Geothermie - Erdwärme und Erdkühle als Nach-haltigkeitsbausteine mit vielversprechender Zu- kunft
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Geothermie – Erdwärme
und Erdkühle als Nach-
haltigkeitsbausteine mit
vielversprechender Zu-
kunft
Symposium "Erfolgreiche
Innovationen im Bauwesen –
Baubeteiligte auf neuen Wegen"
am 10. März 2005 in der
Congresshalle Saarbrücken
Dr. Werner Backes, WPW INGENIEURE GmbH
Köln • Leipzig • München • Saarbrücken
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Inhalt
• Kurzvorstellung Referent
• Geothermie – Einführung, Abgrenzung und Potentiale
• Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie
• Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie
• Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungsverfahren
• Spezialanwendungen
• Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche Realisierung
• Zusammenfassung und Ausblick
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Vorstellung Referent
• 1980 – 1987 : Studium des Bauingenieurwesens an
der Universität Kaiserslautern
• 1988 – 1991 : Promotionsstipendiat des Bundes-
landes Rheinland-Pfalz
• seit 1991 : Tragwerksplaner bei WPW
• seit 1995 : Geschäftsführender Gesellschafter Dr. Werner Backes
• Umfangreiche praktische Erfahrungen in unterschied- Geschäftsführender
Gesellschafter der
lichsten Projekten WPW INGENIEURE GmbH
• Zahlreiche Veröffentlichungen zu vielfältigen Themen
• seit Herbst 2004 Leiter des VBI-Arbeitskreises "Geothermie"
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Geothermie – Einführung, Abgrenzung und Potentiale (1)
• "Geothermische Energie ist die die in Form von
Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Ober-
fläche der festen Erde (Synonym: Erdwärme)"
(VDI 4640 Blatt 1)
• Richtlinie VDI 4640 ("Thermische Nutzung des
Untergrundes" ) bezieht sicht auf die thermische
Nutzung des Untergrundes bis etwa 400 m Tiefe
(=: "oberflächennahe Geothermie")
- Blatt 1 (12/2000) : Grundlagen, Genehmigungen,
Umweltaspekte
- Blatt 2 (09/2001) : Erdgekoppelte Wärmepumpen-
anlagen
- Blatt 3 (06/2001) : Unterirdische Thermische Ener-
giespeicher
- Blatt 4 (09/2004) : Direkte Nutzungen
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Geothermie – Einführung, Abgrenzung und Potentiale (2)
• Geothermie hat weltweit viel größere Bedeutung, tritt aber auch in
Deutschland seit einigen Jahren aus ihrem bisherigen Schattendasein
heraus. Mittlerweile vielfältige Aktivitäten in zahlreichen Bundesländern,
z. B. auch in NRW:
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Geothermie – Einführung, Abgrenzung und Potentiale (3)
• NRW-Wirtschafts-Staatssekretär Jörg Hennerkes anlässlich der
Gründung der "Branchen- und Technologie-Initiative Geothermie" am
17.2.2000:
• "Erdwärme muss beim Ausbau der Nutzung regenerativer Energien in
Nordrhein-Westfalen viel stärker als bisher eingesetzt werden. Sie ist
unbegrenzt verfügbar und klimaneutral, entlastet also die Umwelt und
schont Ressourcen. Sie steht im Prinzip überall und zu jeder Zeit zur
Verfügung, unabhängig vom Wetter oder der Jahreszeit. Sie ist für die
Wärmeversorgung eine vernünftige Alternative zu den herkömmlichen
Heizsystemen. Und in Nordrhein-Westfalen kann die Nutzung der Erd-
wärme einen hohen Arbeitsplatzeffekt bewirken. Unser Know-how in
den Bereichen Bergbau, Bohrtechnik, Wärmeverteilung und Kraft-
werksbau kann effizient genutzt werden."
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Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Grund-
gedanken
Erdwärme Erdkühle
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Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Kreis-
läufe
• Untergrundwärme wird über ge-
schlossenen Wärmequellenkreis
lauf der kalten (Verdampfer-)
Seite einer Wärmepumpe (WP)
zugeführt
• Wasser mit Zusatz von umwelt-
verträglichem Frostschutzmittel
als Wärmeträger
• WP bringt Wärme auf das vom
Heizkreislauf benötigte Tempe-
raturniveau
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Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Wärme-
quellen (1)
Erdwärmekollektoren:
• Wärmetauscherrohre aus
Kunststoff horizontal in einer
Tiefe von etwa 1,2 – 1,5 m
• wirtschaftliche Lösung, erfordert
jedoch größeren Flächenbedarf
• zum Kühlen nur sehr einge-
schränkt geeignet, jahreszeit-
liche Einflüsse
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Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Wärme-
quellen (2)
Erdwärmesonden:
• Wärmetauscherrohre aus Kunst-
stoff vertikal bis in Tiefen von
mehreren hundert Metern, in
Deutschland i. d. R. 30 – 100 m
• weit verbreitet (zentrale Bedeu-
tung), jedoch höhere Invest-
kosten durch Bohrungen
• wirtschaftlicher Betrieb, da weit-
gehend konstante Temperatur-
bedingungen
• auch sehr gut zum Kühlen ge-
eignet
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Seite 1 Seite 10Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Wärme-
quellen (3)
Grundwasserwärmepumpen:
• i. d. R. System aus Förder- und
Schluckbrunnen
• sehr wirtschaftliche Lösung,
setzt jedoch geeignetes ober-
flächennahes Grundwasser-
vorkommen voraus
• Hydrogeologie (Brunnenlei-
stung) und Grundwasserbe-
schaffenheit sollten generell
vorab überprüft werden
• wasserrechtliche Erlaubnis er-
forderlich, Betrieb kann proble-
matisch sein (Verockerung)
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Seite 1 Seite 11Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Wärme-
quellen (4)
Erdberührte Betonbauteile
Schlitzwand Bodenplatte
Energiepfähle
Pfahl Pfahl - Bewehrungskorb
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Seite 1 Seite 12Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Geo-
logie (1)
• Geologischer Aufbau und Untergrundverhältnisse an einem Standort
sind wesentliche Parameter für die thermische Nutzung des Untergrundes
• Umfang einer geologischen Bewertung soll jedoch dem Vorhaben ange-
passt sein und so wirtschaftlich wie möglich durchgeführt werden
• Kleinere Anlagen bis zu 30 kW Heiz-
leistung werden meist auf Basis von
Annahmen, Schätzungen und Er-
fahrungen geplant
• Unter eingeschränkten Voraussetzun-
gen können auch spezifische Wärme-
entzugsleistungen aus der VDI 4640
entnommen werden
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Seite 1 Seite 13Grundlagen zur oberflächennahen Geothermie – Geo-
logie (2)
• Informationen zu den Untergrundverhältnissen können geologischen oder
hydrogeologischen Karten, aber auch benachbarten Bohrungen/Auf-
schlüssen entnommen werden
• Für größere Anlagen (meist auch
Kühlen und Speichern) sind weiter-
gehende (hydro)geologische Erkun-
dungen und ggfs. auch computer-
gestützte Simulationen erforderlich
• In solchen Fällen ist auch ein Thermal
Response Test sehr zu empfehlen
(Ermittlung der thermischen Eigen-
schaften vor Ort)
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Seite 1 Seite 14Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (1)
• Einfamilienhaus mit erdgekoppelter Wärme-
pumpe (Solarthermie der Einfachheit halber
nicht berücksichtigt)
• 150 m² Wohnfläche, 7 kW max. Heiz-
leistung, 11.200 kWh/a Wärmebedarf,
Fußbodenheizung
• Wärmepumpe (WP) mit
einer Jahresarbeitszahl
von 4 (Prinzip der WP)
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Seite 1 Seite 15Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (2)
• Kostenvergleich verschiedener Heizungssysteme aus dem Jahr 2002
für das zuvor beschriebene EFH (Quelle: BINE, Informationsdienst des
Fachinformationszentrums Karlsruhe)
• (Dynamische) Wirtschaftlichkeitsberechnung in Anlehnung an VDI 2067
("Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen") nach der Annuitäten-
methode unter Berücksichtigung unterschiedlicher Lebensdauern und
Ansatz eines Zinssatzes von 6 %
• Angesetzte Energiepreise (2002):
- Strom (WP-Tarif) : 0,094 €/kWh
- Gas : 0,051 €/kWh
- Öl : 0,430 €/l
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Seite 1 Seite 16Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (3)
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Seite 1 Seite 17Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (4)
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Seite 1 Seite 18Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (5)
• Neubau der 2002 fertiggestellten
Hauptverwaltung der Deutschen
Flugsicherung (DFS) in Langen
(230.000 m³ BRI, 57.800 m² BGF)
• Einbindung eines Erdwärmesonden-
Speicherfeldes (154 Doppel-U-Son-
den von je 70 m Tiefe) in die Kälte-/
Wärmeversorgung (340 kW Kühl-
leistung, 330 kW Heizleistung)
• Grundlastabdeckung: Beheizung über Bauteilheizung (Bodenheizregister, in
Betondecke eingelegt); Kühlung der Betondecken durch kaltes Wasser, das
im Sommer direkt aus der Erdwärmesondenanlage kommt
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Seite 1 Seite 19Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (6)
• Abdeckung von Kältespitzenleistungen konventionell über Kälte-
aggregate und von Wärmespitzenleistungen durch Fernwärme
Heiz- und Kühlbedarf (nach Gebäudesimulation) Kostenbetrachtung
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Seite 1 Seite 20Anwendungsmöglichkeiten, Ökonomie und Ökologie (7)
Umweltvorteile
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Seite 1 Seite 21Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (1)
Bohrarbeiten für eine Erdwärmesonde (EWS)
an einem Einfamilienhaus
Einbau einer EWS in eine abge-
teufte Bohrung
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Seite 1 Seite 22Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (2)
Einfädelung des Sondenfußes in das Bohrloch Verpresste Sonde
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Seite 1 Seite 23Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (3)
• Know-how der ausführenden Bohrfirma ist ein wesentlicher Schlüssel zur
Erstellung von gut funktionierenden Erdwärmesonden (EWS)-Anlagen; aus
Verbraucherschutzsicht sind definierte Qualitätsstandards wünschenswert
• Derzeit wird in Deutschland ein Gütesiegel für
EWS-Bohrfirmen entwickelt (existiert in der
Schweiz schon seit Herbst 2001 und hat sich
dort bewährt). Damit soll ein hohes Qualitäts-
niveau bei der Erstellung und Nutzung von
EWS-Anlagen erreicht und auch für die Zu-
kunft gewährleistet werden
Schweiz ⇒
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Seite 1 Seite 24Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (4)
• Bohrfirmen, welche Träger des Gütesiegels sind, garantieren
- einen hohen Kundenutzen und optimale Beratung der Bauherrn
- eine umweltschonende Erstellung der Anlage
- dass die Bohrungen nach dem neuesten Stand der Technik abgeteuft
werden
- den Einsatz von technisch hochwertigem Sondenmaterial, die qualifi-
zierte Verfüllung der Bohrung sowie eine fachgerechte Druckprüfung
- ein größtmögliche Sicherheit auf der Baustelle (Intervention im Störfall)
- den Einsatz von fachkundigem und geschultem Personal
- die Einhaltung von Genehmigungsauflagen sowie eine vollständige
Dokumentation der einzelnen Arbeitsschritte
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Seite 1 Seite 25Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (5)
• Im Zusammenhang mit dem Genehmigungsverfahren relevante Rechts-
bereiche:
- Wasserrecht (grundsätzlich)
- Bergrecht (in besonderen Fällen)
Bergrecht
• Erdwärme gilt nach BBergG als "bergfreier Bodenschatz". Dies bedeu-
tet zunächst, dass sich das Eigentum an einem Grundstück nicht auf die
Erdwärme erstreckt → Erlaubnis/Bewilligung für Aufsuchung/Gewinnung
der Erdwärme erforderlich
• Wenn jedoch die Erdwärme "in einem Grundstück ... im Zusammenhang
mit dessen baulicher ... Nutzung ... freigesetzt wird", liegt keine Ge-
winnung im bergrechtlichen Sinne vor
→ keine bergrechtliche Bewilligung erforderlich
(i. d. R. zutreffend bei Ein-/Zweifamilienhäusern / Heizleistungen ≤
30 kW / 5 m Mindestabstand der Bohrungen zur Grundstücksgrenze)
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Seite 1 Seite 26Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (6)
• Unabhängig davon sind Bohrungen von mehr als 100 m Tiefe der Berg-
behörde anzuzeigen. Aufgrund dieser Bohranzeige entscheidet die Berg-
behörde, ob ein Betriebsplan nach § 51 ff. BBergG erforderlich ist (i. d. R.
bei EWS-Anlagen nicht der Fall)
Wasserrecht
• EWS-Anlagen können bei unsachgemäßer Ausführung zu einer nach-
teiligen Veränderung der Grundwasserbeschaffenheit führen
→ erlaubnispflichtiger Benutzungstatbestand nach § 3 WHG kann er-
füllt sein
• Vollzugskompetenz für das WHG (Rahmenvorschrift) liegt bei den Bun-
desländern (Landeswassergesetze)
→ große Unterschiede in der praktischen Umsetzung, teilweise selbst
in einem Bundesland keine einheitliche Regelung
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Seite 1 Seite 27Bauausführung, Qualitätssicherung und Genehmigungs-
verfahren (7)
• Einige Bundesländer (z. B. NRW, Hessen, Bayern) versuchen, mit Leit-
fäden/Merkblättern die Genehmigungspraxis landesweit zu vereinheitlichen,
Genehmigungshemmnisse abzubauen und so die Geothermie als Beitrag
zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu fördern
• Einige genehmigungsrelevante Themen:
- Lage eines Standortes zu Wasserschutzgebieten/Wassergewinnungs-
anlagen
- Hydrogeologie
- Betriebsmittel (Wärmeträgermedium) der EWS-Anlage
- Qualifikation der Projektbeteiligten, insbesondere der Bohrunterneh-
men (Technische Anforderungen) an Bauausführung und Betrieb
• ⇒ rechtzeitige Kontaktaufnahme mit zuständigen Behörden sehr zu
empfehlen
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Seite 1 Seite 28Spezialanwendungen - Siedlungen
Dortmund Rittershof (90 WE) Kostenvergleich (1999)
(EWP-Einzelversorgung) (nach Abzug REN-Förderung NRW)
Seite 29
Seite 1 Seite 29Spezialanwendungen - Verkehrssicherheit
Geothermie sorgt für Verkehrssicherheit. Für schnee- und eis-
EWS-Speicher zur freie Straßen und Brücken.
Brückenheizung (Schema); (Studie aus NRW – läuft derzeit)
Wärmequelle ist die im Sommer
auf die Fahrbahn treffende
Solarstrahlung
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Seite 1 Seite 30Spezialanwendungen - Grubenwärme
Intensive Beschäftigung mit der
Thematik in NRW und Sachsen
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Seite 1 Seite 31Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche
Realisierung (1)
• Frühzeitige und klare Projektorganisation und -strukturierung
Kommunikationsmodell
der Energieagentur
NRW (aus Leitfaden
"Wärmepumpe-System-
lösung aus einer Hand")
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Seite 1 Seite 32Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche
Realisierung (2)
• Frühzeitige Integration in gewerke-
übergreifendes Energiekonzept mit
klaren Zielvorgaben
(Nebenstehende Broschüre steht als pdf-
Dokument bereit unter
www.wpw.de
→ Leistungen
→ Fach- und Tätigkeitsbereiche
→ Nachhaltiges Bauen)
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Seite 1 Seite 33Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche
Realisierung (3)
• Professionelles Projektmanagement • Frühzeitige und ganzheitliche
und integrale Planung Kostenbetrachtung
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Seite 1 Seite 34Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche
Realisierung (4)
• Thema als Baustein einer qualifizierten
Nachhaltigkeitsstrategie begreifen
(Nebenstehende Broschüre als pdf-
Dokument über www.wpw.de wie vor oder
in Papier draußen ausgelegt)
• Einsatz moderner IT-Technologie
(z. B. internetgestützte Projektab-
wicklung)
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Seite 1 Seite 35Zusammenfassung und Ausblick
• Geothermie als eine der verlässlichen erneuerbaren Energien besitzt ein
enormes Potential, das in Deutschland bisher kaum genutzt wird
• Mittlerweile ist das Know-how zur Erschließung dieses Potentials vor-
handen, in vielen Fällen sind auch schon wirtschaftliche Lösungen möglich.
Zudem sind die technischen Entwicklungsmöglichkeiten noch nicht ausge-
reizt.
• Es gilt nun, die maßgeblichen Entscheider im Bauprozess (u. a. Bauherrn,
Investoren, Anwender) darüber zu informieren und möglichst dafür zu ge-
winnen
• Letztendlich geht es um die Lösung einer anspruchsvollen und innovativen
Ingenieuraufgabe. Grundlegende Voraussetzungen für eine erfolgreiche
praktische Umsetzung ist eine frühzeitige, kooperative und interdisziplinäre
Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten
Seite 36
Seite 1 Seite 36Wir danken Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit !
Für Rückfragen stehen wir Ihnen jederzeit gerne
zur Verfügung: www.wpw.de
Seite 37
Seite 1 Seite 37Sie können auch lesen
