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Zusammenfassung
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In der Gebäudetechnik ist seit einigen Jahren als Heizungstechnik die Installation einer Wärmepumpe etabliert. Als Wärmequelle zur Versorgung der Wärmepumpe können Erdsonden zum Entzug von Erdwärme angeschlossen werden. Um aber ein Abkühlen des umgebenen Bodens zu verhindern, sind diese Anlagen im Regelfall so dimensioniert, dass diese maximal 2.400 Stunden / Jahr in Betrieb sind. Dem Boden wird demnach eine Regenerationszeit von etwa 6.000 Stunden eingeräumt.
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Um aber eine permanente Wärmeenergie liefern zu können, wurde diese vorliegende Idee entwickelt. Es werden 4 Bohrfelder integriert, die über eine Anlagensteuerung im Wechsel aktiviert werden. Um aber die entzogene Wärmeenergie zu ersetzen muss in das Gesamtsystem das Patent
DE 10 2018 000 806 A1 (Regenerative Energie - Simultanes Be- und Entladen von Erdwärmesonden mit rezenter und fossiler Solarthermie zur Steigerung der Jahresarbeitszahlen von konventionellen Wärmepumpen-Anlagen, Offenlegung: 01.08.2019, Erfinder: Dr. Panagiotis Aslanidis + Dipl.Geol. Heike Hagemann) integriert werden. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die nicht aktiven Felder mit Solarthermie beladen werden.
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Die permanente Nutzung der Solarthermie reduziert die notwendigen Bohrmeter und demzufolge den Platzbedarf der einzelnen Bohrfelder. In einer Simulationsberechnung wurde die konventionelle Nutzung der Erdwärme über ein Bohrfeld der Nutzung von 4 Bohrfeldern gegenübergestellt.
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In der 1. Berechnung wird die Wärmequelle für ein Sondenfeld ohne Solarthermie-Unterstützung ausgelegt. Daher müssten aus den Sonden 960 MWh thermische Energie entzogen werden.
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Hieraus ergibt sich, dass 120 Bohrungen á 87,87 m abgeteuft werden müssten. Es summiert sich eine Gesamtbohrmeterzahl von 10.544,37 m.
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Das Sondenfeld wäre nach 25 Jahren Betriebszeit auf -4°C abgekühlt und könnte nicht weiter genutzt werden.
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In einer 2. Simulationsberechnung wurde der identische Wärmeentzug von 960 MWh / Jahr angenommen. Es wird aber davon ausgegangen, dass 4 Sondenfelder mit einer jährlichen Aktivierung von 2.000 Stunden installiert werden. Zusätzlich wird die Wärmeenergie von einer Solarthermie-Anlage mit einer Fläche von z.B. 250 m2 über die Sonden in den Boden eingespeist.
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Die Berechnung zeigt bei diesen Voraussetzungen folgendes Ergebnis: Hier müssten 4 x 10 Bohrungen á 94,45 abgeteuft werden. Die Gesamtbohrmeter summieren sich auf 3.778,16 m. Das entspricht im Vergleich zu der 1. Berechnung eine Reduzierung der Bohrmeter um 65%.
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Der Temperaturverlauf des Fluids zeigt auch nach 25 Jahren, dass diese in den Wintermonaten zwar auch auf -4°C abfällt, aber in den Sommermonaten wieder auf über +2°C ansteigt. Die Quelle kann voraussichtlich auch nach 25 Betriebsjahren genutzt werden.
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Die Sondenfelder bestehen aus Doppel-U-Sonden, z.B. PE-RC 32 x 2,9 mm.
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Die zwei Stränge der Doppel-U-Sonde werden an zwei verschiedene Verteilerschächte angeschlossen. Über den 1. Verteilerschacht wird dem Boden konventionell Geothermie entzogen und über den 2. Verteilerschacht wird der Boden mit rezenter Solarenergie beladen. Das System ist in der Offenlegeung des Patentes
DE 10 2018 000 806 A1 (Regenerative Energie - Simultanes Be- und Entladen von Erdwärmesonden mit rezenter und fossiler Solarthermie zur Steigerung der Jahresarbeitszahlen von konventionellen Wärmepumpen-Anlagen, Offenlegung: 01.08.2019, Erfinder: Dr. Panagiotis Aslanidis + Dipl.Geol. Heike Hagemann) ausführlich beschrieben.
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Durch die Nutzung von 4 Sondenfeldern sowie das Beladen des Bodens mit solarer Wärmeenergie kann eine Regeneration des umgebenen Bodens trotz permanenten Wärmeentzuges gewährleistet werden. Die Aktivierung der einzelnen Bohrfelder wird auf etwa 2.000 Stunden reduziert. Die nicht aktivierten Felder können auch nicht smultan mit Solarthermie beladen werden.
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Die Ansteuerung der einzelnen Sondenfelder kann entweder über den Parameter Zeit oder aber über den Parameter Temperatur der Soleflüssigkeit erfolgen.
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Eine Versorgung mit oberflächennaher Geothermie z.B. eines Niedertemperatur-Kraftwerkes mit jährlichen Laufzeiten von über 8.000 Stunden ist möglich.
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Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe
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Konventionelle Wärmepumpen-Anlagen zum Beheizen eines Gebäudes mit der Versorgung über Erdwärmesonden sind so konzipiert, dass das gesamte System eine jährliche Betriebsstundenzahl von maximal 2.400 aufweist. Hierdurch soll garantiert werden, dass der umgebene Boden trotz des Wärmeentzuges ausreichend regeneriert und die Wärmequelle über Jahrzehnte nutzbar bleibt.
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Nun besteht die Fragestellung, wie oberflächennahe Geothermie permanent entzogen werden kann, z.B. für die Versorgung eines Niedertemperatur-Kraftwerkes mit einer jährlichen Laufzeit von 8.000 - 8.500 Stunden.
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Für die Problemlösung wurden Simualtionsberechnungen durchgeführt, um zu beweisen, dass über 4 Sondenfelder unter zur Hilfenahme von Solarthermie permanent oberflächennahe Geothermie entzogen werden kann. Es wurden 2 Berechnungen gegenübergestellt: Die 1. Berechnung geht von einem Bohrfeld ohen Solarthermie aus und die 2. Berechnung von 4 Sondenfeldern mit dem Beladen von Solarthermie.
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Folgende Parameter wurden für beide Berechnungen zugrunde gelegt:
- Heizleistung: 120 KW
- Betriebsstunden für 1 Sondenfeld: 8.000 h
- Betriebsstunden für 4 Sondenfelder: 2.000 h / Sondenfeld
- Gesamtenergiemenge: 960 MWh (80 MWh / Monat)
- Bohrtiefe: 100 m
- Sondenabstand: 6 m
- Allgemeine Wärmeleitfähigkeit für wasserführenden Sand : 2,4 W/(m*K)
- Allgemeine spezifische Wärmekapazität für wasserführenden Sand: 2,5 MJ/(m3*K)
- Wärmeleitfähigkeit des Verpressmaterials: 2,4 W/(m*K)
- Solarthermie aus 250m2 Fläche Sonnenkollektoren: 320 MWh
- Betriebsjahre: 25
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In der 1. Berechnung wird die Wärmequelle für ein Sondenfeld ohne Solarthermie-Unterstützung ausgelegt. Daher müssten aus den Sonden 960 MWh thermische Energie entzogen werden.
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Hieraus ergibt sich, dass 120 Bohrungen á 87,87 m abgeteuft werden müssten. Es summiert sich eine Gesamtbohrmeterzahl von 10.544,37 m.
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Die Temperaturen würden innerhalb von 10 Jahren auf 0°C und nach 25 Betriebsjahren permanent auf -4°C abfallen. In der nachfolgenden beiden Abb. Ist der Temperaturverlauf graphisch dargestellt.
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Diese berechnete Wärmequelle wäre in der Realität aufgrund des Platzbedarfes im Regelfall nicht umsetzbar. Des weiteren wäre die Wärmequelle aufgrund der starken Beanspruchung nach 25 Betriebsjahren nicht mehr nutzbar.
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Aufgrund des Platzangebotes müssen für die Realisierung eines Projektes die Anzahl der Bohrungen weiter reduziert werden. Die Einspeisung der solaren Energie wird für Sonnenkollektoren mit einer maximalen Fläche von 250 m2 berechnet. Je nach Platzangebot bei der Realisierung eines Projektes könnte diese Fläche variieren.
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Von daher werden in der 2. Simulationsberechnung die Betriebsstunden der einzelnen Sonden weiter reduziert und es werden 4 Sondenfelder angelegt. Pro Sondenfeld müssen 240 MWh geothermische Energie entzogen werden und es können simultan 80 MWh solare Energie eingespeist werden.
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Die Berechnung zeigt bei diesen Voraussetzungen folgendes Ergebnis: Hier müssten 4 x 10 Bohrungen á 94,45 abgeteuft werden. Die Gesamtbohrmeter summieren sich auf 3.778,16 m. Das entspricht im Vergleich zu der 1. Berechnung eine Reduzierung der Bohrmeter um 65%.
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Der Platzbedarf wäre ebenfalls um 60 - 70% im Vergleich zur 1. Berechnung reduziert.
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Der Temperaturverlauf des Fluids zeigt auch nach 25 Jahren, dass diese in den Wintermonaten zwar auch auf -4°C abfällt, aber in den Sommermonaten wieder auf über +2°C ansteigt. Die Quelle kann voraussichtlich auch nach 25 Betriebsstunden genutzt werden.
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Die 2. Berechnung zeigt eindeutig, dass ein permanenter Einzug von oberflächennaher Geothermie über 4 Sondenfelder möglich ist. Voraussetzung hierfür ist aber, dass die Sonden bzw. der umgebene Boden parallel oder alternierend mit solarer Wärmeenergie beladen wird. Die optimale Lösung für letzteres ist im Patent
DE 10 2018 000 806 A1 (Regenerative Energie - Simultanes Be- und Entladen von Erdwärmesonden mit rezenter und fossiler Solarthermie zur Steigerung der Jahresarbeitszahlen von konventionellen Wärmepumpen-Anlagen, Offenlegung: 01.08.2019, Erfinder: Dr. Panagiotis Aslanidis + Dipl.Geol. Heike Hagemann) ausführlich dargestellt.
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Anwendungsbereiche
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Konventionelle Wärmepumpen mit der Versorgung über oberflächennaher Geothermie werden so dimensioniert, dass die jährliche Betriebsstundenzahl von 2.400 nicht überschritten wird.
- 3.3.1. Sollte aber z.B. ein Niedertemperatur-Kraftwerk zur Stromerzeugung mit oberflächennaher Geothermie versorgt werden, wäre eine geringe Betriebsstundenzahl von 2.400 nicht effizient. Die Energiefluss müsste permanent, zumindest 8.000 - 8.500 Stunden, zur Verfügung gestellt werden.
Strombedarf und die oberflächennahe Geothermie sind nahezu ubiquitär vorhanden. Des weiteren ist ein Trend zu erkennen, dass die elektrische Energie mehr und mehr dezentral und nicht zentral über große Giga-und Terrawatt-Kraftwerke erzeugt wird.
Niedertemperatur-Kraftwerke mit der Versorgung über die oberflächennahe Geothermie könnten z.B. in neuangelegten Neubaugebieten installiert werden, um nahezu autarke Häuser zu errichten.
- 3.3.2. Ein weiterer Trend ist zu erkennen, dass auch der Heizbedarf und die Warmwasseraufbereitung in größeren Gebäuden, wie z.B. Büros oder Hotels, über Wärmepumpen mit oberflächennaher Geothermie gedeckt wird. Aber gerade im urbanen Gebiet ist das Platzangebot in den meisten Fällen sehr eingeschränkt. Wie aber die oben beschriebenen Berechnungen gezeigt haben, kann durch die Nutzung von 4 Bohrfeldern mit der parallelen Einspeisung von Solarthermie der Platzbedarf um 60% reduziert werden kann. Demnach lassen sich Geothermieprojekte auch in dicht besiedelten Räumen verwirklichen. Der Bedarf an Heizungswärme und Warmwasseraufbereitung ist in jedem Gebäude gegeben.
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Anlagenbauteile
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Wärmepumpe, Erdwärmesonden, Solarthermie
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Die genutzten Anlagenbauteile Wärmepumpe, Erdwärmesonen und Solarthermie sind im Patent
DE 10 2018 000 806 A1 (Regenerative Energie - Simultanes Be- und Entladen von Erdwärmesonden mit rezenter und fossiler Solarthermie zur Steigerung der Jahresarbeitszahlen von konventionellen Wärmepumpen-Anlagen, Offenlegung: 01.08.2019, Erfinder: Dr. Panagiotis Aslanidis + Dipl.Geol. Heike Hagemann) ausführlich beschrieben und sind am Markt seit Jahren etabliert.
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Anlagensteuerung
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In das gesamte Situation müsste eine neue Anlagensteuerung integriert werden. Da hier nun 4 Bohrfelder alternierend genutzt werden, könnte die Anlage über 2 Parameter gesteuert werden. Entweder wechseln die einzelnen Felder in einem festgelegten zeitlichen Rhythmus. Oder es wird permanent die Soletemperatur in den Sonden überwacht. Sobald diese eine festgelegte Minimaltemperatur unterschreitet, wird das aktivierte Sondenfeld stillgelegt und die oberflächennahe Geothermie wird über ein anderes Bohrfeld entzogen.
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Innovation der Erfindung zur Patentanmeldung
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Bislang wird Anlagen, die mit oberflächennaher Geothermie versorgt werden, werden so dimensioniert, dass die Betriebsstundenzahl von maximal 2.400 nicht überschritten werden. Dadurch soll gewährleistet werden, dass der umgebene Boden regenerieren kann und die Wärmequelle langfristig genutzt werden kann. Durch die nun beschriebene Idee kann die oberflächennahe Geothermie permanent entzogen werden. Die Wärmequelle kann ebenfalls langfristig genutzt werden.
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Niedertemperatur-Kraftwerke, die ohne oder mit geringen Stillstandzeiten betrieben werden sollen, können über die oberflächennahe Geothermie versorgt werden. Geothermieprojekte können auch im dichtbesiedelten Raum aufgrund der Platzreduzierung verwirklicht werden.
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Umsetzbarkeit und Perspektive
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Oberflächennahe Geothermie ist kann theoretisch überall entzogen werden. Die oben beschriebene Anlagentechnik ist seit Jahrzehnten am Markt etabliert. Sollten mit der beschriebenen Idee Niedertemperatur-Kraftwerke zur Erzeugung von elektrischer Energie versorgt werden, ist der Bedarf auch quasi überall vorhanden. Hier ist auch der Trend zu erkennen, dass die Stromerzeugung nun häufig über dezentrale Anlagen erzeugt wird und nicht mehr über zentrale Giga-und Terrawatt-Kraftwerke.
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Das heißt, die beschriebene Idee könnte quasi überall angewendet werden und der Strombedarf ist ebenfalls an allen besiedelten Standorten gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018000806 A1 [0002, 0011, 0028, 0030]