11. Biberacher Geothermietag am 23. Oktober 2014

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Eike Bäcker
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thermisches Management? Dr. Rainer Klein, boden & grundwasser GmbH, Amtzell Dr.

Rolf Schrodi, Stefan Kopp, Henke und Partner GmbH, Stuttgart Verfahren Thermische Nutzung von Grundwasser

0,25 m³/h pro kw Kälteleistung) - keine störenden GW-Inhaltsstoffe - geringer GW-Flurabstand (max. ca.

1 11. Biberacher Geothermietag am 23. Oktober 2014 Auswirkungen der thermischen Nutzung des Grundwassers im Stadtgebiet Biberach: Brauchen wir ein thermisches Management? Dr. Rainer Klein, boden & grundwasser GmbH, Amtzell Dr. Hermann Schad, IMES GmbH, Wangen Prof. Rolf Schrodi, Stefan Kopp, Henke und Partner GmbH, Stuttgart Verfahren Thermische Nutzung von Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen Voraussetzungen: - ausreichende Ergiebigkeit (ca. 0,25 m³/h pro kw Kälteleistung) - keine störenden GW-Inhaltsstoffe - geringer GW-Flurabstand (max. ca m) - hydrogeologische Kenntnisse (Fließrichtung, etc) Vorteile: - vergleichsweise niedrige Investitionskosten - hohe Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe Nachteile: - ggf. aufwendige Voruntersuchungen notwendig - Fündigkeitsrisiko - Betrieb nicht wartungsfrei - Platzbedarf Förderbrunnen GW-Fließrichtung Schluckbrunnen

2 Planung, Pumpversuch Pumpversuch Durchführung Erfassung von: Pumprate Absenkung, Wiederanstieg Grundwasserinhaltsstoffe Grundwassertemperatur Planung, hydraul. Parameter Pumpversuch-Ergebnisse Absenkungsverlauf Ergiebigkeit Hydraulische Parameter Grundwasserinhaltsstoffe Grundwassertemperatur

3 Planung, GW-Chemismus Planung, Grundwasserdaten Natürliche Schwankung von Grundwasserstand und Grundwassertemperatur

Genehmigungsauflagen Wasserrechtsantrag notwendig Verfahrensablauf beim Bau einer GW-Wärmepumpenanlage darin enthalten: Aussagen über Auswirkungen der Grundwasserabsenkung und -aufhöhung insbesondere

000 kwh Randbedingungen / Parameter Q 0,00023 m 3 /s Q * T 79,488 K*m 3 /d T 4 K vf 0,00001 m/s kf 0,01 m/s va 5,76 m/d grad(h) 0,001 - va * L 5,76 m 2 /d nf 0,15 - b 1,92 m m 12 m L 1 m T 0,1 m

Ausdehnungen der Isothermen in x-richtung x = 5 m (3K) x = 11 m (2K) x = 46 m (1K) 2D Temperaturfeld 0 19 38 57 76 95 2,5 x [m] 2 1,5 1 0-12,5-7,5-2,5 2,5 7,5 12,5 y [m] Temperaturprofil bei y = 0 m

4 Genehmigungsauflagen Wasserrechtsantrag notwendig Verfahrensablauf beim Bau einer GW-Wärmepumpenanlage darin enthalten: Aussagen über Auswirkungen der Grundwasserabsenkung und -aufhöhung insbesondere auf die Bebauung Temperaturfeldberechnung im Abstrom der Brunnenanlage Temperaturfeldberechnung für Anlagen bis kwh Randbedingungen / Parameter Q 0,00023 m 3 /s Q * T 79,488 K*m 3 /d T 4 K vf 0,00001 m/s kf 0,01 m/s va 5,76 m/d grad(h) 0,001 - va * L 5,76 m 2 /d nf 0,15 - b 1,92 m m 12 m L 1 m T 0,1 m Ausdehnung R 3 - T [ C] x [m] y [m] y 0,1 m t d ,8 T [ C] Temperaturprofile bei den max. Ausdehnungen der Isothermen in x-richtung x = 5 m (3K) x = 11 m (2K) x = 46 m (1K) 2D Temperaturfeld ,5 x [m] 2 1, ,5-7,5-2,5 2,5 7,5 12,5 y [m] Temperaturprofil bei y = 0 m nach Tagen 5 4 0,5 0-0,5-1 T [ C] 3 2-1,5-2 -2,5 y [m] 1 K Isotherme 2 K Isotherme 3 K Isotherme Wichtig! 20 Erst ab einer Entfernung von x = 20 m vom Brunnen beträgt der Fehler weniger als 1% gegenüber der exakten Lösung. Es treten Fehler im 2D Temperaturfelddiagramm auf, wenn 251 * y kleiner als die Breite der 1K Isothermen ist x [m] Berechnung mit GWP_SF Version: 09.05

5 Geologie Modellraum Geologische Karte von Baden-Württemberg, M 1:25.000, Blätter 7924 Biberach a.d.r. Süd und 7824 Biberach a.d.r. Nord, LGRB Baden-Württemberg Modellraum Aufschlüsse Untergrundaufbau Aquifermächtigkeiten Grundwasserstände

6 Modellraum Aquifermaterial Modellraum Aquifermaterial

7 Modellraum Aquifermaterial Kornsummenkurven Aquifer-Zusammensetzung: überwiegend Feinsand - Grobkies Modellraum GW-Ganglinien Schwankungsbreite insgesamt : < 1 m 95% der Werte: Schwankungsbreite 40 cm 68% der Werte: Schwankungsbreite 20 cm

8 Modellraum Eichung gemessene berechnete Grundwasserstände Grundwasserstände Räumliche Verteilung der kf-werte (in m/s) 0,0035 0, ,0042 0, , ,003 Modellraum Randbedingungen Aktiver Modellbereich entlang des Rißtales, Inneren und äußere Randbedingungen Beobachtungsmessstellen

9 Modell-Eingabeparameter Simulation z.t. komplexer Förderszenarien Modellergebnisse Hydraulische Auswirkungen Strömungszustand und Bahnlinien Ende September (Q = +/- 18 l/s) Strömungszustand und Bahnlinien Ende September (Q = +/- 25 l/s)

Entnahme und Wiedereinleitung von 25 l/s

10 Modellergebnisse Ausbreitung einer Wärmefahne im Grundwasser für dauerhafte Entnahme und Wiedereinleitung von 25 l/s Nach 3 Jahren Nach 6 Jahren Modellergebnisse Ausbreitung einer Wärmefahne im Grundwasser für dauerhafte Entnahme und Wiedereinleitung von 25 l/s T-OBS-6 T-OBS-5 T-OBS-4 Nach 10 Jahren Temperaturganglinien an Messstellen

Modellergebnisse Ausbreitung einer Wärmefahne im Grundwasser für dauerhafte Entnahme und Wiedereinleitung von 25 l/s T-OBS-6 T-OBS-5 T-OBS-4 Nach 10 Jahren

11 Modellergebnisse Ausbreitung einer Wärmefahne im Grundwasser für dauerhafte Entnahme und Wiedereinleitung von 25 l/s T-OBS-6 T-OBS-5 T-OBS-4 Nach 10 Jahren Temperaturganglinien an Messstellen Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen am Ende Kühlperiode (Ende September) mit Q = 15,35 l/s

12 Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen Ende Oktober (nach einem Monat Heizen mit Q = 3,3 l/s) Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen Ende Februar (nach weiteren zwei Monaten Heizen mit Q = 7,8 l/s)

Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen Ende Juni (nach zwei Monaten Kühlen mit Q = 5,5 l/s)

13 Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen Ende Juni (nach zwei Monaten Kühlen mit Q = 5,5 l/s) Modellergebnisse Wärme- und Kältefahnen im Grundwasser Innenstadt Biberach Nach 10 Jahren: Wärmefahnen Ende September (nach drei Monaten Kühlen mit Q = 15,35 l/s) Ausgangszustand

Modellergebnisse Temperaturganglinien an GW-Messstellen im nahen und weiteren Abstrom Phasenverschiebung der Temperaturganglinie im weiteren Abstrom Schlussfolgerungen Optimierung der

14 Modellergebnisse Temperaturganglinien an GW-Messstellen im nahen und weiteren Abstrom Phasenverschiebung der Temperaturganglinie im weiteren Abstrom Schlussfolgerungen Optimierung der Prognosefähigkeit des GW- Modells durch Einbeziehung weiterer GW-Nutzungen Einbeziehung der Ergebnisse weiterer hydraul. Parameter (kf-werte) Einbeziehung weiterer Bohrdaten Einbeziehung von Pegeldaten / Abflußmessungen der Riß Einbeziehung von Temperaturmessungen Instationäre Eichung des GW-Strömungsmodells (Simulation von Pumpversuchen)

15 Schlussfolgerungen Thermisches Management ist notwendig da: Grundwassertemperaturen signifikant verändert werden Flächige Ausbreitung von Temperaturanomalien Grundwassernutzungen sich gegenseitig beeinflussen Einzelbetrachtungen in Ballungsräumen problematisch sind Thermisches Management ist nach unserer Auffassung ohne das Zusammenführen von Informationen über GW-Nutzungen, geol. und hydrogeologischen Informationen sowie den Aufbau von Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodellen nicht durchzuführen. Wer trägt den entsprechenden Aufwand? Dank Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Landratsamt Biberach, Herrn Egger Regierungspräsidium Tübingen Gernot Karch, Hydrotest Karch Auftraggeber der Modellberechnungen

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