Techno-economic feasibility analysis of low-temperature geothermal heating and cooling

Machbarkeitsanalysen in der frühen Phase der Projektentwicklung sind entscheidend für einen reibungslosen Planungsprozess und tragen maßgeblich zu einer erfolgreichen Umsetzung von oberflächennahen geothermischen (ONG) Systemen zur Wärme- und Kälteversorgung bei. Obwohl die Versorgungssicherheit und Betriebseffizienz der ONG hinreichend demonstriert ist, wird eine weite Marktverbreitung noch immer durch hohe Anfangsinvestitionen, standortspezifische und komplexe Planungsverfahren sowie konventionelle Technologien, die sich meist durch einfachere Planung und Nutzung auszeichnen, erschwert. Daher sind umfassende Machbarkeitsanalysen, die sowohl wirtschaftliche als auch technische Aspekte berücksichtigen, nicht nur entscheidend, um eine schnelle Projektentwicklung zu ermöglichen, sondern auch, um Kunden und Entscheidungsträgern die wirtschaftlichen Vorteile und technischen Möglichkeiten aufzuzeigen. Trotz der erfolgreichen Umsetzung einiger Best-Practice-Beispiele der ONG für die Versorgung großer industrieller, gewerblicher oder öffentlicher Einrichtungen fehlt es an Wissenstransfer hinsichtlich koordinierter Standortcharakterisierung und erfolgreicher Projektentwicklung. Darüber hinaus ist nur wenig über den tatsächlichen Wärme- und Kältebedarf von Gebäuden und die damit verbundenen Versorgungskosten bekannt, was nicht nur den Nachweis der wirtschaftlichen Vorteile von ONG-Systemen erschwert, sondern auch den gesamten Projekterfolg gefährdet. Um diesen Unzulänglichkeiten zu begegnen und den erforderlichen Umfang einer ganzheitlichen und fundierten technisch-wirtschaftlichen Machbarkeitsanalyse (TWM) großer ONG-Systeme aufzuzeigen, werden in dieser Arbeit einzelne Stufen der TWM an ausgewählten Standorten mit vier verschiedenen Ansätzen analysiert. In Studie 1 wird ein einfacher Ansatz zur Ermittlung des Kühlbedarfs von Gebäuden vorgestellt, indem die installierten Kühlleistungen von Kompressionskältemaschinen anhand von Luftbildern quantifiziert werden. Dies wird am Campus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Berücksichtigung von 36 luftgekühlten Kältemaschinen mit einer installierten Gesamtkühlleistung von 16 MW demonstriert. Mit zunehmender Leistung werden verbesserte Genauigkeiten von bis zu 85 % erzielt, was auf eine bessere Eignung der Methodik für Großanlagen hinweist. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Studie 1 wird in Studie 2 die aktuelle Kälteversorgung am Campus Nord weiter analysiert und der Kältebedarf von 23 Campusgebäuden sowie die damit verbundenen Versorgungskosten untersucht. Diese Studie wird im Hinblick auf den beabsichtigten Übergang von der aktuellen dezentralen Kälteversorgung mittels Kältemaschinen zu einem zukunftsfähigen Kältenetz, das durch erneuerbare Kältequellen gespeist werden soll, durchgeführt. Da die erhaltenen Parameter mit Unsicherheiten behaftet sind, wird eine Monte Carlo Simulation durchgeführt, die Kühlkosten zwischen 5,4 und 11,4 Eurocent pro kWh offenbart. Die kumulierten jährlichen Kosten aller betrachteten Gebäude, die hauptsächlich aus den Stromkosten für den Betrieb der Kältemaschinen resultieren, liegen bei 4,5 Mio. € und fordern einen schnellen Umstieg zu einer dezentralen und effizienteren Kälteversorgung durch die Integration von erneuerbaren Kälteversorgungslösungen. Die ganzheitliche Analyse der aktuellen Kälteversorgung erleichtert die Diskussion über weitere Optimierungsmaßnahmen und ermöglicht ein Benchmarking mit anderen Universitäten und Einrichtungen, in denen Kältenetze bereits erfolgreich betrieben werden. Studie 3 analysiert die Wirtschaftlichkeit der ONG unter Berücksichtigung der Investitions- und Betriebskosten am Beispiel eines potenziellen Aquiferspeichers (ATES) zur Wärme- und Kälteversorgung eines spezifischen Gebäudes des Städtischen Klinikums in Karlsruhe, Deutschland. Die ermittelten Investitionskosten beziffern sich auf 1,3 Mio. €, wobei die unterirdischen Installationen mit 60 % den größten Kostenanteil ausmachen. Eine Kosten-Nutzen-Analyse zwischen dem betrachteten ATES und der aktuellen Versorgungstechnologie bestehend aus Kompressionskältemaschinen und Fernwärme zeigt eine Amortisationszeit des ATES-Systems von ca. 3 Jahren. Die effizienteste aller Versorgungsoptionen ist die direkte Kühlung des Gebäudes mittels ATES, was zu einer Stromkostenreduktion von 80 % führt. Darüber hinaus ermöglicht das ATES-System eine CO2-Einsparung von ca. 600 Tonnen pro Jahr, wodurch die potentiellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Technologie verdeutlicht werden. Diese Analyse adressiert das fehlende Bewusstsein für ATES im Allgemeinen und das damit verbundene wirtschaftliche Potenzial im Besonderen, um die ATES Nutzung speziell in Deutschland zu fördern, wo die Technologie den Wärmemarkt bislang noch nicht durchdrungen hat. Da die Verlässlichkeit von gemessenen Untergrundparametern während der Erkundungsphase sich auf die Auslegung und Wirtschaftlichkeit eines ONG-Systems auswirkt, wird in Studie 4 eine ganzheitliche Analyse von Fehlern und Unsicherheiten im Zusammenhang mit kabellos durchgeführten Temperaturmessung vorgenommen. Die auftretenden Fehler werden im Labor ermittelt und anschließend auf vertikale Profile der ungestörten Untergrundtemperatur übertragen, die an einer Erdwärmesonde aufgenommen wurden. Die ermittelte Präzision von 0.011 K und Genauigkeit von -0.11 K gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit der Messungen. Die größte Unsicherheit ergibt sich innerhalb der ersten fünf Meter und resultiert aus der thermischen Zeitkonstante von 4 s. Das schnelle und komfortable Messverfahren führt zu Vorteilen gegenüber herkömmlichen Glasfasermessungen, deren aufgezeichnete Temperaturprofile am Standort als qualitativer Vergleich dienen. Diese Studie soll das Bewusstsein für die Bedeutung einer detaillierten Exploration als Teil einer ganzheitlichen Machbarkeitsanalyse von SGE im Allgemeinen schärfen und speziell zur Weiterentwicklung der kabellosen Messtechnik beitragen

Techno-economic and environmental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Abstract The objective of the present study is to analyse the economic and environmental performance of ATES for a new building complex of the municipal hospital in Karlsruhe, Germany. The studied ATES has a cooling capacity of 3.0 MW and a heating capacity of 1.8 MW. To meet the heating and cooling demand of the studied building, an overall pumping rate of 963 m3/h is required. A Monte Carlo Simulation provides a probability distribution of the capital costs of the ATES with a mean value of 1.3 ± (0.1) million €. The underground part of the ATES system requires about 60% of the capital costs and therefore forms the major cost factor. In addition, the ATES is compared with the presently installed supply technology of the hospital, which consists of compression chillers for cooling and district heating. Despite the 50% higher capital costs of the ATES system, an average payback time of about 3 years is achieved due to lower demand-related costs. The most efficient supply option is direct cooling by the ATES resulting in an electricity cost reduction of 80%. Compared to the reference system, the ATES achieves CO2 savings of about 600 tons per year, hence clearly demonstrating the potential economic and environmental benefits of ATES in Germany

Techno-economic and environmental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Abstract The objective of the present study is to analyse the economic and environmental performance of ATES for a new building complex of the municipal hospital in Karlsruhe, Germany. The studied ATES has a cooling capacity of 3.0 MW and a heating capacity of 1.8 MW. To meet the heating and cooling demand of the studied building, an overall pumping rate of 963 m3/h is required. A Monte Carlo Simulation provides a probability distribution of the capital costs of the ATES with a mean value of 1.3 ± (0.1) million €. The underground part of the ATES system requires about 60% of the capital costs and therefore forms the major cost factor. In addition, the ATES is compared with the presently installed supply technology of the hospital, which consists of compression chillers for cooling and district heating. Despite the 50% higher capital costs of the ATES system, an average payback time of about 3 years is achieved due to lower demand-related costs. The most efficient supply option is direct cooling by the ATES resulting in an electricity cost reduction of 80%. Compared to the reference system, the ATES achieves CO2 savings of about 600 tons per year, hence clearly demonstrating the potential economic and environmental benefits of ATES in Germany

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (> 50 °C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen.Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-WürttembergKarlsruher Institut für Technologie (KIT) (4220

Aquiferspeicher in Deutschland

<jats:title>Zusammenfassung</jats:title><jats:p>Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (> 50 °C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen.</jats:p&gt

Aquiferspeicher in Deutschland = Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (>50°C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen

Risk analysis of High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES)

The storage of heat in aquifers, also referred to as Aquifer Thermal Energy Storage (ATES), bears a high potential to bridge the seasonal gap between periods of highest thermal energy demand and supply. With storage temperatures higher than 50 °C, High-Temperature (HT) ATES is capable to facilitate the integration of (non-)renewable heat sources into complex energy systems. While the complexity of ATES technology is positively correlated to the required storage temperature, HT-ATES faces multidisciplinary challenges and risks impeding a rapid market uptake worldwide. Therefore, the aim of this study is to provide an overview and analysis of these risks of HT-ATES to facilitate global technology adoption. Risk are identified considering experiences of past HT-ATES projects and analyzed by ATES and geothermal energy experts. An online survey among 38 international experts revealed that technical risks are expected to be less critical than legal, social and organizational risks. This is confirmed by the lessons learned from past HT-ATES projects, where high heat recovery values were achieved, and technical feasibility was demonstrated. Although HT-ATES is less flexible than competing technologies such as pits or buffer tanks, the main problems encountered are attributed to a loss of the heat source and fluctuating or decreasing heating demands. Considering that a HT-ATES system has a lifetime of more than 30 years, it is crucial to develop energy concepts which take into account the conditions both for heat sources and heat sinks. Finally, a site-specific risk analysis for HT-ATES in the city of Hamburg revealed that some risks strongly depend on local boundary conditions. A project-specific risk management is therefore indispensable and should be addressed in future research and project developments

Environmental impacts of aquifer thermal energy storage (ATES)

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) is an open-loop geothermal system allowing long-term storage of thermal energy in groundwater. It is a promising technology for environmentally friendly energy generation that can reduce greenhouse gas (GHG) emissions. In the literature, there are few studies on the greenhouse gas emissions caused by ATES systems over their entire life cycle. Thus, this study presents a novel life cycle assessment (LCA) regression model that can be used for a wide range of ATES configurations due to its parametric structure. This model is a fast alternative to conventional time-consuming LCAs. Combined with a Monte Carlo simulation, it enables the analysis of the environmental impacts of a large variety of hypothetical ATES systems and therefore the evaluation of the technology as a whole. Compared to conventional heating systems based on heating oil and natural gas, the median value of the Monte Carlo simulation results in GHG savings of up to 74%. In comparison to cooling techniques using today\u27s electricity mix, ATES can save up to about 59% of GHG emissions, while also being economically competitive. When considering a projected electricity mix for the year 2050, the GHG emission savings resulting from a second LCA regression model are as high as 97%. The findings of our sensitivity analysis show which ATES design parameters should be optimized when planning new systems. In particular, the most important design parameters operating time cooling and coefficient of performance (COP) of the heat pump should be carefully considered

Geothermische Speicherung in Baden-Württemberg

Im Rahmen des Forschungsvorhabens GeoSpeicher.bw wurden mehrere Demostandorte in Baden-Württemberg intensiv durch die Projektpartner untersucht bzw. begleitet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass bestehende Geothermieanlagen gut funktionieren und durch den Betrieb auch klimaschädliche Gasemissionen eingespart werden können. Leider konnte im Rahmen des Vorhabens kein Demoprojekt für einen Aquiferspeicher am städtischen Klinikum Karlsruhe oder auch am Campus Nord des Karlsruhe Instituts für Technologie (KIT) trotz des Nachweises der effektiven Kostenersparnisse und CO2-Einsparungen verwirklicht werden. Sollte sich die Aquiferspeichertechnologie in Baden-Württemberg etablieren, müsste unbedingt ein Demoprojekt für einen flachen Niedrigtemperatur-Aquiferspeicher entwickelt und gefördert werden. Die Rahmenbedingungen für solch einen Aquiferspeicher wären am Campus Nord grundsätzlich gegeben. Dieser Nachweis wurde durch zahlreiche Untersuchungen im Rahmen von GeoSpeicher.bw eindeutig erbracht