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.

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

Aktuell ist die tiefe Geothermie noch teurer und großen Projekten zur Wärmegewinnung für Fernwärme und Elektrizität vorbehalten. Bayerisches Landesamt für Umwelt 2016 "Erdwärme – die Energiequelle aus der Tiefe"

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

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 . 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. Am 9.3.2021 bekamen wir eine persönliche allgemeine Beratung zum Thema .

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.

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

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

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

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.

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 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.

In Drake Landing, Canada hat man (weniger nachhaltig) eine 20cm 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.

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.

Kosten der BTES:

Die Kosteneffizienz der saisonalen thermischen Speicherung in Erdwärmesondenfeldern hängt von der geophysikalischen Eignung und vom Speichervolumen ab. Sie wird angegeben als Levelized Cost of Heat (LCoH), die sich aus dem Kapitaleinsatz während der gesamten Lebensdauer (Investition, Betriebskosten und Wartung) / gelieferte bzw. eingesparte Energie mit der Einheit €/kWh errechnet.

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.

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?)