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Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
VL Geothermie
Gekoppelte Solar-Geothermik-Niedertemperatur-Nutzung
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Gliederung
• Einführung in die Solarthermie
• Grundlagen der geothermischen Energienutzung
• Geo-Solarthermie
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Einführung in die SolarthermieEinführung in die Solarthermie
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Solarthermische KombianlageAnlagenschaubild
Kombianlage: Solarthermische Anlage zur- Trinkwarmwasserbereitung- solaren Raumheizungsunterstützung
Kollektor
Warm-wasser
Kalt-wasser
Nachheizung
Heiz-kessel
Raumheizung
Speicher
Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Solarthermische KombianlageDimensionierung Ein- / Zweifamilienhaus
Wärmebedarf• allgemein• konkret
nahezu antizyklisch (zur Solareinstrahlung)
30 … 100 kWh/m²Wohnfläche * a
Speicher 60 ... 80 Liter pro m²col
Kollektor 10 … 15 m²col
Solarertrag 250 ... 350 kWh/m²col * a
Solare Deckungsrate 20 … 25 %f so l
Q col
Q col Q aux
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Solarthermische KombianlageBetriebszeiten & Erträge
SolaresWärmeangebotWärmebedarf
Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Solarthermische KombianlageBetriebszeiten & Erträge
Wärmebedarf
SolaresWärmeangebot(bei doppelter Kollektorfläche)
Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Solarthermische KombianlageBetriebszeiten & Erträge
Ungenutzter solarerÜberschuss
NotwendigeNachheizung
NotwendigeNachheizung
Solar gedeckter Bedarf
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Grundlagen der Grundlagen der
geothermische Energienutzunggeothermische Energienutzung
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Oberflächennahe GeothermieFunktionsprinzip Wärmepumpe
ZugeführteWärme(+ 7 K)
AbgeführteWärme(- 30 K)
Verdampfer
Verdichter
Verflüssiger
Expansionsventil
Antriebsenergie
+ 25 °C17 bar
+ 2 °C4,5 bar
- 5 °C4,5 bar
+ 55 °C17 bar
Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Oberflächennahe GeothermieLeistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe
• Leistungszahl (COP: Coefficient of Performance)
• Jahresarbeitszahl (SPF: Seasonal Performance Factor)
C O P m ax
T wa rm
T wa rm T kalt
C O P rea l C O P m ax W P
Momentanwert für Effizienz
Jahreswert für Effizienz
COP abhängig von T zwischen• Wärmequelle (Erdsonde / -kollektor) &• Wärmenutzungsanlage (Niedertemp.-heizung)
COPreal berücksichtigt• thermische, mechanische & elektrische Verluste• Energiebedarf der Hilfsantriebe
C O Pabgegebene W ä rme le is tung
aufgenommene A ntrie bs le is tung
QV erflüssiger
kWthe rm .
W V erd ichte r kW e lektr.
S F P abgegebene W ärmeenergieaufgenommene A ntriebsenergie
QV e rfl ü s s ig e r
kW hth e rm .
WV e rd ic h te r
kW he le ktr.
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Oberflächennahe GeothermieLeistungszahl & Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe
• Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
LeistungszahlCOP
Temperaturdifferenz T
0 10 20 30 40 50 60 70 80
12
10
8
6
4
2
T = 25 K COP = 6,0
T = 40 K COP = 4,0
In der Praxis bewirkt die Verringerung von T um je 1 K eine Stromersparnis bis zu 2,5 %!
Je geringer T, desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe!
StMUGV [2005]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Oberflächennahe GeothermieErdreichtemperaturen
-5
0
5
10
15
20
Jan Feb Mrz Apr Mai Juni AugJuli Sep Okt Nov DezMonat
Tem
per
atu
r (i
n °
C)
BINE Informationsdienst [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieGeo-Solarthermie
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieAnlagenkonzept (Beispiel-Projekt)
5 5
6
7
88
9
1. Kollektorfeld• 44 m²
2. Solarregler
3. Solarstation
4. Kombispeicher• 400 l
5. Hydraulikbaugruppen
6. Sole/Wasser-Wärmepumpe (mit Pufferspeicher)
7. Heizflächen• 300 m²
8. Wärmebedarf (TWW, Heizung)• 35.750 kWh
9. Erdsonden• 14 Geosticks à 17,5 m
Schüco [2008]GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieHeizenergieverlauf (Beispiel-Projekt)
0
1000
2000
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4000
5000
6000
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Hei
zen
erg
ie (
kWh
)
Monat GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieEnergieflüsse
Kollektor
Erdsonde
Kombispeicher
Wärmepumpe
1
2
34
1. Direkte Nutzung der Solarenergie bei ausreichenden Temperaturen im Kombispeicher zur TW-Erwärmung & Heizungsunterstützung
2. Unterstützung der Wärmepumpe durch Anhebung des Temperaturniveaus im Solekreis
3. Regeneration des Erdreiches bei Wärmepumpenstillstand & Solarüberschuss
4. Nutzung der im Erdreich zwischengespeicherten Solarwärme beim nächsten Wärmepumpenstart
Schüco [2008]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage
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0
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Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Sole-Temp (Maximaler Entzug)
Basistemperatur
Monat
Tem
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atu
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C)
GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
-8
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0
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28
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Simulierter Jahresverlauf der Sole-Mitteltemperatur & Basistemperatur nach 25 Jahren Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage
Monat
Tem
per
atu
r (i
n °
C)
GEFGA [2006]
Sole-Temp (Maximaler Entzug)
Basistemperatur
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Basistemperatur-Differenz zwischen der Geo-Solarthermie-Anlage und der konventionellen Geothermie-Anlage
0
2
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10
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Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monat
Tem
per
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rdif
fere
nz
(in
K)
Quelltemperaturerhöhung von 6 K im Jahresdurchschnitt!
GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der konventionellen Geothermie-Anlage
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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Maximale Temperatur
Minimale Temperatur
Tem
per
atu
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C)
Jahr
GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit der Geo-Solarthermie-Anlage
-4
-2
0
2
4
6
8
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14
16
18
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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Maximale Temperatur
Minimale Temperatur
Tem
per
atu
r (i
n °
C)
Jahr
GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Geo-SolarthermieVergleich mit konventioneller Geothermie-Anlage
• Basistemperatur-Verlauf über 25 Jahre Betriebszeit (Vergleich der beiden Anlagen)
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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Geo-Solarthermie
Geothermie
Max
Max
Min
Min
Tem
per
atu
r (i
n °
C)
Jahr
Gestiegene & konstantere Quelltemperaturen!
GEFGA [2006]
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
• Prinzip
– Sommer:• Heizenergie wird g. T. von Solarthermie-Anlage bereitgestellt• Überschüssige Solarwärme wird im Erdreich gespeichert
– Im Winter:• Heizenergie wird g. T. von Wärmepumpe bereitgestellt
• Vorteile
– Temperaturniveau im Erdreich steigt an Energiesenke (Heizfall) wird mit Einlagerung von Solarenergie wieder gefüllt
– COP & SPF (die vom zu leistenden Temperaturhub abhängen) steigen an Wärmepumpe verbraucht weniger Strom
– Jährliche Betriebszeit der Wärmepumpe wird gegenüber einem konventionellen System verringert
Längere Lebensdauer der Wärmepumpe (weniger Kompressorstarts & Betriebsstunden)
Geo-SolarthermieZusammenfassung
30 % Energieeinsparung (gegenüber konventioneller Geothermie-Anlage)
Mehrkosten amortisieren sich in der gleichen Zeit wie konventionelle Geothermie-Anlage gegenüber Öl- oder Gas-Heizungssystem
ENDEENDE
Kolloquium-Beitrag von Oliver Kley VL Geothermie07.08.2008
Literaturverzeichnis
Institut für Solar- & Anlagentechnik, Uni Kassel [2007]Skript zur Vorlesung „Solartechnik“
Institut für angewandte Physik, Uni Frankfurt am Main [2007]Skrip zur Vorlesung „Physik der Energieerzeugung“
Bayrisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV) [2005]
Oberflächennahe Geothermie: Heizen & Kühlen mit Energie aus dem Untergrund
BINE Informationsdienst [2006]Wärmepumpen: Heizen mit Umweltenergie
Schüco [2008]Wärmepumpen mit Solarthermie
Gesellschaft zur Entwicklung und Förderung von Geothermen Anlagen mbh (GEFGA) [2006]
Vortrag zur 9. geothermischen Fachtagung, 17.11.2006 Karlsruhe