Praxisstudie, Potenziale und Chancen für Hessen

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1 Dialogforum Geothermie Chancen und Möglichkeiten Praxisstudie, Potenziale und Chancen für Hessen 11. Juni 2013 Regierungspräsidium Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik und des TU Darmstadt Energy Center, Technische Universität Darmstadt Dipl.-Ing. Frithjof Clauß Geschäftsführer TU Darmstadt Energy Center, Wissenschaftlicher Mitarbeiter Institut für Geotechnik Dipl.-Ing. Isabel M. Wagner Wissenschaftliche Mitarbeiterin Institut für Geotechnik Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Technische Universität Darmstadt TU Darmstadt Energy Center Petersenstraße Darmstadt Tel.: Fax: Mobil: katzenbach@geotechnik.tu-darmstadt.de Web: 1

2 Endenergieverbrauch nach Sektoren Deutschland 27% USA 28% 32% 44% TWh/a TWh/a 29% ca kwh/a pro Einwohner 40% ca kwh/a pro Einwohner Verkehr Industrie Gebäude (Haushalte, Gewerbe/ Handel/Dienstleist.) 2

3 Verteilung des Endenergieverbrauchs in Haushalten 3

4 Endenergieverbrauch nach Energieträgern 4

5 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center Geothermie Tiefe Geothermie Stromerzeugung Thermische Nutzung Oberflächennahe Geothermie Energiegewinnung Energiespeicherung 5 5

6 3D Temperaturmodell Karten der Untergrundtemperatur Fachgebiet Angewandte Geothermie Professor Dr. Ingo Sass, Dr. Kristian Bär 6

7 3D Temperaturmodell Karten der Untergrundtemperatur Fachgebiet Angewandte Geothermie Professor Dr. Ingo Sass, Dr. Kristian Bär 7

8 Hydrothermaler Potenzialschnitt West-Ost Fachgebiet Angewandte Geothermie Professor Dr. Ingo Sass, Dr. Kristian Bär 8

9 Tiefengeothermische Stromerzeugungspotenziale in Hessen Reservoirformation Mittlere Temperatur [ C] Volumen [km³] Therm. Energie [EJ] Verstrombarer Anteil [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [TWh] Rhenoherzynikum und Nördl. Phyllit- Zone (RH+NPZ) Mitteldeutsche Kristallinschwelle (MDKS) ,5 55, ,5 68, Buntsandstein 40,7 13,1 2,65 0,32 88 Rotliegend ,8 17,01 1, Durchschnittlicher Jahresstromverbrauch Deutschland: ca. 500 TWh im Jahr. Petrothermale Potenziale zur Stromerzeugung: 98,2% des tiefengeothermischen Gesamtpotenzials von Hessen. Hydrothermale Potenziale zur Stromerzeugung: 1,2% des tiefengeothermischen Gesamtpotenzial von Hessen. Fachgebiet Angewandte Geothermie Professor Dr. Ingo Sass, Dr. Kristian Bär 9

10 Baugrund als Energiespeicher Spezifische Wärmekapazität Wärmekapazität c p [J/(kg*K)] c p [Ws/(kg*K)] Stahlbeton Schamott Baugrund 10

11 Modellierung von Wärmetransportprozessen Konduktion Konvektion Dispersion zeitabh. Temperaturänd. Modellversuche mit Energiepfählen Wärmequellen Temperatur [ C] Radius [m] WTP = Nr. des Wärmetauschers 11 11

12 Hochhausprojekt PalaisQuartier in Frankfurt am Main 12

13 Hochhausprojekt PalaisQuartier in Frankfurt am Main Energiepfahlanlage 13

14 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Schnittdarstellung Deckelbauweise mit Gründung der Primärstützen und Bauwerkspfähle als Pfahlgründung in den Frankfurter Kalken Zeil-Galerie Auffüllung/ Quartär U- und S-Bahn Frankfurter Ton Frankfurter Kalke 14

15 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Grundriss Gründungspfähle bis 1,86 m, Länge bis 27 m 262 der 302 Gründungspfähle als Energiepfahl ausgeführt Verbaupfähle 1,5 m, Länge bis 38 m 130 der 543 Verbaupfähle als Energiepfahl ausgeführt (annähernd jeder zweite bewehrte Verbaupfahl) Insgesamt: 392 Energiepfähle 15

16 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Saisonaler Thermospeicher Leistung Gründungs- und Verbaupfähle [kw] max. Leistung: 913 kw Heizbetrieb: MWh/a Kühlbetrieb: MWh/a 16

17 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Energiepfähle: Einbau Installation Wärmeaustauscherrohre Einbau Primärstützen Installation Anbindung Geothermie 17

18 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main FE-Berechnungen Dreidimensionales FE-Modell Kantenlängen 305 m x 300 m x 60 m 1, Elemente Dreischichtmodell unbeeinflusste Untergrundtemperatur: 17 C Auffüllungen, Frankfurter Ton Frankfurter Kalke quartäre Sande und Kiese k xx = k yy = m/s m/s m/s k zz = m/s m/s m/s λ = 0,6 W/(m K) 1,2 W/(m K) 2,8 W/(m K) c = 1,5 MJ/(m³ K) 2,3 MJ/(m³ K) 2,9 MJ/(m³ K) 18

19 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Berechnungsergebnisse Vertikalschnitte Übergang Winter- Sommerbetrieb (nach 5 Kühlperioden) Schnitt A-A Unbeeinflusste GW-Strömung B A Schnitt B-B B A 19

20 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Berechnungsergebnisse Horizontalschnitt Frankfurter Kalke 250 [ C] Temperaturverteilung nach Winterbetrieb (nach 5 Kühlperioden) 250 Größte thermische Beeinflussung in Bereichen hoher Energiepfahldichte Größte Ausdehnung des thermisch beeinflussten Bereiches in Abstromrichtung 20

21 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Berechnungsergebnisse Temperaturverteilung außerhalb der Baumaßnahme Achse A Achse B Achse A Achse B Temperaturausbreitung stark von Grundwasserströmung beeinflusst In Frankfurter Kalken erst nach rd. 20 m Δt < 1 K 21

22 Hochhausprojekt PalaisQuartier Frankfurt am Main Berechnungsergebnisse Temperaturverteilung außerhalb der Baumaßnahme Achse A Achse B Achse A Achse B Nachbarschaftliche thermische Beeinflussung in urbanen Ballungsgebieten zunehmend von Bedeutung 22

23 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken Energieabsorber Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken als Energieabsorber zur saisonalen Energiespeicherung und Gebäudetemperierung Energieanker Spritzbeton Energieflies Innenschalen Absorbersystem im Fahrbahnbelag Winterdienst Nutzung geothermischer Energie zur Schneeund Eisfreihaltung von Verkehrsflächen 23

24 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken Straßenbau Schnee- und Eisfreihaltung von Straßen und Brücken Pilotprojekt SERSO an einer Brücke der Nationalstraße A8 am Thunersee, Schweiz 24

25 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken Straßenbau Die im Sommer gewonnenen Wärme wird im Fels neben der Brücke für den Winterbetrieb gespeichert Erschießung des Felsspeichers: 91 vertikale Erdwärmesonden L = 65 m Speichervolumen: rund m³ 25

26 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken F&E-Projekt QuaWiDiS Entwicklung eines neuen, qualifizierten Enteisungssystems für Bahnsteige unter Nutzung erneuerbarer Energien: QuaWiDiS F&E-Projekt gefördert durch das Bundesministerium für Forschung und Entwicklung Bundesministerium für Forschung und Entwicklung 26

27 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken F&E-Projekt QuaWiDiS Aufteilung des Testbahnsteigs in 3 Testfeldern (Variation: Schlaufenabstände und Oberflächenbelag) 3 Erdwärmesonden (PE-Doppel-U-Sonden, D = 32 mm, L = 100 m) Temperatur- Sensoren Verfüllung: Standarddämmer, Thermo-Spezialdämmer, schichtengerechte Verfüllung 27

28 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken F&E-Projekt QuaWiDiS 28

29 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken F&E-Projekt QuaWiDiS Winterbetrieb: Heizleistung Bahnsteig Segment 1 (Rohrabstand a = 10 cm, dunkel): 230 W/m² Segment 2 (Rohrabstand a = 10 cm, hell): 190 W/m² Segment 3 (Rohrabstand a = 15 cm, hell): 190 W/m² Entzugsleistung der Geothermiesonden (ohne Wärmepumpe) Sonde 1 (optimiertes Verpressmaterial) und Sonde 3 (Kies & Standardverfüllung) 20 W/m 25 W/m Sonde 2 (Standardverfüllung) 16 W/m 20 W/m 29

30 Geothermische Nutzung von Infrastruktur-Bauwerken F&E-Projekt QuaWiDiS Sommerbetrieb: Leistung Bahnsteig Segment 1 (Rohrabstand a = 10 cm, dunkel): 500 W/m² Segment 2 (Rohrabstand a = 10 cm, hell): 410 W/m² Segment 3 (Rohrabstand a = 15 cm, hell): 410 W/m² Übertragungsleistung der Geothermiesonden aufgrund des höheren Temperaturgradienten zwischen Platte und Baugrund erhöht sich die spezifische Übertragungsleistung der Sonden 30

31 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie [%] 70,0 Gründe für die Nutzung oberflächennaher Geothermie 66,1 60,0 59,3 50,0 40,0 44,1 39,0 30,0 20,0 10,0 11,9 10,2 10,2 10,2 1,7 0,0 Mehrfachnennungen waren möglich 31

32 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie 32

33 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie 33

34 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie Nutzung zur Kühlung erwogen? 25,4 1,7 % 16,9 ja zur Kühlung genutzt Anzahl an oberflächennahen Geothermiesondenanlagen, die auch zur Kühlung genutzt werden, ist erstaunlich hoch 55,9 nein k.a. ausfallfreier Betrieb? 1,7 % 20,3 große Anzahl an Anlagen mit ausfallfreiem Betrieb 78,0 ja k. A. nein 34

35 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie prozentualer Anteil der Sondenanlagen [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Verteilung der spezifischen Entzugsleistung (Design) spezifische Entzugsleistung [W/m] unter der Annahme einer mittleren Jahresarbeitszahl JAZ =

36 Erhebung zur Nutzung oberflächennaher Geothermie finanzielle Förderung 1,7 % 66,1 32,2 ja nein k.a. Weiterempfehlung einer Geothermiesondenanlage 5,1 1,7 1,7 % 28,8 62,7 ja eher ja eher nein nein k.a. 36

37 Praxisbeispiel Saisonaler Thermospeicher mit 45 Koaxialsonden mit 100m Länge Heizwärmebedarf des Gebäudes: kwh/a Kühlenergiebedarf des Gebäudes: kwh/a maximale Heizleistung: 250 kw Jahresarbeitszahlen: 4,0 im Heizbetrieb und 5,0 im Kühlbetrieb zusätzlicher Wärmeeintrag im Sommer durch eine Solaranlage erzielt eine nahezu ausgeglichene Energiebilanz Durchführung eines GRT als Dimensionierungsgrundlage 37

38 Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center Praxisbeispiel Grundwasserströmung Im Falle von Grundwasserströmung nimmt der thermische Einfluss auf die Umgebung in Abstromrichtung geringfügig zu, da die Wärme bzw. Kälte in diese Richtung abtransportiert wird: Eine vorhandene Grundwasserströmung kann die thermische Regeneration des Untergrundes deutlich verbessern. 38

39 Hierarchie der Schutzgüter Homogenisierung der Genehmigungspraxis Fortschreibung der Anforderungen an die Hierarchie der betroffenen Schutzgüter Nutzung unserer technischen Kompetenz zur unmittelbaren Reaktion auf die Folgen des Klimawandels Schutzgut Grundwasser Stabilität und Sicherheit Voraussetzung: Herstellungsqualität wie bei Trinkwasserbrunnen Ressourcen- und Energieeffizienz Kosteneffizienz 39

40 Europäische Netzwerke Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 40