Exergy - optimized management of a geothermal field

 

Geothermiefeld am E.ON ERC Research Center

Das E.On Energy Research Center (ERC) ist ein modernes Bürogebäude. Es beherbergt insgesamt fünf Institute der RWTH University Aachen mit mehr als 250 Mitarbeitern, Studenten und Professoren. In Zusammenarbeit zweier Institute des ERC, namentlich das Institut für Applied Geophysics and Geothermal Energy (GGE) und das Institut für Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC), soll an und um dieses Gebäude erforscht werden, wie ein multifunktionales Gebäude mit Hörsälen, Büroräumen, Laboren, Computerpools , sowie Serverräumen unter energetischen Gesichtspunkten möglichst effizient und nachhaltig betrieben werden kann. Ziel des Projekts ist eine exergetisch optimale Betriebsführung eines Bürogebäudes unter Einbindung eines Erdwärmesondenfelds (EWS-Feld). Dies bedeutet, dass möglichst wenig Energie ungenutzt verloren gehen soll.

Um die Reduktion von Heiz- und Kühlenergie­verbrauch für den Betrieb des Bürogebäudes voran zu treiben, wird die exergetisch optimale Nutzung von Energie auf niedrigen Temperatur­niveaus angestrebt. Exergieorientierte Ansätze sind nicht durch Primärenergiefaktoren oder Energieträgerpreisen verzerrt, sondern tragen der tatsächlichen Physik Rechnung, indem sie nur den Anteil der Gesamtenergie eines Systems oder Stoffstroms, der tatsächlich Arbeit verrichten kann, bewerten.

Das ERC verfügt über ein wegweisendes Energiekonzept unter Nutzung von Geothermie. Geothermische Energie, sowie aktive Wärmeverschiebung innerhalb des Gebäudes bilden in Verbindung mit einer hocheffizienten, durch einen Turbokompressor angetriebenen, Wärmepumpe das Herz des Energiesystems. Das EWS-Feld besteht aus 40 um das Gebäude verteilte Erdsonden in einer Tiefe von 100 Metern. Im Winter wird das Gebäude unter Nutzung des im Boden gewärmten Wassers geheizt und im Sommer das Gebäude ähnlich wie ein Kühlschrank gekühlt. Mittels Betonkernaktivierung und Fassadenlüftungsgeräten werden Wärme und Kälte im Gebäude verteilt. Da das Gebäude in einen Prüfstand zur Demonstration von Regelungs­strategien und neuartigen Regelungsansätzen weiterentwickelt wurde, besitzt es hervorragende Voraus­setzungen zur Untersuchung verschiedene Forschungs­fragen. Es verfügt über ein Monitoring-System mit einem automatischen Berichts-System, welches in diesem Projekt erweitert wurde. Die einzelnen Erdwärmesonden sind mit Glasfasermesstechnik ausgestattet, was direkte Temperaturmessungen entlang der 100 Meter langen Erdwärmesonden erlaubt. Das Messsystem (“Distributed Temperature Sensing“ - DTS) basiert auf dem physikalischen Prinzip des Raman-Effekt. Die Glasfaserkabel der einzelnen Sonden sind in drei langen Messketten mit einander verspleißt und erlauben die Temperaturmessung mit einer Ortsauflösung von 10 cm. Die Temperaturdaten werden in einer Datenbank gesammelt und dienen zur Kalibrierung und Verbesserung eines numerischen Modells des Untergrundes. Zusätzlich sind zwei Sonden mit einem Hybridkabel ausgestattet. Diese enthalten neben einer optischen Leitung auch einen Kupferkern und erlauben über das gemessene Aufheiz- und Abkühlverhalten die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes tiefenaufgelöst zu bestimmen. So lassen sich mögliche Grundwasserleiter identifizieren. Zusätzlich zu diesen Untergrundsensoren direkt an den Erdsonden wurde auch die Hydraulik mit Mess- und Regelungstechnik ausgestattet, um die Einbindung in das Heizungssystem zu überwachen und zu optimieren.

Die oben beschriebene installierte Aktorik ermöglicht im Feld verschiedene Betriebs­szenarien. Die hydrau­lischen Bedingungen des gesamten Feldes sind sowohl automatisiert über BACnet, als auch per Hand über eine Internet-Schnittstelle einstellbar. Das bedeutet, dass beispielsweise der Volumenstrom jeder Sonde auf einen vom Nutzer vorgegeben Wert geregelt werden kann oder auch ganze Feldbereiche abgeriegelt werden können. Durch Monitoring-Daten und DTS-Messungen im Feld wird es in Zukunft möglich sein, Abhängigkeiten der Sonden untereinander zu bewerten und somit geologisch fundierte neue Betriebsstrategien für EWS-Felder zu entwickeln. Durch die installierte Mess- und Regelungstechnik kann es gleichzeitig zu Forschungszwecken verwendet und zeitgleich flexibel in das aktuelle Energiekonzept des Gebäudes eingebunden werden.

  Simulation der Temperaturverteilung des EWS-Felds vom ERC Gebäude Urheberrecht: RWTH Aachen Arbeitsabfolge zur nachhaltigen Steuerung des Geothermiefeldes. Die extrapolierten Leistungsdaten des Geothermiefeldes (oben links) werden für die numerische Simulation der Temperaturverteilung im Geothermiefeld (unten rechts) genutzt

Um die Betriebsführung hinsichtlich einer nachhaltigen und langzeitlich optimierten Nutzung des Sondenfeldes zu gewährleisten, werden numerische Simulationen durchgeführt. Abbildung 1 zeigt eine Simulation der Temperaturverteilung des EWS-Felds mit Hilfe des Finite-Differenzen-Programm SHEMAT-Suite. Dabei werden die Daten der Wärmepumpe, bzw. der einzelnen Sonden, für Vor- und Rücklauftemperatur als Eingangsparameter zur Berechnung der Leistung und des Langzeitverhaltens des Sondenfeldes verwendet. Hierfür wird in einem semianalytischen Ansatz die Wärmebilanz einzelner EWS simuliert, ohne dass deren Geometrie im Gitter räumlich hoch-aufgelöst werden muss. Dies ermöglicht eine physikalisch korrekte aber geometrisch vereinfachte Simulation des gesamten Feldes. Dank der vorgestellten Methoden wird es möglich sein, das EWS-Feld des ERC im Detail zu simulieren.

Erforscht werden zudem die Unter­grund­beschaffenheit und Szenarien verschiedener Arten der Betriebs­führung für EWS-Felder. Die Einbin­dung des Feldes in das Energiesystem des Ge­bäu­des ge­schieht unter exergetischen Gesichts­punkten so­wie unter geophysischen Nachhaltig­keitsbetrach­tungen durch eine simulations­gestützte Betriebs­führung.

Fuetterer J., Constantin A., Mueller D. – “An energy concept for multifunctional buildings with geothermal energy and photovoltaic” – CISBAT international scientific conference 2011 - proceedings Vol.2 (pp. 695 – 701)