Mobilisierung der Wärme unter unseren Füßen zur Energieversorgung historischer Gebäude
Flache geothermische Heiz- und Kühlsysteme werden immer mehr zu attraktiven Kandidaten für die Modernisierung des alternden Gebäudebestands in Europa. EU-Initiativen, darunter die Renovierungswelle, und politische Maßnahmen wie die Überarbeitung der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden treiben diesen Wandel voran. Historische Gebäude haben jedoch ihre eigenen Beschränkungen, die sie von der Nutzung dieser vollständig erneuerbaren Energiequelle abhalten. Im Rahmen des von der EU finanzierten Projekts GEO4CIVHIC wurden bestehende Technologien entwickelt und modifiziert, um den Einsatz der oberflächennahen geothermischen Heizung und Kühlung in solchen Gebäuden in bebauten Gebieten zu beschleunigen. “Im Durchschnitt kann ein geothermisches System das Gebäude mit 4 kW Wärmeenergie versorgen, indem es 1 kW elektrische Energie verwendet und 3 kW kostenlose Energie aus dem Untergrund gewinnt“, erklärt Adriana Bernardi, Projektkoordinatorin, Physikerin, Forschungsdirektorin und Leiterin des Instituts für Atmosphärenwissenschaften und Klima des Nationalen Forschungsrats in Padua, Italien.
Bohren und Arbeiten auf engem Raum
Ein mit einer Wärmepumpe gekoppelter Erdwärmetauscher entzieht die unerschöpfliche Wärme der Erde und liefert diese Energie an die Emissionsgeräte oder Heizkörper. Wärmetauscher entziehen dem Erdreich bis zu 8 °C Energie und die Wärmepumpe „hebt“ diese Energie auf Temperaturen von bis zu 60-70 °C, um das Heizsystem zu versorgen. Im Sommer kehrt die Wärmepumpe um und entzieht dem Gebäude Wärme, um das Erdreich wieder aufzuladen. “Völlig neue Ansätze bei der Bohrung des Bohrlochs erhöhen die Effizienz der Wärmepumpe bei hohen Temperaturen und es werden neue Arten von Kältemitteln benötigt“, erklärt Bernardi. Die historische Stadt Mechelen in Belgien verfügt über rund 300 denkmalgeschützte Gebäude. GEO4CIVHIC entwickelte ein kompaktes und gewichtsreduziertes Bohrgerät mit einer sehr geringen Stellfläche, das mit einem Kran in die Gärten dieser malerischen, engen Straßen gehievt werden konnte. GEO4CIVHIC optimierte und installierte mehrere koaxiale Stahlwärmetauscher mit bis zu 20-30 % höheren Energiegewinnungsraten, wodurch die Gesamtlänge der benötigten Wärmetauscher reduziert wurde. Diese Wärmetauscher wurden im Rahmen des Horizon-2020-Projekts Cheap-GSHPs patentiert.
Variationen zwischen den Demostandorten in Europa
Drei Pilot- und vier Demonstrationsstandorte zeigen das Ausmaß des Erfolgs von GEO4CIVHIC für eine Reihe von Gesteinen in der Erdkruste und unterschiedliche Gebäudekonstruktionen. Für Hochtemperatur-Emissionssysteme wurden drei Wärmepumpen entwickelt, die CO2 als umweltfreundlicheres Kältemittel verwenden. In Ferrara (Italien), Greystones (Irland) und Mechelen (Belgien) wurden Leistungszahlen von bis zu 3,3 bei Temperaturen von 60-70 °C erreicht. Eine Wärmepumpe mit zwei Quellen (Luft/Erdreich) ist in einem historischen Gebäude in Malta für warme Klimaanwendungen installiert. Darüber hinaus wurden vier kompakte Plug-and-Play-Wärmepumpen in die Testanlagen an der Universität Padua (Italien) und bei Tecnalia in Bilbao (Spanien) integriert, um Anwendungen für das Energiemanagement zu entwickeln und neue Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial zu untersuchen. Bernardi weist darauf hin: „Zu diesen Entwicklungen gehört die Verwendung neuer Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial, um auf die kommende Gesetzgebung zu reagieren.“ Für Bohrungen in hartem Gestein entwickelte GEO4CIVHIC einen kompakten, leistungsstarken Rotationsbohrkopf. In Irland ist die Demoanwendung in Greystones auf verdichtetem Gestein, so dass das Team Druckluft als Bohrspülung verwendete. Druckluftverbrauch und Bohrerverschleiß waren im Vergleich zum konventionellen Bohrverfahren deutlich geringer. In weicherem Gestein auf Malta, im Msida Bastion Historic Garden, wurde Wasser als Bohrspülung verwendet, und das Bohren ging sehr schnell, wenn auch mit Geschwindigkeiten unter 1 m/min.
Die Zukunft der geothermischen Energie
Die umfassenden Bohrbarkeitskarten von GEO4CIVHIC werden die Standorte anhand ihrer geologischen Eigenschaften charakterisieren, einschließlich der Bohrraten und Kosten. „Für die Integration von geothermischen Anlagen mit anderen erneuerbaren Energiequellen entwickeln wir ein System zur Entscheidungsunterstützung. Dies wird den Nutzenden helfen, die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern und die Rentabilität der Investition zu beschleunigen“, betont Bernardi. Bernardis Vision für den historischen Gebäudebestand in Europa beinhaltet, „allen Beteiligten die langfristigen wirtschaftlichen Vorteile der oberflächennahen geothermischen Heizung und Kühlung aufzuzeigen. Die von uns geplanten Aktivitäten für Schulungen, Leitlinien und Workshops werden dazu beitragen, das Bewusstsein und das Vertrauen der Beteiligten in diese Technologie zu stärken“, schließt sie.
Schlüsselbegriffe
GEO4CIVHIC, Wärmepumpe, historisches Gebäude, Kältemittel, oberflächliche Geothermie, Heizung und Kühlung, Bohrung, Bohrloch, erneuerbare Energien
