technische Möglichkeiten und Potentiale oberflächennaher Geothermie Die Geothermiebrücke Dipl.-Ing. Jens-Uwe Kühl

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1 technische Möglichkeiten und Potentiale oberflächennaher Geothermie Die Geothermiebrücke Dipl.-Ing. Jens-Uwe Kühl

2 H.S.W. Ingenieurbüro Gesellschaft für Energie und Umwelt mbh Gründung: 1991 in der Hansestadt Rostock Schwerpunkte: Grundwasser, Altlasten, Geotechnik...seit 1995 erste Projekte Geothermie...heute: Planungen für Geothermie, Solarparks, Gebäude-Energieberatung, Energiekonzepte...seit 2005 Spezialleistung Geothermal Response Test und FEM-Simulationen Kunden: nationale und internationale Investoren, Projektgesellschaften, private und öffentliche Auftraggeber

3 Unfallpotential auf Brücken durch Blitzeis A20 bei Grimmen (Mecklenburg-Vorpommern) Lockstädt/Putlitz (Brandenburg) Quellen: Lübecker Nachrichten und Hamburger Abendblatt

4 Grundsätzliches Problem: erhöhte Glättegefahr auf Brücken aufgrund - der geographischen/geomorphologischen Lage (hier: über Flüsse und Kanäle, in Schneisen, in Niederungsbereichen) - der konstruktiven Ausbildung von Brückenbauwerken (hier: geringes Wärmespeichervermögen von Stahlbrücken bzw. Stahlbetonbrücken) Zielstellung bei der Brückenplanung: - Verkehrssicherheit - reibungslose Verkehrsabläufe - effizienter Einsatz des Winterdienstes möglich durch: Angleichen der Verhältnisse auf der Brücke an die auf der freien Strecke

5 Chance für die Geothermie? - nahezu überall verfügbar - steht unabhängig von Jahreszeit und Witterung zur Verfügung - Nutzung einer erneuerbaren Umweltenergie - gegenüber konventionellen Energieträgern im Betrieb CO2-arm - gegenüber konventionellen Energieträgern stabile und niedrige Betriebskosten - hohe Energieeffizienz bei niedrigen Nutztemperaturen - Doppelnutzen: Heizen und Kühlen Ja!

6 Heizen und Kühlen? vielmehr angepasstes saisonales temperieren des Fahrbahnbelages Winter Sommer Angleichen der Verhältnisse auf der Brücke an die Verhältnisse auf der freien Strecke Intention: Verkehrssicherheit Reduzierung der Spurrinnenbildung durch Vermeidung hoher Fahrbahntemperaturen Intention: Nachhaltigkeit

7 Was ist Geothermie? DEFINITION : Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde. (VDI 4640 Teil 1 Thermische Nutzung des Untergrundes + Stand der Technik)

8 Herkunft der Erdwärme: Gravitationsenergie / Ursprungswärme Energie aus dem Zerfall radioaktiver Isotope (u.a. Uran, Thorium, Kalium)

9 Wärmequellen: Temperatur - Profil - Messung Sonneneinstrahlung Niederschläge geothermischer Wärmefluss Zerfallsenergie radioaktiver Isotope Tiefe [m] Quelle: GD NRW Temperatur [ C]

10 Quelle: GD NRW Oberflächennahe Erdwärme Nutzung des thermischen Potentials der oberflächennahen Schichten der Erde bis max. 400 m Tiefe Erdwärmesonden, Energiepfähle, erdberührte Bauteile, Erdreichkollektoren, Grundwasser-Wärmepumpen

11 erdgekoppelte Wärmepumpe Wärmepumpe Heizung

12 ...ein paar Zahlen zur Wirtschaftlichkeit Energiekosten... Heizen Erdgas 6,0 Cent/kWh Flüssiggas 6,5...7,0 Cent/kWh Wärmepumpen-Strom 12,0-16,0 Cent/kWh Erdwärme 3,0...3,5 Cent/kWh Fazit: die Erdwärme spart ca. 2,0 bis 3,0 Cent/kWh ein Kühlen herkömmliche Kältemaschine ca. 6,0 Cent/kWh freie Kühlung 0,2 Cent/kWh aktive Kühlung 2,8 Cent/kWh Fazit: Kühlen mit dem Untergrund spart 3,2-5,8 Cent/kWh ein

13 Systeme zur Nutzung oberflächennaher Geothermie geschlossene Systeme Quelle: REHAU

14 Systeme zur Nutzung oberflächennaher Geothermie offenes System Quelle: geopotentiale.org

15 B 208 Erneuerung der Kanalbrücke Berkenthin Pilotprojekt: Nutzung oberflächennaher geothermischer Energie zur Temperierung der Fahrbahntafel Quelle: LBV - SH

16 Machbarkeitsstudie - geologische/hydrogeologische Standortbewertung - Potentialberechnung für eine geothermische Aktivierung der statisch erforderlichen 114 Gründungspfähle zu Energiepfählen - Bewertung des Standortpotentials für alternative geothermische Quellensysteme (Erdwärmesonden, Brunnen) - Schätzung der voraussichtlichen Investitions- und Betriebskosten

17 Ergebnis - Energiepfähle decken lediglich Grundlast ab - Variantenvergleich von Energiepfählen, Erdwärmesonden und geothermischer Brunnenanlage zugunsten der Brunnenanlage - Wiedereinleiten des thermisch genutzten Grundwassers in den Entnahme-Grundwasserleiter aufgrund der erwarteten artesischen Grundwasserverhältnisse nicht wirtschaftlich möglich - favorisiertes System: Einbrunnenanlage mit Abschlagen des thermisch genutzten Grundwassers in den Elbe-Lübeck-Kanal - Entrichtung eines Wasserentgeltes

18 Erkundungsbohrung/Pumpversuch/Wasseranalyse Erkundungsarbeiten im Januar 2008

19 Planung des Gesamtsystem

20 Planung des Gesamtsystem - Nutzung des konstant zur Verfügung stehendes Grundwasser mit einer Temperatur von C - Wärmeverluste sollten zunächst durch eine Dämmung der Brückenunterseite minimiert werden - aus Gründen der Unterhaltung wurde auf eine weitergehende Betrachtung zur unterseitigen Dämmung der Brücke verzichtet - Einsatz einer Wärmepumpe für die Abdeckung von auftretenden Spitzenlastanforderungen und möglichst kurzen Reaktionszeiten erforderlich

21 Planung des Gesamtsystem - Thermische Simulationen mit unterschiedlichen Achsabständen der Wärmeübertragerrohre (Fahrbahntemperierungsregister FTR) mit dem Ziel einer optimalen Temperaturverteilung an der Fahrbahnoberfläche - Ausführung des FTR mit einem Achsabstand von 10 cm in Längsrichtung des Bauwerks mit speziellem Asphaltkollektorrohr

22 Planung des Gesamtsystem Leitungsführung Wärmequelle und Wärmeverteilung

23 Planung des Gesamtsystem

24 Planung des Gesamtsystem Erarbeitung einer Philosophie für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik - manuelle Steuerung über DFÜ oder vor Ort ausschließlich durch autorisiertes Personal - Erstprogrammierung auf Basis einer vorhergehenden Langzeitmessung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit durch die BASt - automatische Steuerung und Regelung auf der Basis lokaler meteorologischer Messdaten und Messungen am Bauwerk und im Wärmeübertragungssystem - Aufzeichnung aller gemessen Daten und automatische Optimierung des Systems - Voraussetzung: Einsatz einer speicherprommierbaren Steuerung

25 Planung des Gesamtsystem Erarbeitung einer Philosophie für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Sensorik u.a.: - 6 Messstellen auf der Fahrbahnoberfläche vor und hinter dem Bauwerk, auf den Widerlager und dem Überbau - Erfassung der Bauteiltemperatur Fahrbahn - flächenhafte berührungslose Messung der Oberflächentemperaturen durch Strahlungspyrometer (Infrarot) - Lufttemperatur/Luftfeuchte - Windrichtung/Windgeschwindigkeit - Niederschlagsart und -menge - Temperatur des Grundwasser - Fluidtemperatur im Vor- und Rücklauf des FTR

26 Planung des Gesamtsystem Erarbeitung einer Philosophie für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Betriebsarten und Regelregime: Sicherheits- Temperatur- Begrenzung: - Aus bzw. Standby - Umwälzung des Fluids im FTR - freie Temperierung Heizen - freie Temperierung Kühlen - Temperierung wärmepumpenunterstützt (Verdichter 1) - Temperierung wärmepumpenunterstützt (Verdichter 1+2) - Sommerfall: freie Temperierung über das FTR bei T 50 C - Winterfall: freie Temperierung über das FTR bei T -10 C

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28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! H.S.W. Ingenieurbüro Gesellschaft für Energie und Umwelt mbh Gerhart-Hauptmann-Str. 19 D Rostock Fon: 0049(0)381/37015 Fax: 0049(0)381/