Größere Gewerbe- und Wohnbauten mit Erdwärme heizen / 11.05.2017

Erdwärmerohre nutzen Kohlendioxid als Arbeitsfluid

Verlegung der Erdwärmesonde © Wöltjen

In Deutschland werden aktuell 27 Prozent des Primärenergiebedarfs zur Gebäudebeheizung verwendet, hauptsächlich in Erdöl- oder Erdgas-Anlagen, die auch bei Neuanlagen immer noch den größten Marktanteil haben. Eine energieeffiziente Alternative zur Gebäudebeheizung und Warmwasserbereitstellung stellen Erd-Wärmepumpen dar.

Mit entsprechend hohen Leistungszahlen können Erd-Wärmepumpen einen wichtigen Beitrag zur Wärmewende leisten. Das Erdreich hat die positive Eigenschaft, dass es die Wärme sowohl in Quantität als auch in Qualität (Temperatur) stets zuverlässig bereitstellt.

Platzsparende Anwendung leistungsstarker Wärmepumpen

Im Forschungsvorhaben „Oberflächennahe und mitteltiefe CO2-Erdwärmerohre für Wärmepumpen höherer Leistung“ untersuchten Forscher das Betriebsverhalten von Sondenfeldern sowie von mitteltiefen, etwa 400 m langen Einzel-Sonden. Ziel ist, ein System bereitzustellen, dass den größeren Leistungsklassen für eine urbane, platzsparende Anwendung von Wärmepumpen Rechnung trägt, insbesondere im Bestand von größeren Gewerbe- und Wohnbauten. Die Forscher bauen auf den Ergebnissen von drei vorangegangenen F&E-Vorhaben auf, die von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurden. Das aktuelle BMWi-Projekt gliedert sich in zwei Schwerpunkte:

 

  • Das Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen FKW Hannover bearbeitet das Thema Auslegung und Test der CO2-Erdwärmerohre,
  • die Firma Umwelttechnik und Brunnenbau Wöltjen aus Nienburg übernimmt die Bohrung und die Einbringung der CO2-Erdwärmerohre.

Thermosyphon mit Kohlendioxid

Im Projekt kommen vom FKW patentierte Erdwärmerohre mit dem Arbeitsfluid Kohlendioxid (CO2) zum Einsatz. Diese funktionieren nach dem Prinzip einer Phasenwechselsonde (Thermosyphon). Dabei ist ein druckdicht verschlossenes Rohr mit CO2 gefüllt, welches sich im Siedezustand befindet. Im Ruhezustand ist ein großer Teil des CO2 dampfförmig, am Boden der Sonde befindet sich ein Reservoir mit flüssigem CO2 (Pool).

 

Die Erdwärmesonde stellt die Wärmequelle für die Wärmepumpe dar und sorgt für den Transport der Wärme aus dem Erdreich hin zur Wärmepumpe. Da Phasenwechselsonden im Gegensatz zu üblichen Sole-Pumpsonden nach dem Prinzip des Naturumlaufes funktionieren, benötigen sie keine zusätzliche Pumpe. Ein weiterer Vorteil ist, dass für den Wärmetransport im Wesentlichen die Verdampfungsenthalpie des Sondenfluids genutzt wird, was zu geringeren Grädigkeiten im Wärmeübertrager führt. Die Verwendung von CO2 als Sondenfluid macht nach der deutschen Wasserschutzverordnung den Einsatz selbst in Wasserschutzgebieten möglich; es wird bereits bei einem Gewerbegebäude in der Schweiz genutzt.

Auslegung von CO2-Erdwärmerohrsonden

Erdschichtenbeispiel für Well- und Glattrohr (TVD: True Vertical Depth / vertikale Tiefe) © GeoDienste

Um die Berechnung dieser Erdwärmerohrsonden auch zukünftig sicher und komfortabel durchführen zu können, wurde mit Unterstützung des Instituts für Thermodynamik der Leibniz-Universität Hannover im Rahmen dieses Projektes eine FKW-Software entwickelt; diese erleichtert die Auslegung unter Berücksichtigung der verschiedenen Erdschichten und der Wärmeübertragung der Sonde, siehe Abbildung.

Teilprojekt A: Oberflächennahe Erdwärmerohre

Bei genügendem Erdoberflächenplatz zur Abstandspositionierung und der Kombination von Sonden wurde durch das Erstellen eines CO2-Sondenfeldes (Teilprojekt A) die Nutzung höherer Erdentzugsleistung mit mehreren pumplosen Mehrphasenwechselsonden als machbar erwiesen.

 

Hierbei wurde die Anbindung mehrerer Erdwärmerohre an einen zentralen Wärmeübertrager untersucht. Dabei stand die Frage nach der gleichmäßigen Verteilung des von diesem Wärmeübertrager abfließenden flüssigen CO2 auf parallel geschaltete Erdwärmerohre im Vordergrund.

 

Auf der Basis von konstruktiven und theoretischen Betrachtungen wurde ein Konzept einer geeigneten CO2-Verteilung erarbeitet und im Freigelände des FKW an einem Sondenfeld mit zwei CO2-Erdwärmesonden untersucht. Jede der beiden Erdwärmesonden von ca. 100 m Länge war für den Betrieb mit CO2 ausgelegt und ist einzeln als CO2–Erdwärmesonde betreibbar. Die Rohre wurden mittels einer geeigneten Verbindungsvariante an einen darüber als Kopfkonstruktion befindlichen Wärmeübertrager zusammengeführt, um zwei Sonden parallel zu betreiben.

Teilprojekt B: Mitteltiefe Erdwärmerohre

Prinzipskizze Mitteltiefes Glatt- und Wellrohr © FKW

Da insbesondere bei Altbauten der Baujahre 1918-1977 (vor der ersten Wärmeschutzverordnung), die mit etwa 85% Flächenanteil den Hauptteil des in Deutschland befindlichen Wohnungsbestandes mit einem Heizwärmebedarf zwischen 140-240 [kWh/(m2a)] darstellen, und da nicht überall genügend Erdoberflächenplatz zur Verfügung steht, wurden in Nienburg/Weser zwei ca. 400 m tiefe mit CO2 betriebene Erdwärmerohre verbaut, die als Wärmequelle für jeweils eine Wärmepumpe zur Bereitstellung höherer Leistung dienen. Diese beiden Rohre weisen unterschiedliche Geometrien auf, ein Stahl-Glattrohr und ein spiralgewelltes Edelstahlrohr sollten in vergleichenden Versuchen gegenübergestellt werden, siehe Abbildung. Bereits in der Vergangenheit ergaben FKW-Untersuchungen an 100 m tiefen CO2-Rohren eine etwa 12% höhere Leistungsfähigkeit der CO2-Sonde, verglichen mit einer Sole-Sonde der gleichen Größenordnung. Neben der Frage nach der Skalierbarkeit lag der Fokus dieses Projektes auf dem Vergleich zweier verschiedener Rohrgeometrien sowie den dafür nötigen Einbringungsmethoden der Sonden ins Erdreich mit der entsprechenden Bohrlochverfüllung.

 

Die Erdwärmesonden des Teilprojektes B bieten ein hohes Potenzial für weitere Forschungstätigkeiten und Optimierungen. Nach der erfolgreichen Machbarkeitsuntersuchung können nun z. B. Komponenten der Gesamtanlage ausgetauscht und verbessert sowie hinsichtlich einer marktfähigen Anlage optimiert werden.

Ausblick

Der funktionale Vorteil (Teilprojekt A) des Wellrohr-Sondenfeldes von ca. 100 m Tiefe am FKW für höhere Leistung liegt in der Anwendung von nur einem einzelnen Wärmeübertrager für mehrere pumpenlose Sonden. Das senkt die Investitionskosten.

 

Mehrphasen-Konkurrenzprodukte, zum Beispiel mit Propan, sind in ihrer Bauart bisher so konzipiert, dass jede eingebaute Sonde am Sondenkopf einen Wärmeübertrager aufweist. Dabei ist die Brennbarkeit von Propan ein Nachteil gegenüber dem CO2.

 

Im Teilprojekt B bietet sich die Möglichkeit der hohen Entzugsleistung aus einer einzelnen mitteltiefen Sonde bei gleichzeitig sehr geringem Platzbedarf.

Mehr zum Projekt

Vorhaben:
Oberflächennahe und mitteltiefe CO2 – Erdwärmerohre für Wärmepumpen höherer Leistung

Abschlussberichte sind erhältlich als externe Downloads von der TIB Hannover.
(Teilprojekt A und B)

Förderkennzeichen:
03ET1050A,B

Laufzeit:
01.01.2012 – 31.12.2014

Projektbeteiligte

Auslegung und Test der CO2-Erdwärmerohre
Forschungszentrum für Kältetechnik und Wärmepumpen / FKW Hannover

Bohrung und Einbringung der CO2-Erdwärmerohre
Umwelttechnik und Brunnenbau Wöltjen

Auslegung des Wärmetauschers
Institut für Thermodynamik der Leibniz-Universität Hannover

Dimensionierung des Wärmerohrs
Institut für Verfahrenstechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg

Geologische und hydrogeologische Daten
GeoDienste

Wärmepumpenhersteller
Stiebel Eltron
Viessmann

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.