Erdwärmsonden und saisonale Speicherung

Wärme ist der wichtigste und aufwändigste Investitionsbereich auf dem Weg zur Klimaneutralität im Dörfl

Wärme als Niedertemperaturwärme plus als Fernwärme verursacht in Wien den größten Anteil an CO₂ Emissionen.

Warmwasserbereitung und Heizen (und Kühlen) von Wohnraum sind auch der größte Verbraucher von fossilem Brennstoff im Dörfl. Hier entstehen also die meisten CO₂ Emissionen.

Von allen Sektoren erfordert der Wärmebereich (Raumwärme und Warmwasser) die größten Investitionen innerhalb Wiens zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele.

Wie kann das funktionieren?

Wie für die Stadt Wien vorgeschlagen kann das nur durch eine Kombination von Maßnahmen erfolgen. Zum einen einer thermischen Sanierung der Gebäude soweit ökonomisch vertretbar, um den Heizenergiebedarf zu senken und zum Anderen in einer Umstellung der Heizung.

Die Optionen zum klimaneutralen Heizen sind Bioenergie, Solarthermie-Kollektoren und Erdwärme (Geothermie) in Kombination mit Wärmepumpen.

Bioenergie in Form von Pellets und Hackschnitzelheizung wird an Grenzen stoßen und sollte der Plan B sein.
Zwar kann man auch im Winter mit Solarthermie-Kollektoren Wärme erzeugen, aber der Großteil des Wärmebedarfs fällt im Winter an, wenn nur 25% vom Jahresertrag gewonnen werden können. Eine Überdimensionierung der Kollektoren für eine Deckung des Heizenergiebedarfs im Winter wäre unökonomisch und aufgrund der begrenzten geeigneten Dachflächen im Dörfl unmöglich.
Die Nutzung von Erdwärme mittels Wärmepumpen wird daher eine große Rolle spielen müssen.

Wir wollen hier aufzeigen, dass der effektivste Weg die Optionen 2 und 3 kombiniert. Dabei wird von überschüssige Wärme aus dem Sommerhalbjahr in einen saisonalen Wärmespeicher gepumpt und im Winter zum Heizen mittels Wärmepumpe verwendet.

Im Dörfl stehen keine großen Flächen für große thermale Wasserspeicher zur Verfügung, daher wird hier eine Speicherung in einem Erdwärmesondenfeld vorgeschlagen.

Das Dörfl braucht erneuerbares Heizen im Winter mittels Erdwärme

Die Preisentwicklung von fossilen Energieträgern wie Erdgas und der Druck aus ökologischen und politischen Gründen vom Erdgas unabhängig zu werden, begünstigen die unten dargestellten Maßnahmen zur Energiegewinnung und Speicherung. Schließlich wird das Heizen mit Erdgas 2040 verboten. Spätestens dann muss also eine Umstellung auf erneuerbare Energie erfolgen. Wenn wir die Investition in die Umstellung schon heute vorzunehmen sparen wir 18 Jahre Ausgaben für Erdgas ein.

Daher soll das Dörfl in Zukunft mit Erdwärme heizen.

Dies geschieht mittels:

Erdwärmesonden,
Wärmepumpe und
Flächenheizungen in möglichst gut thermisch sanierten Wohnhäusern.

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

Erdwärmesondenfeld

Für das Dörfl bräuchte man aber ein ganzes Erdwärmesondenfeld (z.B. unter dem Pfarrgarten), denn viele Häuser können mangels Garten keine Erdsonden installieren.

Hier wäre typisch

Abstand der Sonden beträgt für eine reine Extraktion von Wärme mindestens 7 m
Pro 5 kW Heizleistung (1500 Vollaststunden) 1 Sonde mit 70-100m
Ca. 2 Sonden pro Einfamilienhaus
An der Oberfläche ist das Sondenfeld unsichtbar

Dabei gibt es ein gravierendes Problem - die Auskühlung der Erde

Die Erde wird bei einzelnen Erdwärmesonden und stärker noch im Erdwärmesondenfeld durch den stetigen Wärmentzug über die Jahre ausgekühlt

Kühlen und Wärmegewinnen im Sommer und Heizen im Winter vermittels dem saisonalen thermischen Speicher

Kühlung im Sommer durch Verwendung der Heizflächen kombiniert mit Wärmegewinnung für den Winter

Durch die globale Erwärmung sinkt der Wärmebedarf im Winter durch Anhebung der Minimaltemperaturen und Verkürzung der Heizperiode. Gleichzeitig werden die Maximaltemperaturen steigen und die Zahl der Hitzetage steigen. Somit wird die Effektivität der saisonalen Speicherung von Wärme aus Kühlung im Sommer für die Heizung im Winter im Laufe der nächsten 25 Jahre verbessert.

Die Wärmepumpe nimmt das kühle Wasser aus dem Erdsondenfeld über das Nahwärmenetz auf.
Das kühle Wasser durchströmt die Heizflächen, nimmt die Wärmeenergie der Räume auf und kühlt sie so.
Die Wärme wird über das Nahwärmenetz in die Erdwärmesonden gepumpt und an das Erdreich abgegeben.
Die Raumtemperatur wird so im Sommer um 3° gesenkt
der subjektive Effekt ist noch stärker
und der Erdwärmespeicher wird für effizientes Heizen im Winter aufgewärmt
[die Kühlung im Sommer braucht 3,8 mal weniger Strom als eine Klimaanlage]

[Quelle]

Technik der Speicherung im Erdwärmesondenfeld

Hierzu gibt es eine ältere, aber sehr detaillierte Dokumentation: IEA SHC Task45B Report

Der Abstand der Bohrlöcher beträgt nur 2-5m und typisch 3 m.

Bohrtiefe

Um Verluste durch Wärmeleitung in das umliegende Erdreich zu minimieren, soll das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen möglichst klein gehalten werden und dies gelingt am Besten wenn der Durchmesser des Sondenfeldes der Bohrtiefe ähnelt.

Es hat sich erwiesen, dass eine Bohrtiefe von ca. 50m optimal ist (siehe Abb.:)

Die Tiefe der Bohrungen bzw. Länge der Sonden wird aber auch durch etwaige Grundwasserströme begrenzt.

Die serielle Verschaltung der Erdwärmesonden

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

Dazu ist eine serielle Verschaltung der Sonden im Feld von Peripherie zum Zentrum nötig. 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

Diese wurde in Crailsheim mit einer 50cm dicken Schaumglasschotter erzielt.

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

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 drei Faktoren ab:

Erdwärmepotentialkataster

der Wärmekapazität, die, wenn sie zu niedrig ist, das Volumen des Speichers vergrößert und damit weniger wirtschaftlich macht
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.
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.

Kosten der BTES:

Die Kosteneffizienz der saisonalen thermischen Speicherung in Erdwärmesondenfeldern hängt von der geophysikalischen Eignung und vom Speichervolumen ab.

IEA SHC Task45B Report

In der obigen Grafik lässt sich ablesen, dass mit Investitionskosten von 50€/m3 Wasseräquivalent zu rechnen ist. Da Wasser eine Wärmekapazität von 4,19kJ/kg/K hat, bedeutet das 12€/MJ*K. Bei einer Temperaturspreizung von 25°C wären das 0,5€ pro MJ gespeicherter Wärme, oder 1,8€/kWh. Bei einer Amortisationsdauer von 18 Jahren wären das ca. 10ct/kWh. Dies Preis ist zwar jetzt im Rahmen der Ukrainekrise konkurrenzfähig mit dem Gaspreis, wäre aber in den letzten Jahren deutlich teurer. Diese Rechnung vernachlässigt aber, dass

das Erdsondenfeld unabhängig von der Speicherung als Quelle von Wärmeenergie dient und
die Kühlung im Sommer, die im Laufe der Jahre immer mehr an Bedeutung gewinnt und sonst Investitionskosten für eine Klimaanlage und laufende Kosten für den Strom verursachen würde.

Die Kosten für die Erdbohrungen werden mit 50-100€/m abhängig von der Bodenbeschaffenheit und Auftragsvolumen angegeben. Es ist mit Kosten von ca. 350.000€ zu rechnen.

Einbindung der verschiedenen Systeme

Es ergibt sich eine komplexes System der Integration von solarthermischen Kollektoren, Wärmepumpen, Kurzzeitspeicher und saisonaler Speicherung im Erdsondenfeld:

Für die saisonale Erdspeicherung gibt es bereits Praxisbeispiele

Die Bohrtiefe wird durch Grundwasser begrenzt.
eine höhere Zahl von Sonden bedeutet eine bessere Relation von Volumen zu Oberfläche des Erdspeichers und steigert die Effizienz
Die Erde wird im Sommer z.B. auf bis zu 55°C erwärmt und im Winter bis auf bis zu 15°C mithilfe der Wärmepumpen entladen.
Praxisbeispiele
- Crailsheim: 60 Sonden 55m tief 3 m Abstand in 30m Kreis
- Braedstrup: 48 Sonden 45m tief für 1481 Einwohner 39,6 GWh

Literatur:

Seasonal Thermal Energy Storage - Critical Review

Beim erneuerbaren Energieprojekt Krieau werden im Viertel Zwei 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 an CO2 eingespart.

WOHNQUARTIER MÄRKISCHE SCHOLLE Beispiel nachträglicher Einführung kalter Nahwärme mit Saisonspeicherung in Erdwärme.

WÄRMENETZE, SIEDLUNG UND QUARTIERE Karl-Heinz Stawiarski, Bundesverband Wärmepumpe e.V.. Wärmetagung 2017.

Wärmegewinnung und Kühlung im Sommer durch künstliche Beregnung der Dachflächen

Geeignete Gebäude sind vor allem die denkmalgeschützten Gebäude

Wir haben im Dörfl 11 denkmalgeschützte Gebäude mit teils sehr großen Dachflächen. Der Denkmalschutz erlaubt i.d.R. keine PV-Panels oder Solarthermischen Kollektoren.

Tabelle: Potential denkmalgeschützte Gebäude im Dörfl nach dem Solarpotentialkataster
Adresse	Historie	Dachfläche sehr gut m2	Dachfläche gut m2	PV kWh/a	Solartherm kWh/a
Bloschg 1	Bürgerhaus mittelalt.	85	218	58290	254173
Bloschg 2	Pfarrhof	39	166	39469	172105
Bloschg 3	Bürgerhaus	0	134	23660	103169
Georgsplz 1	Mesnerhaus	6	103	20750	90478
Georgsplz 2	15.JH und 17. JH	12	92	20294	88492
Jungherrnsteig 2	ehem Volksschule	187	94	60691	264641
Wigand 41	Pfarrkirche	2	72	13606	59329
Zwillinggasse 1	Maria Theresia-Schlösschen	110	280	76035	331546
Wigand 25	ehem Feuerwache	0	87	15385	67088
Wigand 37	Ehem. Freihof Stifts KN	63	192	49921	217679
Wigand 39	Bürgerhaus ehem Schule	9	49	11007	47996
Summe	denkmalgeschützte G.	513	1487	389108	1696696

Damit wir einen Teil der Wärme auf den Dächern dieser Gebäude dennoch für einen Beitrag zur Klimaneutralität nutzen und gleichzeitig die Dachwohnungen vor der Sonnenhitze schützen können, haben wir ein innovatives, in dieser Form noch nicht veröffentlichtes Verfahren erdacht: wir wollen die sonnenbeschienen Dächer künstlich beregnen!

TECHNIK

Beispiel für Dachkühlung mit Regenwasser

In der hauseigenen Zisterne gesammelte Regenwasser wird auf das Dach gepumpt
Regenwasser ist kalkfrei und hinterlässt keine Flecken am Dach, die nicht nur unschön wären, sondern auch das Licht reflektieren würden
das Wasser wird über Tropfschläuche gezielt in die Dachziegelsenken geleitet oder bei Flachziegeln ca. alle 5cm ein Loch
dort kühlt es die Dachziegel und nimmt die Sonnenwärme auf
die Temperatur des Wassers in Regenrinne und Fallrohr wird über die Pumpleistung geregelt und optimal gehalten
so wird immer nur die im Tagesverlauf ausreichend sonnenbeschienenen Dachflächen künstlich beregnet
das gewärmte Wasser wird in den Fallrohren durch Fallrohrfilter abgezweigt und über Rohre zum Wärmetauscher geleitet
so wird die Wärme für das Haus zur Warmwasserbereitung zur Verfügung gestellt und dafür einem Puffer als Kurzzeitspeicher (vielleicht einem Schichtladespeicher) zugeführt
und im Sommer wird die meiste Wärme über das Nahwärmenetz abführt.
Nach dem Wärmetauscher fließt das Wasser zurück in die Zisterne.
Natürlicher Regen wird ebenfalls über die Rohre in die Zisterne geleitet, um Verluste durch Verdunstung auf dem Dach von bis zu 5 Litern pro Stunde auszugleichen. Der natürliche Regen wird aber über ein elektromagnetisches Ventil am Wärmetauscher vorbei in die Zisterne geleitet.

Dabei entstehen eine Reihe von Verlusten, die sich in Modellrechnungen abschätzen lassen:

33% Reflexion (Albedo von roten Dachziegeln)
68% Abstrahlungsverlust nach oben
18% Verdunstung bei 35°C mittlerer Temperatur des Wassers auf dem Dach (Temperatur dürfte von 25°C am First auf 40°C in der Dachrinne steigen)

Weitere Einschränkungen

ca. 15% Verlust entstehen im Wärmetauscher
und 10-50% Speicherverluste
im Winter ist die Methode weniger nützlich, denn eine Dachberegnung mit Regenwasser kann z.B. bei Frost oder Frostgefahr nicht erfolgen und die konvektiven Verluste durch Wind bei winterlichen Temperaturen senken die erzielbaren Temperaturen des Wassers und den Wärmeertrag.

Beispiel:

Bei 110m2 südgerichtetem Dachanteil
müssen im Sommer mittags 0,6 Liter/s Wasser auf das Dach gepumpt werden und
die Zisterne muss mindestens 500 Liter fassen
Die Tauchpumpe muss einen Druck leisten der von der Firsthöhe abhängt (>1bar/10m). Der Durchfluss hängt von der Dachfläche ab. Bei einem 10m hohen Dach und einem Wirkungsgrad von 0,8 wären das 0,6kg*9,81m/s2 *10m / 0,8 = 73 W peak. Kein Problem zum Zeitpunkt maximaler Solarstromproduktion bzw. in Zukunft Überproduktion.
es werden 25kW-peak thermisch produziert

Kostenschätzung:

Tropfschläuche mit Montage <500€
2 Fallrohrfilter 100€
Rohrleitungen mit Verlegen 500€
elektromechanisches Ventil 100€
2 Wärmetauscher in Serie 10-15 kW 1000€
2 Tauchpumpen 100€
Sensoren und Regelelektronik 250€
Summe 2500€

Wirtschaftlichkeit

Der Jahresertrag an Wärme wird vermutlich durch Verluste bei den Wärmetauschern, bei der saisonalen Speicherung und durch Downzeiten (z.B. Frost) im Winter in unserem Beispiel auf ca. 12,5 MWh/a reduziert. Auf einen Amortisationszeitraum von 18 Jahren (bis 2040) ergeben sich ohne zeitliche Diskontierung Kosten von 11 €/MWh thermal.

Links zur Dachkühlung:

Ganzjährige Wärmegewinnung mit Solarthermie Kollektoren oder PVT Hybriden mit Photovoltaik

Um das Erdwärmesondenfeld langfristig als kosteneffektive und ökologische Wärmequelle nutzen zu können, muss mehr Wärmeenergie im Sommer in das Erdwärmesondenfeld eingespeist werden, als im Winter entnommen wird. Aufgrund der Verluste durch die Speicherung ist es zudem ökonomisch, die Warmwasserproduktion und Teile der Heizwärmeproduktion auch im Winter durch Solarthermie zu produzieren. Das kann von der Wärmegewinnung durch künstliche Beregnung der denkmalgeschützten Dächer nicht geleistet werden.

Es wird daher nötig sein, dass zumindest ein Teil der Dachfläche der hierfür geeigneten Dachflächen der nicht denkmalgeschützten Gebäude mit Solarthermie-Kollektoren ausgestattet werden.

Die Verwendung von PVT-Panels nutzt die begrenzte Dachfläche im Dörfl optimal. PVT-Panels sind jedoch teurer als PV-Panels oder solartherme Kollektoren. Sie erlauben die Wärmegewinnung für Warmwasser und einen Teil der Heizenergie auch im Winter. Die restliche Wärmeenergie muss über das Nahwärmenetz auf dem Erdwärmsondenfeld entnommen werden und mittels Wärmepumpen auf das Temperaturniveau der Vorlauftemperatur gehoben werden. Dabei kann auch im Winter zum Teil der in der PV-Anlage gewonnene Sonnenstrom herangezogen werden.

Potential geeigneter Dachflächen ohne Denkmalschutz im Dörfl

Tabelle: Potential im Solarpotentialkataster für nicht denkmalgeschützte Gebäude im Dörfl
Adresse	Dachfläche sehr gut m2	Dachfläche gut m2	PV kWh/a	Solartherm kWh/a
Bloschg 5	9	124	24246	105724
Bloschg 7	21	175	37036	161492
Bloschg 9	60	189	48283	210538
Bloschg 11	35	91	24765	107987
Bloschg 13	14	114	24047	104855
Geigerin 2	0	146	26965	117580
Geigerin 4	7	121	23897	104202
Geigerin 6/1	0	20	3405	14847
Geigerin 6/2	0	28	5029	21929
Georgsplz 3	20	97	22313	97295
Georgsplz 4	13	158	31655	138030
Heiligenstädterstr 331/1	2	44	8647	37703
Heiligenstädterstr 331/2	16	87	20361	88782
Heiligenstädterstr 331/3-4	3	136	26411	115163
Heiligenstädterstr 333	0	46	8431	36761
Heiligenstädterstr 335	0	34	5757	25105
Heiligenstädterstr 337	0	16	2713	11831
Heiligenstädterstr 351	39	104	28113	122585
Heiligenstädterstr 357	0	150	28658	124962
Heiligenstädterstr 359	18	39	10875	47421
Kuchelauer Hafenstraße 2	16	502	97844	426644
Waldbachsteig 1	0	27	4440	19361
Wigand 11	0	40	6880	30001
Wigand 22	0	104	17784	77546
Wigand 23	0	32	5346	23310
Wigand 27	0	148	27064	118012
Wigand 5	0	345	62316	271727
Wigand 7	0	41	7559	32962
Wigand 9	21	129	29379	128108
Summe	294	3287	670219	2922463

Literatur zu PVT:

Photovoltaik-Solarthermie Hybrid (PVT) eine Einführung auf Englisch

es gibt bereits gute kommerzielle PVT Panels

Datei:EUWID CO² neutrale Quartierloesung mit PV-ISIETherm.pdf

Offene Fragen

Borehole thermal energy storage (BTES) im Dörfl zur saisonalen Speicherung für Kühlen und Heizen

- Probleme mit konduktiven Verlusten: hohe Bodenfeuchtigkeit in der Nähe der Donau und damit hohe thermaler Konduktivität? Davon berichtet das Erwärmekataster nichts, aber es ist vielleicht zu ungenau.
- Probleme mit konvektiven Verlusten: Grundwasserflüsse in Tiefen <70m
- Bodenbeschaffenheit bis auf 50-60m um Kosten für das Bohren abschätzen zu können.

Erwartete Kostenentwicklung beim Erdgas
Öffentliche Förderung durch für BTES, Nahwärmenetz, passives Kühlen und Solarthermie und erwartete Entwicklung derselben
Gibt es bereits Modellrechnung zur Ökonomie der Kombination aus Heizen und Kühlen mit kalter Nahwärme und BTES?
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?)