Erdwärmsonden und saisonale Speicherung

Der hohe Primärenergiebedarf im Dörfl hat auch mit dem hohen Anteil an Altbauten, die vielfach noch unsaniert sind, zu tun

Zudem ist die Wohnfläche pro Einwohner teils hoch

Wir wissen bisher aber nur von einigen Häusern den Gas- und Stromverbrauch.

Wir müssen vor größeren Investitionen erst einmal den Iststand beim Verbrauch im Dörfl kennen und uns beraten lassen welche Einsparungen durch Verbesserungen in den Häusern durch die Eigentümer wirtschaftlich sinnvoll und möglich sind.

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.

Im Gegensatz zur Gewinnung von erneuerbaren Produktion von Strom, kann die Wärmegewinnung nicht ausgelagert werden. Sie muss im Dörfl stattfinden.

Wie kann das funktionieren?

Wie für die Stadt Wien vorgeschlagen kann das nur durch eine Kombination von Maßnahmen erfolgen.

1. Mit einer thermischen Sanierung der Gebäude soweit ökonomisch vertretbar, um den Heizenergiebedarf zu senken.
2. Umstellung der Heizung.

Die Optionen zum klimaneutralen Heizen sind:

1. Bioenergie in Form von Pellets und Hackschnitzelheizung wird an Grenzen stoßen und sollte der Plan B sein.
2. Solarthermie-Kollektoren damit kann man auch im Winter 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.
3. 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 ohne Regeneration

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 im Sommer und Heizen im Winter vermittels saisonaler thermischer Speicherung im Erdwärmesondenfeld

Der Bedarf für Kühlung steigt und damit die Kosten

Schon heute verschlingt eine Klimaanlage mit 2,5 kW Leistung am Tag gerne 10 € für Stromkosten und das bezieht die Installationskosten noch gar nicht ein. Das Kühlen von Gebäuden wird bis 2040 für immer mehr Stunden pro Jahr nötig und der Stromverbrauch für Klimaanlagen würde auf das 3,4 fache bis 2040 steigen.

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 von der International Energy Association (IEA) eine detaillierte Dokumentation . Im Reviewartikel zu BTES von Skarphagen et al 2019 wird auf Designelemente zum Wärmetransfer fokussiert . Am 9.3.2021 bekamen wir eine persönliche allgemeine Beratung zum Thema .

Generell gibt es zwei Formen von BTES: solche mit hohen Temperaturen aus Prozesswärme und solche bei denen das normale Temperaturniveau im Untergrund erhalten bleibt, indem im Winter ebenso viel Wärme entnommen wird, wie im Sommer zugeführt wird. Für unser Klimadörfl kommt nur letzteres in Frage. Bei dieser Form der Speicherung wird das Temperaturniveau des Erdreichs im Abstand von 20m außerhalb des Speichers weder saisonal noch langfristig beeinflusst.

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: ein 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.

Was ist das optimale Verhältnis von Durchmesser zu Bohrtiefe?

• 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.
• Die ungestörte Temperatur des Bodens steigt für jede 100m Tiefe um ca. 3°C.
• Andererseits wird die Tiefe der Bohrungen bzw. Länge der Sonden durch etwaige Grundwasserströme begrenzt.

In einer Wirtschaftlichkeitsanalyse hat sich eine Bohrtiefe von 50m als wirtschaftlicher als 200m oder 20m erwiesen (siehe Abb.:). Andererseits wird auch eine langgestreckte Zylinderform mit Bohrtiefen von bis zu 200m wird vorgeschlagen.

Realisierte Beispiele

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]

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 3-7 m. 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, während es in Crailsheim und Drake Landing quadratisch ist.

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

Eine Isolation nach oben verbessert den Wirkungsgrad der Speicherung. 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.

In Drake Landing, Canada hat man (weniger nachhaltig) eine 40cm dicke Schicht von XPS verwendet.

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.

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.

Die Gesamtschau - Heizen und Kühlen im Dörfl mit Nahwärme und Speicherung im Erdsondenfeld

Praxisbeispiele

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

Die Suche nach dem optimalen Kompromiss von Wirtschaftlichkeit und Ökologie in der Kombination von Maßnahmen

Die Kombination von saisonaler Speicherung im Erdwärmesondenfeld (BTES) + Solarthermie-Kollektoren (STC) erweist sich als eine ökologisch besonders wirksame Methode. Der Gasbrenner (GB) als Wärmequelle ist ökologisch die schlechterste Lösung. Die Verwendung von Kraftwärmekopplung zur Stromproduktion (combined heat and power = CHP) ist nur in einer kleinen Quantität und nur in Kombination mit BTES und STC sinnvoll. Der ökologische Fußabdruck wurde dabei als CO2-Bilanz im Lebenszyklus (also Einschließlich der Produktion) auf der Horizontalachse (global warming potential = GWP) angegeben. Bei den Kosten werden Kreditkosten für die Investition und Unterhaltskosten berücksichtigt (levelized cost of heat = LCOH). In dieser Abbildung werden die Ergebnisse ohne staatliche Förderung angegeben:

Bei Einbeziehung der staatlichen Förderung wird die STC+BTES Kombination auch wirtschaftlich Gasbrennern überlegen:

Für einen definierten Heizenergiebedarf in einem Fernwärmeverbund gibt es optimale Kombinationen von der Fläche der Solarthermie-Kollektoren (STC) und der Tiefe der Bohrungen für die Erwärmesonden (BTES) sowohl für die Wirtschaftlichkeit (LCOH) als auch die Ökologie (GWP).

Eine Komponente Kraftwärmekopplung verbessert die Wirtschaftlichkeit

Wie die obige Analyse aufzeigt, würde eine kleine Komponente Kraftwärmekopplung die LCOH also die Wirtschaftlichkeit etwas verbessern. Der Beitrag sollte laut der obigen Modellierung ca. 14% des gesamten Heizenergiebedarfs betragen. Wenn diese bis 2030 mit Erdgas und danach mit Wasserstoff erfolgt, wäre der ökologische Nachteil gering und zeitlich begrenzt. Die damit verbundene Stromproduktion könnte den Stromverbrauch durch die Wärmepumpen decken helfen.

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.

• • Crailsheim: 60 Sonden 55m tief 3 m Abstand in 30m Kreis
  • Braedstrup: 48 Sonden 45m tief für 1481 Einwohner 39,6 GWh

Wärmegewinnung und Kühlung im Sommer durch künstliche Beregnung der Dachflächen

Dachflächenberegnung

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, aber PVT-Panels sind (noch) 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

Entwickler und Netzbetreiber

Um das Dorf organisatorisch zu entlasten, könnte man auf externe Entwickler und Netzbetreiber zurückgreifen. Beispiele:

• Beyond Carbon Energy
• Wien Energie
• EVN
• ENGIE

Förderungen

Es gibt bereits öffentliche Förderungen für Wärmepumpen.

Offene Fragen

1. Borehole thermal energy storage (BTES) im Dörfl zur saisonalen Speicherung für Kühlen und Heizen
   • Konduktive Verluste durch hohe Bodenfeuchtigkeit? Davon berichtet das Erwärmekataster nichts, aber es ist vielleicht zu ungenau.
   • Konvektiven Verlusten durch Grundwasserflüsse in Tiefen <70m?
   • Bodenbeschaffenheit bis auf 50-60m, um Kosten für das Bohren abschätzen zu können?
2. Erwartete Kostenentwicklung beim Erdgas
3. Öffentliche Förderung durch für BTES, Nahwärmenetz, passives Kühlen und Solarthermie und erwartete Entwicklung derselben
4. Gibt es bereits Modellrechnung zur Ökonomie der Kombination aus Heizen und Kühlen mit kalter Nahwärme und BTES?
5. 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?)