Direkte Nutzung des Grundwassers - Nutzung oberflächennaher hydrothermaler Systeme

Transkript

1 Direkte Nutzung des Grundwassers - Nutzung oberflächennaher hydrothermaler Systeme Grundlagen der geothermischen Brunnenlösungen Dipl.-Geol. Marc Ludewig Angewandte Geowissenschaften - Hydrogeologie KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Definition hydrothermale Nutzung Grundwasserwärmenutzung Kalte Nahwärme Geothermische Brunnenlösung Hydrothermale Wärmenutzung Grundwasser Fernwärmenutzung Open loop system Shallow geothermal district heating

3 Verschiedene Nutzungsmöglichkeiten der Erdwärme Grundwasserwärmenutzung in den Bereichen 5-20m, bzw C (Quelle: S. Cattin, CREGE)

4 Oberflächennahe Einflussfaktoren Bis 10-20m Temperatur durch klimatische Parameter beeinflusst Jahreszeiten Niederschlag Wärmefluss von geringer Bedeutung Absorbierte Wärmeenergie der Sonne T ~8-12 C

5 Thermische Nutzung des Grundwassers Direkte Nutzung von flachen Grundwasservorkommen Offener Wirkungskreis ( open loop ) Brunnen oder Oberflächengewässer Entnahme aus Aquifer (z.b. ~10 C ), Abkühlung durch Wärmepumpen (z. B. 5 C) Bilanztreue Wiederversickerung Wasser als Wärmetauscherflüssigkeit direkt im System Eventuelle Speicherung von Wärme im Aquifer, insbesondere über längere Zeiträume

6 ~10 C ~5 C Entnahmebrunnen Infiltrationsbrunnen Grundwasserkreislauf der Wärmenutzung Direkte Nutzung des Grundwassers über Entnahme- & Infiltrationsbrunnen (Quelle: Eberhard & Partner AG)

7 Geothermische Brunnenlösungen Closed-loop ground-coupled & open-loop höchste Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit bei Klimaanlagen System mit/ohne Wärmepumpe Etabliert im Bereich der erneuerbaren Energien Verwendung Skala von Haushalten/Häusern - Wohnanlagen Direkte GW-Nutzung vorteilhafter bei entsprechenden Aquiferen Keine Gefahrenstoffe im Fluid Hoher Bedarf an Wasser (>1000m³/d) 0,25m³/kW Verdampferleistung Detailliertere Planung aufgrund Einfluss auf Umwelt Jahreszeitliche Schwankungen Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

8 Innovation Umsetzung der Versorgung ganzer Wohnanlagen, bzw. Neubaugebiete mit (semi)zentralisierten Wärmepumpensystemen (möglichst kleine) Anzahl von Brunnen versorgen eine große Anzahl von Wohneinheiten mit Grundwasser einer konstanten Temperatur Jede Wohneinheit besitzt jeweils eine Wärmpumpe Grundwasserkreislauf für >1 Wohneinheiten. Verteilung erfolgt gleichmäßig über technische Lösungen Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

9 Geothermische Brunnenlösungen Closed-loop ground-coupled & open-loop höchste Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit bei Klimaanlagen System mit/ohne Wärmepumpe Etabliert im Bereich der erneuerbaren Energien Verwendung Skala von Haushalten/Häusern - Wohnanlagen Direkte GW-Nutzung vorteilhafter bei entsprechenden Aquiferen Keine Gefahrenstoffe im Fluid Hoher Bedarf an Wasser (>1000m³/d) 0,25m³/kW Verdampferleistung Detailliertere Planung aufgrund Einfluss auf Umwelt Jahreszeitliche Schwankungen Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

10 Geothermische Brunnenlösungen Geothermische Energie für Heiz- & Kühlzwecke Grundwasser als Wärmequelle im Winter Wegen Umweltauswirkungen Abkühlung nicht >6K (VDI) Grundwasser als Wärmesenke zur Kühlung, insbesondere Raumkühlung Kühlung von Fertigungs- und Produktionsprozessen Große Flächen zum Wärmeaustausch notwendig

11 Direkte Nutzung ohne Wärmepumpe Brunnen, Pumpen, Wärmeüberträger Wasserentnahme - Wärmeentname oder -zuführung - Wassereinspeisung Hohe Energieeinsparung, da nur Antriebsenergie für Pumpen Brunnenanlagen erforderlich (mind. 2 Brunnen) Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig Aufgrund geringer Temperaturdifferenz entsprechend hoher Wasserdurchsatz Brunnen in richtiger Position, Vermeidung thermischen Kurzschluss Thermische Rückwirkung auf Förderbrunnen (in Theorie) erst nach 30 Jahren (VDI 4640) Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

12 (Grundwasser)-Wärmepumpen Grundwasserwärmepumpe mit Speicher (Quelle: Ingenieurbüro Zoller)

13 Wärmepumpe Bidirektional Im Winter: Extraktion der thermischen Energie aus dem Untergrund und Transferierung in die Luft des Gebäude; fungiert somit als Heizung Im Sommer: Extraktion der thermischen Energie aus der Luft des Gebäudes und Transferierung in den kühleren Untergrund; fungiert als Klimaanlage Kühlung & Erwärmung benötigen Energie Wärmepumpen verbrauchen eher Energie Energieverbrauch deutlich geringer als herkömmliche Klima- oder Heizungsanlage (30-70 %) Funktioniert über längere Zeiträume aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität des Untergrundes Fast keine Wärmeveränderung des Untergrundes Hauptnachteil hohe Abschaffungskosten

14 Wärmepumpen Schema Heizanlage mit Grundwasser- Wärmepumpe (Quelle: VDI 4640) Prinzip der Wärmepumpe (Quelle: glaeser-geothermie) Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

15 Schema des Wärmepumpenkreislaufs Umweltministerium BW

16 Wärmepumpe mit Erdwärmesonden und - kollektor

17 Hydraulische & Hydrochemische Parameter 1kW thermische Leistung = Förderleistung 0,3 m³/h erforderlich Leistung über Pumpversuche nachzuweisen Laut VDI werden Aufschlussbohrungen empfohlen Grundwasserqualität hat erheblichen Einfluss Besondere Vorsichtsmaßnahmen für sauerstofffreie Grundwässer mit niedrigen Redox-Potential Eisen/Mangan-Verockerung Fällung von Fe-Mn-Oxiden/Hydroxiden Grundwasser sollte im gesamten Kreislauf nicht mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen (geschlossenes System unter Überdruck) Wasserinhaltsstoffe erhöhen Korrosionsgefahr bei metallischen Werkstoffen Grundwasser ist entsprechend DIN zu untersuchen Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

18 Grundwasserqualität Eisengehalte im Grundwasser beeinflussen die Wahrscheinlichkeit zur Verockerung und damit Verstopfung in den Brunnen, Grenzwert liegt bei 0,2 mg/l (Quelle: LGRB) Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

19 Verockerung von Pumpen Quelle: Flowserve

20 Hydraulische & Hydrochemische Parameter 1kW thermische Leistung ist Förderleistung 0,3 m³/h erforderlich Leistung über Pumpversuche nachzuweisen Laut VDI werden Aufschlussbohrungen empfohlen Grundwasserqualität hat erheblichen Einfluss Besondere Vorsichtsmaßnahmen für sauerstofffreie Grundwässer mit niedrigen Redox-Potential Eisen/Mangan-Verockerung Fällung von Fe-Mn-Oxiden/Hydroxiden Grundwasser sollte im gesamten Kreislauf nicht mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen (geschlossenes System unter Überdruck) Wasserinhaltsstoffe erhöhen Korrosionsgefahr bei metallischen Werkstoffen Grundwasser ist entsprechend DIN zu untersuchen Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

21 Potential 3 Faktoren: Grundwassertemperatur (Untergrund & Jahrestemperaturen) Ausschlusskriterien Eigenschaften des Untergrunds (Lithologie, Grundwasserstand, )

22 Grundwassertemperaturen LUBW

23 Umweltauswirkungen Temperatur des GW mit Rücksicht auf Naturraum und andere Grundwassernutzer nicht nachteilig verändern Richtwert DT 6K von der unbeeinflussten Grundwassertemperatur Veränderung des Grundwasserhaushalt nicht negativ auf Nachbarn (Flurabstand) Wiedereinleitungstemperatur von 20 C sollte nicht überschritten werden Auswirkungen auf andere Nutzungen größeren Anlagen (> 50 kw) durch numerische Modelle Genehmigungsfähigkeit wesentlich von hydrogeologischen Verhältnissen abhängig Brunnenregenerierung mit Einsatz chemischer Mitteln setzt wasserrechtliches Verfahren voraus

24 Umweltauswirkungen Eintrag mikrobiologischer Verunreinigungen Trübung (durch Bohrung, Spülung) Hydrogeologische Stockwerke miteinander verbunden (während des Bohrens, durch defekte Hinterfüllung, z.b. aufgrund fehlender Frost- Taubeständigkeit) Arteser Veränderung der Grundwassertemperatur (Einfluss auf Löslichkeitsprodukt) Gas-/Ölvorkommen Beeinträchtigung der physikalisch, biologischen Beschaffenheit des Grundwassers

25 Rechtliche Aspekte Wasserrechtliche Benutzungen Entnahme Grundwasser nach 3 Abs. 1 Nr. 6 WHG Wiedereinleitung genutztes Grundwasser nach 3 Abs. 1 Nr. 5 WHG Pumpversuch als erlaubnisfreies Zutagefördern von Grundwasser nach 33 Abs. 1 Nr. 1 WHG Wasserwirtschaftliche Ziele Wiedereinleitung in den gleichen Grundwasserleiter Ausschluss schädlicher Verunreinigung oder sonstige nachteilige Veränderung Keine Arbeitsmittel die Schädigung für Menschen zeigen Monitoring bei großen Anlagen Lagerstättengesetz Bohrungen nach 4 Bergrecht > 100 Meter gilt 127 BBergG

26 Auswirkung der thermischen Nutzung Grundwasserwärmepumpen bei stärkerem Grundwasserfluss keine negative Beeinflussung der Grundwassernutzung im Abstrom liegende Anlagen Betrag der Temperaturabsenkung bzw. erhöhung nimmt in Fließrichtung ab Bewegung thermische Front 1/2 Geschwindigkeit des Grundwasserflusses (Einfluss der Gesteinsmatrix) Verzögerung der Erwärmung durch die Jahreszeiten Veränderung des Grundwasserhaushalts Senkung Grundwasserspiegel Absenkungstrichter um den Förderbrunnen Entleerung Grundwasserleiter Durchteufung unterschiedlicher Grundwasserstockwerke

27 Planung und Installation Bei der Installation der Anlage sind folgende Punkte abzuklären Anzahl der Brunnen Art des Bohrverfahrens Tiefe der Brunnen Durchmesser der Brunnen Lage der Brunnen Pumpversuche zur Eignungsprüfung vorausgesetzt Wasserentnahme nur zum Betrieb der Wärmepumpe Sicherheitseinrichtung bei zu starker Wasserabsenkung

28 Warum Modellierung? Komplexe Probleme (Visuelle) Darstellung für Machbarkeitsstudie Optimierung der Brunnenpositionen Vermeidung potentieller Gefährdungen der Umwelt Vermeidung von Interessenskonflikten der Grundwassernutzer Numerische Modelle Detaillierte Beschreibung des Untergrunds Bestimmung des besten Konzeptes Prognose & Langzeitverhalten Simulation aller möglichen Szenarien Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

29 Methodik der numerischen Modellierung Wärmetransportgleichung: v t r = Dichte, c = spezifische Wärmleitfähigkeit, l = thermische Leitfähigkeit des Fluids, dv = Kontrollvolumen, da = Oberfläche dt = Zeitintervall rct dv l T r f c ft nda H = Wärmeproduktionsrate A V HdV Marc Ludewig hydrothermale Nutzung

30 Forschungpotential Urbaner Raum Wärmeinseln Erhöhte Grundwassertemperaturen im Stadtgebiet Konfliktpotential Gegenseitiger Einfluss Nutzungsgrenzen