Aufbau, Funktion und Potential von thermisch aktivierten Stahlspundwänden zur Erschließung des regenerativen Energiepotentials an offenen Gewässern

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1 Thermische Aktivierung von Stahl- und Wasserbauteilen Vortragsthema: Aufbau, Funktion und Potential von thermisch aktivierten Stahlspundwänden zur Erschließung des regenerativen Energiepotentials an offenen Gewässern SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. T. Semmling

2 Spundwandbauwerke mit energetischen Potential Stützwände SPS Energy GmbH Energiegewinnung durch thermische Aktivierung ohnehin geplanter Spundwandbauwerke SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. T. Semmling 2

3 Spundwandprofilreihen U-Profile Z-Profile SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. T. Semmling 3

4 Spundwandkombination Kombinationsmöglichkeiten SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. B. Semmling 4

5 Patentierung - Energiespundwand Sicherung + energetische Zusatzfunktion Patent: PCT/EP2011/

6 Szenario 1: einseitig Gewässer Spundwand vom Gewässer frei angespült 6

7 Szenario 2: beidseitig Erdreich Spundwand vom Grundwasser umspült 7

8 Umweltenergiepotenziale regenerative Wärme ist praktisch in beliebiger Menge vorhanden regenerative Wärme wird in Fließgewässern, durch Meeresströmungen und zirkulierendes Grundwasser transportiert Regeneration erfolgt aus eingestrahlter Sonnenenergie durch oberflächennaher Geothermie über die Luft und Niederschläge durch eingeleitete Prozesswärme SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. T. Semmling 8

9 Hochleistungs-Energiespundwand signifikante Steigerung des energetisches Potentials Wärmeleitfähigkeit λ von Wasser nur ca. 0,598 W m -1 K -1 Wärmekapazität C für Wasser = 4,187 KJ kg -1 K -1 Ergebnis - Wasser kann Wärme schlecht leiten, diese aber sehr gut speichern! - Zirkulierendes Wasser transportiert somit hohe spezifische Wärmekapazität! 9

10 Standardisierte Einbauverfahren bewehrte Spundwandtechnologie Profileinbau wirtschaftlich und hocheffizient schlagen pressen Energy GmbH vibrieren 10

11 Memleben - Löschwasserentnahmestelle Spundwand = statische + energetische Funktion 11

12 Einbau der Energiespundwand Einbau Stützwände durch SPS Energy GmbH Einbau mittels hochfrequenten Vibrator HVR 70 Larsen 22: L = 8,0 m Kollektorlänge: 7,0 m Spundwand: 48 qm 6 Energiespundwände 12

13 Anordnung der Kollektoren (optimierte Version) 13

14 Pilotanlage Anbindung an die Wärmepumpe Anordnung Messsonden Anbindung der Spundwand an die Wärmepumpe 14

15 Simulation Temperaturfeld Szenario 1: Uferspundwand - einseitig Wasser - - Berechnung nach EN ISO 6946 (2008) - HEAT2 Version Wärmeleitung (Konduktion) +konvektiver Wärmetransport durch zirkulierendes Wasser - Latente Wärme nicht berücksichtigt 15

16 Pilotanlage Winter Lufttemperatur: - 6 C Wassertemperatur: + 5,5 C Fluidtemperatur: - 5 C Entzugsleistung 12 Std. = 430 W je Meter Rohr! 16

17 Ergebnisse der thermischen Simulation 17

18 Kostenvergleich am Pilotobjekt (mit bzw. ohne Spundwand) Kostenkalkulation ohne Wärmepumpenanlage) WP = 8 KW (5,5 KW); 48 qm Kollektorfläche Kosten (netto) inkl. Profile ohne Profile Larssen 22 / 6,24 to ,00 Rohr + Zubehör 2.200, ,00 Ramm- und Erdarbeiten 2.735,00 Leitungsbau 2.687, ,00 Gesamtkosten = ,00 = 4.887,00 Spezifische Kosten pro KW installierte Leistung: = 1.576,75 /KW = 611 /KW 18

19 Systemkosten - Vergleich in Anlehnung an die VDI

20 Alleinstellungsmerkmale Thermische Aktivierung ohnehin geplanter Bauwerke erhebliche Reduzierung der Investitionskosten großflächige Bauwerke Zunehmende Verbreitung thermo-aktiver Bauteile insbesondere von Spundwandbauwerken Zukunftsträchtige Möglichkeit Große flächige Stahlbauteile deutlich gesteigerte Wirtschaftlichkeit gegenüber Beton aktivierten Systemen großtechnische Anwendung im strömenden Wasser und Grundwasser = signifikante Steigerung des energetisches Potentials! zusätzlicher konvektiver Wärmetransport über das Stahlbauteil 20

21 Potential - Deichkörper = sichernde + energetische Funktion Deichkörper Stützwände HWS-Anlagen Spundwand = statische Funktion + energetische Funktion z. B. HWS der Stadt Köln ca. 2x 30 km an beiden Rheinufern bzw qm Rammprofile mit 10 % Energiespundwand und 150 W/qm > 4,1 MW möglich 21

22 Potential - Uferspundwand = statische + energetische Funktion 22

23 Potential - tiefer Dichtwände = statische + dichtende + energetische Funktion Tiefgarage Stützwände für Bundesverwaltungsgericht in Leipzig qm Spundwand mit 10 % SPS-Sonden > 630 KW möglich Heizungskeller für Fachhochschule in Köln qm Spundwand mit 10 % SPS-Sonden > 330 kw möglich SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. T. Semmling 23

24 Energiespundwand Kombinationsvarianten der Anbindung 24

25 Ungenutzte Bauwerkspotenziale Carmel Port, Haifa HWS-Anlagen Projekt, Köln Valencia, America s Cup Offshor Kasachstan Bau eines neuen Containerterminal Volumen: t Rammprofile, ca qm 72 MW Kollektorleistung bei 500 W/qm 2 x 30 km HWS-Deiche am Rheinufer Volumen: t Rammprofile, ca qm 41 MW Kollektorleistung bei 150 W/qm Umbau d. alten Hafen zum AC-Jachthafen Volumen: t Rammprofile, qm 14 MW Kollektorleistung bei 500 W/qm Künstliche Bohrinseln für Öl + Gas Kofferdämme aus 2 Spundwandreihen Spundwandlänge ca m aus qm 10 MW Kollektorleistung bei 500 W/qm 25

26 Systemvorteile der Energiespundwand Thermische Aktivierung und Doppelnutzung geplanter Stahlbauwerke An Fließgewässern, im Grundwasserbereichen und innerstädtisch einsetzbar Durch modularen Aufbau tausende Quadratmeter Kollektorfläche möglich Standardisierte Einbringverfahren (rammen, vibrieren, pressen) Keine bergrechtliche Erlaubnis erforderlich kalkulierbares Baugrundrisiko, denn keine Bohrrisiken Keine wassergefährdenden Bohrsuspensionen oder Zementschlemme Keine Durchörterung von Grundwasserhorizonten Höchste Effizienz aller erdgekoppelten Geothermiesonden Entsprechen dem internationalen Gütesigel für Erdwärmesonden Kostengünstiger und schneller Einbau innerhalb von Stunden möglich Kein verpressen erforderlich, da die Spundwände ohnehin thermisch optimal eingebettet werden Optimale Langzeitstabilität und Lebensdauer Regeln und Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen (EAU) werden durch Energiespundwände in keiner Weise eingeschränkt. Vollständiger Rückbau im Bedarfsfall möglich SPS Energy GmbH, Dipl. Ing. BT Semmling 26

27 Planungskriterien nach VDI 4640 Blatt 2 Ziffer und Anlagen 30 KW - kann eine Auslegung anhand von spezifischen Entzugsleistungen nach Tabelle 2 erfolgen Anlagen > 30 KW - bei größerer Anzahl von Einzelanlagen - bei Anlagen mit mehr als Jahresbetriebsstunden - bei Anlagen mit einer zusätzlichen Wärmequellensenke (z.b. Kühlung) - WP-Gesamtheizleistung > 30 KW Muss die korrekte Anlagenauslegung durch Berechnung nachgewiesen werden! 27

28 Probleme in der Praxis Planer (Antragsteller) kennen oft nicht: - die geologische Eignung der Baugrundverhältnisse - die wasserrechtliche Lage - Anstehende Grundwasserhorizonte und deren Permeabilität - nötige Dimensionierung der Energiespundwand Untere Wasserbehörde: - muss innerhalb kurzer Zeit prüfen - wasserrechtliche Erlaubnis mit Nebenbestimmungen als Teil der Baugenehmigung entwerfen Fehlerhafte Planungen führen zu Haftung der Planer/Behörden! 28

29 Verbundforschungsvorhaben 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung Thema: EnEff:Wärme: Monitoring eines Pilotprojekts als Grundlage zur Auslegung und Bemessung von thermisch aktiven Spundwänden Ziel des Vorhabens - Ermittlung von repräsentativen Kennwerten zur Entzugsleistung - Erstellung eines Planungswerkzeugs zur Dimensionierung - Bewertung möglicher Einsatzszenarien (Heiz- und Kühlbetrieb) - Ableitung von Handlungs- bzw. Einsatzempfehlungen 29

30 Forschungspartner Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen (RWTH Aachen) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Ziegler David Koppmann M. Sc Dipl.-Ing. Torsten Semmling Mies-van-der- Rohe-Str Aachen Industriepark Horhausen Dr. rer. nat. Renate Pechnig Dr. rer. nat. Darius Mottaghy Lütticher Str Aachen 30

31 SPS-Energiespundwand 31

32 Dankeschön für Ihre Aufmerksamkeit Koppmann Semmling Pechnik 32