Individuelle und kollektive Bohrlöcher

Geothermische Bohrfelder können in vielen verschiedenen Szenarien eingesetzt werden, doch grundsätzlich wird zwischen individuellen und kollektiven geothermischen Systemen unterschieden. In diesem Kapitel werden drei verschiedene Arten von geothermischen Systemen – von vollständig individuell bis vollständig kollektiv – behandelt und es wird erläutert, wann die eine Variante gegenüber der anderen vorzuziehen ist. Die in diesem Kapitel vorgenommenen Unterscheidungen helfen dabei, das Konzept der Gleichzeitigkeit und der Interferenz im Anschluss besser zu verstehen.

Drei Arten von geothermischen Bohrlochsystemen

Wenn Sie ein Projekt mit verschiedenen Einheiten oder Gebäuden haben, z. B. ein neu gebautes Viertel oder ein Mehrfamilienhaus, das Sie mit geothermischer Heizung und Kühlung ausstatten wollen, stehen Sie vor der Frage: Installieren wir ein kollektives oder ein individuelles System? In der nachstehenden Abbildung sind drei allgemeine Lösungstypen dargestellt.

Am einen Ende des Spektrums steht die vollständig individuelle Lösung (links). Hier verfügt jede Wohnung oder jede Gebäudeeinheit über eine eigene Heiz- und Kühlanlage (d. h. eine eigene Erdwärmepumpe), die an ein eigenes, separates Bohrloch oder Bohrfeld angeschlossen ist.

Am anderen Ende des Spektrums steht die vollständig kollektive Lösung (rechts). Hier werden die Wärme- und Kälteerzeugung zentralisiert und an die verschiedenen Gebäudeeinheiten verteilt. Befinden sich die Einheiten in separaten Gebäuden (beispielsweise in einem ganzen Stadtviertel), entspricht diese Lösung dem herkömmlichen Wärme- und Kältenetz.

Die letzte Option besteht darin, mit einzelnen Produktionsanlagen für Heizung und Kühlung zu arbeiten, die an ein zentrales Bohrfeld angeschlossen sind. Diese Lösung, die in letzter Zeit in Regionen wie den Niederlanden großes Interesse geweckt hat, ähnelt dem sogenannten Fernwärme- und Fernkälte-System der fünften Generation (5DHC), bei dem die geothermischen Temperaturen unter verschiedenen Nutzern aufgeteilt werden, die selbst entscheiden können, ob sie diese zum Heizen oder Kühlen nutzen möchten.

Alle drei oben genannten Optionen haben ihre eigenen Anwendungsfälle, Vor- und Nachteile. In den folgenden Abschnitten wird jede dieser Optionen näher erläutert, wobei der Schwerpunkt auf den geothermischen Auslegungsaspekten (Spitzenleistung und Unsymmetrie) sowie auf allgemeinen Aspekten (Kosten, Wartung und gesellschaftliche Auswirkungen) liegt.

Individuelle Produktion, individuelles Bohrfeld

Wenn alle Ihre Gebäude oder Gebäudeeinheiten (wie Wohnungen) über eine eigene Erdwärmepumpenanlage verfügen, entspricht die Auslegung genau dem, was wir bisher in diesem Kurs behandelt haben. Konzeptionell müssen Sie sicherstellen, dass jedes Erdwärmebohrloch (oder Bohrfeld) sowohl 100% der Spitzenlasten des Gebäudes als auch den jährlichen Energiebedarf decken kann. Die Kombination dieser Effekte kann die Auslegung der einzelnen Bohrfelder erheblich belasten.

Im Gegensatz zu kollektiven geothermischen Anlagen sind einzelne Bohrlöcher oder Bohrfelder oft weiter voneinander entfernt als bei einem herkömmlichen Bohrfeld mit festem Abstand zwischen den Bohrlöchern. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Wohngebiet vor, in dem jedes einzelne Haus über eine eigene geothermische Bohrung oder mehrere Bohrungen verfügt. In der Regel liegen diese Bohrungen weiter auseinander, als wenn sie in einem einzigen Feld zentral angeordnet wären. Dieser größere Abstand kann dazu beitragen, das Ungleichgewicht auszugleichen, wie in Teil 5.5.

Die Tatsache, dass Ihre Bohrfelder an einzelne Anlagen angeschlossen sind, bedeutet jedoch nicht, dass sie vollständig voneinander getrennt sind. Genauso wie sich die verschiedenen Bohrlöcher innerhalb eines einzelnen Feldes gegenseitig beeinflussen, kommt es auch bei jedem Paar geothermischer Bohrfelder zu einer gewissen thermischen Wechselwirkung. Darauf wird eingegangen in Abschnitt 8.2.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die für ein vollständig individuelles System erforderliche Gesamtbohrlochlänge von drei Faktoren abhängt:

• Eine daraus resultierende höhere Spitzenleistung (100% der Gebäudelast).
• Ein größeres geothermisches Ungleichgewicht.
• Ein möglicherweise geringerer Einfluss des Ungleichgewichts aufgrund des Bohrlochabstands.

Auch wenn die relative Bedeutung dieser drei Faktoren von Projekt zu Projekt variieren kann, lässt sich doch sagen, dass bei Mehrfamilienhäusern, bei denen die Bohrlöcher aufgrund des begrenzten Platzangebots relativ dicht beieinander liegen, eine individuelle Lösung zu mehr Bohrlochmetern führt. Im Falle eines Stadtviertels, in dem die Bohrlöcher weiter auseinander liegen, kann die individuelle Lösung etwas kleiner ausfallen.

Was die Wartungskosten angeht, so sind diese bei dieser Art von Lösung relativ hoch, da die Wartung mehrerer Wärmepumpen zu höheren Gesamtkosten führt. Da zudem jedes Gebäude über eine eigene Heiz- und Kühleinheit verfügt, führt dies zu höheren Stromspitzenlasten im Netz, was eine größere Kapazität erfordert (wie in Teil 1.1).

Individuelle Produktion, kollektives Bohrfeld

Eine zweite Lösung, die sich zunehmender Beliebtheit erfreut, besteht darin, die Erdwärmepumpen dezentral zu betreiben, sie jedoch an ein einziges Bohrfeld anzuschließen. Dies könnte insbesondere dann interessant sein, wenn die Bohrlöcher – beispielsweise aufgrund von Platzmangel – ohnehin schon relativ nahe beieinander liegen, oder im Zusammenhang mit einem Fernwärmenetz der fünften Generation, in dem sowohl heizungs- als auch kühlungsdominierte Gebäude vorhanden sind. Die Nutzung eines zentralen Bohrfelds bietet zwei wesentliche Vorteile:

1. Da nun alle Einheiten an dieselbe geothermische Quelle angeschlossen sind, muss bei der Auslegung des Bohrfeldes nur noch das kumulative Ungleichgewicht berücksichtigt werden. Dieses Ungleichgewicht ist immer gleich oder kleiner als die Summe der einzelnen Ungleichgewichte jeder Einheit, beispielsweise im Fall eines mehrstöckigen Gebäudes mit einem Geschäft im Erdgeschoss mit hohem Kühlbedarf und darüber liegenden Wohnwohnungen. Das daraus resultierende Bohrfeld ist daher ausgewogener als im Einzelfall, in dem jedes Bohrloch in der Lage sein müsste, das jeweilige Ungleichgewicht auszugleichen.
2. Da nicht alle Wärmepumpen gleichzeitig in Betrieb sind, kann auch die daraus resultierende Spitzenleistung am Boden geringer ausfallen. Dieser Effekt wird als „Simultanität“ bezeichnet und wird später in Abschnitt 8.3.

Fazit

Bei der Arbeit mit einem Bohrfeld kann unter Umständen eine geringere Spitzenleistung und eine geringere Unwucht in Betracht gezogen werden, was zu einer wirtschaftlicheren Auslegung führt. Sind die Bohrlöcher jedoch näher beieinander als im Einzelfall, könnte der Einfluss der Unwucht größer sein. Die endgültige Entscheidung, ob dies vorteilhaft ist oder nicht, hängt letztlich vom jeweiligen Projekt ab.

Generell lässt sich sagen, dass bei Wohnanlagen, bei denen die Bohrlöcher bereits recht nah beieinander liegen, ein gemeinsames Bohrfeld wahrscheinlich kosteneffizient ist. Für Stadtviertel trifft dies aufgrund der hohen Investitionskosten für die Verteilungsleitungen des Fernwärme- und Fernkältenetzes der 5. Generation in der Regel nicht zu, es sei denn, das Ungleichgewicht des gesamten Systems wird durch den kollektiven Charakter erheblich verringert.

Da nach wie vor mehrere Wärmepumpen installiert sind, bleiben die kumulierten Wartungskosten dieser Lösung relativ hoch, ebenso wie die insgesamt erforderliche Spitzenleistung im Stromnetz. Da die Gleichzeitigkeit nicht gewährleistet werden kann und die Regeneration in diesem Fall etwas komplexer ist, ist das Bohrfeld in der Regel größer als bei der folgenden Option.

Kollektive Produktion, kollektives Bohrfeld

Die letzte Option besteht darin, sich für eine zentralisierte Wärme- und Kälteerzeugung in Verbindung mit einem zentralen Bohrfeld zu entscheiden. Dabei handelt es sich im Grunde um das traditionelle Konzept eines Fernwärme- und Fernkältenetzes mit einem zentralisierten Erzeugungssystem. Aufgrund der Zentralisierung der Quelle kann die Anlage im Vergleich zu Einzelanlagen in der Regel von einer insgesamt geringeren Ungleichgewichtsbelastung profitieren.

Im Gegensatz zu einem kollektiven Bohrfeld mit einzelnen Wärmepumpen können wir bei einem zentralisierten Erzeugungssystem nun jedoch sicher sein, dass unsere Spitzenleistung sowohl thermisch als auch hydraulisch geringer ausfällt, da diese zentralisierte Wärmepumpe in der Regel kleiner ist als die Summe aller Einzelanlagen.

Aufgrund der zentralisierten Auslegung liegen die Bohrlöcher wahrscheinlich näher beieinander, was die Auswirkungen einer Unwucht verstärken kann. Da wir jedoch auch über eine zentralisierte Produktionseinheit verfügen, lässt sich dies relativ einfach durch die Schaffung eines Hybridsystems oder die Einbindung einer Regenerationsmaßnahme abmildern, wie in den Teilen 9 und 10 erläutert wird.

Fazit

Ein vollständig kollektives System führt zu einem geringeren Spitzenleistungsbedarf des Bohrfeldes und in der Regel zu einem geringeren Ungleichgewicht. Im Vergleich zu dem Fall mit einzelnen Erzeugungseinheiten und einem kollektiven Bohrfeld führt diese Lösung daher im Allgemeinen zu kleineren geothermischen Anlagen, wobei dies jedoch weiterhin vom jeweiligen Projekt und der Geometrie des Bohrfeldes abhängt. Im Allgemeinen ist diese Lösung für Mehrfamilienhäuser tendenziell kosteneffizienter, während sie für ganze Stadtteile aufgrund des Bedarfs an isolierten Verteilungsrohren für Heizung und Kühlung in der Fernwärme- und -kälteversorgung der 4. Generation möglicherweise teurer ist.

Da wir nun nur noch ein einziges System warten müssen, sind die kumulierten Wartungskosten geringer und auch die benötigte Stromleistung aus dem Netz wird reduziert. Gemeinschaftssysteme lassen sich leichter optimieren und sind daher manchmal die bevorzugte Option eines Energiedienstleisters (ESCO).

Fazit

In diesem Kapitel wurden drei verschiedene geothermische Lösungen erörtert: das vollständig individuelle System (bei dem sowohl die Wärmepumpe als auch die Bohrlöcher individuell sind), das vollständig kollektive System (mit einer gemeinsamen Wärmepumpe und einem gemeinsamen Bohrfeld) sowie eine kombinierte Lösung, bei der separate Wärmepumpen pro Einheit an eine zentrale geothermische Quelle angeschlossen sind.

Auch wenn die konkreten Kosteneinsparungen durch den Übergang von individuellen zu kollektiven Systemen von den jeweiligen Projektmerkmalen abhängen mögen, bietet die Umstellung auf ein kollektives Bohrfeld den Vorteil, dass ein kombiniertes Leistungsungleichgewicht berücksichtigt wird, anstatt es für jedes Gebäude einzeln zu behandeln. Darüber hinaus kann die Zentralisierung der Erzeugung dazu beitragen, die Wartungskosten zu senken, die Spitzenleistung des Bohrfeldes zu begrenzen und die erforderliche elektrische Leistung zu verringern.

In der nächstes Kapitel, Es wird auf das Phänomen der Wechselwirkung zwischen verschiedenen, hydraulisch getrennten geothermischen Systemen eingegangen.

Fragen

Literaturverzeichnis

• Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen, S., Thorsen, J.E., Hvelplund, F., Mathiesen, B.V. (2014). Fernwärme der 4. Generation (4GDH): Integration intelligenter Wärmenetze in zukünftige nachhaltige Energiesysteme, Energie, Band 68, Seiten 1–11, 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089.