als Grundlage für die Heizung verwendet.

In Crailsheim wurde in den obersten 5 m des Erdbodens eine intermittierender Wasserfluss festgestellt, weshalb hier mit einem höheren Durchmesser gebohrt und isoliert wurde, um konvektive Verluste zu minimieren.

Die Isolation nach oben

Reuss 2015

Während der Erdwärmesondenspeicher an den Seiten und nach unten nicht isoliert werden kann, besteht diese Option an der Oberfläche. Eine Isolation nach oben verbessert den Wirkungsgrad der Speicherung.

Der Wärmeverlust an der Oberfläche ist etwas höher als an den Seiten und nach unten:

• die mittlere Lufttemperatur (11-12°C in Wien im Jahresmittel) ist zwar gleich der Temperatur in 10m Tiefe im Mittel,
• bei größeren Bohrtiefen ist die mittlere Temperatur (3°C/100m) der Umgebung aber bereits natürlich etwas höher
• und wenn die mittlere Temperatur im Speicher höher ist als die unberührte Erdtemperatur, dann ergibt sich im Umfeld des Speicher an den Seiten und nach unten eine höhere Erdtemperatur, die den Wärmeverlust bremst, während die Oberfläche direkt der Witterung ausgesetzt ist. Dies ist bei Hochtemperatur-BTES bedeutsamer.

Technik: Die Isolation wurde in Crailsheim mit einer 50cm dicken Schaumglasschotter erzielt.

In Braedstrup, Dänemark wurde zur Dämmung nach oben eine 50cm dicken Schicht aus Muschelschalen eingesetzt.

Die Isolation nach oben wird nicht als unerlässlich eingeschätzt. Um die finanziellen (und ggf. ökologischen) Kosten einer Wärmedämmung an der Oberfläche einzusparen, besteht auch die Möglichkeit den Wärmeverlust an der Oberfläche des Speichers zu reduzieren, indem man das Verhältnis von Durchmesser zu Bohrtiefe bei gleichem Volumen vermindert. Dabei nimmt man aber ein etwas ungünstigeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Speichers in Kauf.

Der Wirkungsgrad der Energiespeicherung im Erdwärmesondenfeld

Wird in der Literatur mit 50-90% angegeben. Die Eignung der Geophysik für eine saisonale thermische Energiespeicherung in einem Erdwärmesondenfeld (engl. Borehole thermal energy storage BTS) hängt von folgenden Faktoren ab:

Erdwärmepotentialkataster

1. der Größe des Speichers (zu speichernde Energie und Volumen)
2. der Wärmekapazität des Untergrunds, die, wenn sie zu niedrig ist, das Volumen des Speichers vergrößert und damit weniger wirtschaftlich macht
3. der Wärmeleitfähigkeit, die wenn sie zu hoch ist, den Verlust der Wärme an der Oberfläche des thermischen Speichers begünstigt. Im Dörfl ist die Wärmeleitfähigkeit im Untergrund bis 100m Tiefe im Erdwärmepotentialkataster mit 2,05 +-0,2 W/m/K angegeben. Was eine mittlere bis gute Voraussetzung schafft.
4. Grundwasserströmen im Tiefenbereich von 15-70m, die zu Konvektionsverlusten der gespeicherten Wärme führt Die Verluste durch Wärmeleitung und Wärmeströmung in Grundwasseradern (Aquiferen)

Der Effekt der sommerlichen Überwärmung der Erde wirkt sich nur langsam auf die Temperatur im Erdwärmesondenfeld aus. Das untere Temperaturniveau bzw. Verdampfertemperatur und damit auch die Effektivität der Heizung im Winter mit Wärmepumpen steigt deshalb über die Jahre mindestens bis zum 5. Jahr nach Installation.

Umweltverträglichkeit

Hauptmaterial der Sonden: Polypropylen, Polyethylen die eine werkstoffliche, rohstoffliche und energetische Verwertung möglich machen

Wasser-Glykol-Gemisch: Recycling möglich

Das Temperaturniveau des Erdreichs bleibt im Abstand von ca. 20m außerhalb des Speichers langfristig nur 1-2°C erhöht. Hierbei kommt dem Dörfl seine isolierte Lage zugute. Die mittlere Temperatur im Boden unter größeren Städten wie Wien ist bereits von 11,6° auf 13,5°C gestiegen und damit in der selben Größenordnung wie langfristig bei einer einen Niedertemperatur-BTES mit einer mittleren Kerntemperatur von 20-25°C. Für eine wasserrechtliche Zulassung muss durch eine thermische und hydraulische Simulation auf der Basis detaillierter geophysischer Untersuchung der Wärmeverlauf im Umfeld für 30 Jahre im Voraus berechnet werden, um die Unschädlichkeit zu belegen.

Risiken beim Bohren im Untergrund: Bei tausenden Bohrungen sind wenige Schäden entstanden. Eine gute Kenntnis des Untergrunds und insbesondere von Grundwasserflüssen ist aber unbedingt erforderlich.

Offene Fragen

1. Borehole thermal energy storage (BTES) im Dörfl zur saisonalen Speicherung für Kühlen und Heizen
   • Konvektiven Verlusten durch Grundwasserflüsse in Tiefen <70m?
   • Bodenbeschaffenheit bis auf 50-60m, um Kosten für das Bohren abschätzen zu können?
2. Öffentliche Förderung durch für BTES, Nahwärmenetz, passives Kühlen und Solarthermie und erwartete Entwicklung derselben
3. Genehmigungen (falls die Wirtschaftlichkeit gegeben ist und die Finanzierung machbar erscheint):
   • Zustimmung des Pfarrgemeinderates für die Erdstellung des Erdwärmesondenfeldes und eines Nahwärmetechnikhäuschens im Pfarrgarten
   • Zustimmung des Stifts Klosterneuburg für die Erdstellung des Erdwärmesondenfeldes im Pfarrgarten
   • Zustimmung des Stifts Klosterneuburg für die Errichtung der Pumpstation (und evtl. von 1-2 Pufferspeichern) im Pfarrgarten
   • Genehmigung der Stadt für das Erdwärmesondenfeld (welche MA ist dafür zuständig?)
   • Genehmigung der Stadt für den Bau eines Nahwärmetechnikhäuschens (welche MA ist dafür zuständig?)
   • Genehmigung der Stadt für den Bau des Nahwärmenetztes (welche MA ist dafür zuständig?)

Referenzen

• Hierzu gibt es von der International Energy Association (IEA) eine detaillierte Dokumentation .
• Im Reviewartikel zu BTES von Skarphagen et al 2019 wird auf Designelemente zum Wärmetransfer fokussiert .
• Eine sehr guten Überblick über die Technik der BTES gibt Reuss (2015).
• Einen umfangreichen Überblick über die vor 2016 realisierten BTES Projekte und einen detaillierten Überblick über die Technik gibt Gehlin 2016 .
• Der Artikel von Kizilkan & Dincer 2016 fokussiert auf die Energieeffizienz, Exergie-Effizienz und die Bedeutung für den Wirkungsgrad von Wärmepumpen.
• Der Artikel von Welsch 2018 zeigt auf, wie man mittels ökologischer und ökonomischer Modellrechnungen eine optimale Komponentenmischung und technisches Design eines Gesamtsystems zur Fernwärme mit saisonaler Erdspeicherung und Solarthermie sowie einer Komponente Blockheizkraftwerk mit Erdgas auslegt
• Die technischen Spezifikationen der Versuchsanlage BTES mit Solarthermie in Crailsheim (60 Sonden 55m tief in 3 m Abstand in einem 30m Kreisdurchmesser) .
• Das zweite herausragende Modellprojekt war in Braedstrup, Dänemark mit 48 Sonden auf 45m Tiefe für 1481 Einwohner mit einem Wärmebedarf von 39,6 GWh/a .
• Das dritte große Modellprojekt von STC und BTES ist in Drake Landing, Canada
• Im Anergienetz Kriau werden seit 3 Jahren 2.350 Menschen auf 80.000 m² mit nachhaltiger Wärme und Kälte versorgt. 23.100 Laufmeter Erdwärmesonden dienen als Saisonspeicher und verteilen diese als kalte Nahwärme. Dabei werden jährlich circa 800 Tonnen (85%) CO₂ eingespart..
• Beispiel nachträglicher Einführung kalter Nahwärme mit Saisonspeicherung in Erdwärme im Wohnquartier Märkische Scholle. .
• Beim SMART Block Geblergasse werden 5 Gründerzeithäuser mittels Nahwärmenetz mit einem Temperaturbereich von 5-25°C, Erdwärmspeicher, Wärmepumpen und Solarthermie geheizt und gekühlt. .
• Am 9.3.2021 bekamen wir eine persönliche allgemeine Beratung zum Thema .