Potenziale erneuerbarer Energien

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1 am Beispiel der oberflächennahen Geothermie (Studie ) G. Götzl Geologische Bundesanstalt gregor.goetzl@geologie.ac.at

2 Inhaltsangabe 1 Einleitung Ausgangslage Zielsetzungen & Vorgehensweise 2 Abbildung des geogenen Angebots Geologisches Modell Geophysikalisches Modell Thermodynamisches Modell 3 Potenzialermittelung am Beispiel von Vertikalsonden 4 Ergebnisse Berechnung des eingeschränkten Technischen Potenzials Berechnung des geothermischen Deckungsvermögens 5 Schlussfolgerung & Bewertung 2

3 Ausgangslage Potenzialabschätzung der Umgebungswärme STREICHER (2006) Theoretisches Potenzial Österreichs(100% Flächenanteil): PJ/a Technisches Anwendungspotenzial Österreichs (2.1% Flächenanteil): 200 PJ/a STREICHER (2006) Marktentwicklung der Nutzung von Umgebungswärme in Österreich BIERMAYR ET AL. (2009) X 2007: Thermische Jahresarbeit (Anteil Umweltwärme): GWh th : Installierte Kapazität (Anteil Umweltwärme): 704 MW th 3

4 Zielsetzungen / Eingrenzung Zielsetzungen Räumlich differenzierbare Abschätzung oberflächennaher geothermischer Nutzungspotenziale auf Grundlage eines regelmäßigen Rasters. 2D Rasterprojektion geogener Basisdaten (Geologie, Petrophysik, Thermik) (Pseudo 3D Ansatz) in Form eines vollständig dokumentierten und adaptierbaren Datensatzes als Ausgangspunkt zukünftiger Info-Portale. Vergleich verschiedener Berechnungsmethoden (VDI 4640, numerische Simulation): [B. Glück (2008)] Einschränkungen Beschränkung auf Sole betriebene Vertikalsonden und Flachkollektoren, keine Wasser/Wasser Wärmepumpenanwendungen Vernachlässigung des Grundwasserseinflusses Keine saisonalen Wärmespeicherung, keine Kühlung 4

5 Berechnungsansatz Allgemeiner Datenverarbeitungsansatz Geowissenschaftliche Datenmodelle (pseudo 3D) Geowissenschaftliches Datenmodell durch Kombination aus GIS Datensätzen (Raster, Vektor) mit externen Berechnungsschritten (Simulation, Interpolation). Archivierung des Datenmodells in einer zentralen Datenbank Export von Teilergebnissen ins GIS (Raster). Projektdatenbank Zellenattribute Berechnungsergebnisse Schnittstelle Raumplanung Zellengröße: 250m GIS - Datenlayers Basisdaten (Vektor Raster) Geologische Referenzprofile Externe Datenverarbeitung 5

6 Eingangsdaten Geologie Hydrogeologische Karte von Österreich, 1: (HRSG. SCHUBERT G., GEOLOGISCHE BUNDESANSTALT WIEN, 2003) Geologische Bohrprofile (Archiv der GBA) ÖNORM B4401: Definition von Gesteinstypen Petrophysik VDI 4640 / Blatt 1 Literaturdatensammlung GBA Wasser- Wirtschaft Schutz- und Schongebiete der Bundesländer (Vektordatensatz) Thermik ZAMG: Bodentemperaturmesswerte für Tiefe von 0.2 m (~100 Stationen) Eigene Untersuchungen GBA: Bodentemperatur in 1.5m und 2.8m (~10 Stationen) Sonstiges DHM Topografie Koordinatensystem: Lambert Bessel 6

7 Schritt 1: Aufbau des geologischen Basismodells Erweiterung um 23 verschiedene Beckenprofile Profillänge 150m 7

8 Schritt 2: Definition der thermischen Bodeneigenschaften Datengrundlage: VDI4640 Blatt 1; Literatursammlung GBA. Benutzung von Gesteinstypen nach ÖNORM B4401. Definition von Gesteinsmischtypen gemäß vorliegenden geologischen Eingangsdaten Mittelung der thermischen Gesteinsparameter nach volumetrischen Anteilen der Einzelgesteinstypen. Spezifische Entzugsleistung gemäß VDI4640: nur Datenbereiche verfügbar. 8

9 Schritt 3: Überführung in ein geophysikalisches Datenmodell Tiefe [m u. GOK] 0.3 WL [W/(m. K)] Überführung des geologischen Modells in ein geophysikalisches Modell Spez. WK [J/(kg.K)] Dichte [kg/m³] Spezifische EL 1800 [W/m] Profilspezifische Kenndaten wurden in der Projektdatenbank archiviert und können bei besseren Kenntnisstand kalibriert werden

10 EINLEITUNG ABBILDUNG des DAREGBOTS POTENZIALE ERGEBNISE SCHLUSSFOLGERUNGEN Schritt 4: Definition der thermischen Randbedingungen Eingangsdaten 14 Ca. 100 Messstationen der ZAMG, Messreihen , Messtiefe 20cm, 30cm, 50cm Höhenabhängige Interpolationsfunktion (Anpassung ca. 93%) 3 T h = h 0( ) Temperaturprognose an Modellbasis Extrapolation von T 0 über Wärmeleitfähigkeit und konstanten Wärmefluss aus dem Erdinneren (70 mw/m²) Stationäre Bedingungen angenommen (keine jahreszeitliche Schwankungen). Temperatur [ C] Bodentemperatur 20cm Regressionsgerade 20cm Bodentemperatur 30cm Regressionsgerade 30cm Bodentemperatur 50cm Regressionsgerade 50cm Seehöhe [m] Regressionsgerade 20cm: Y = *X Coef of determination, R-squared = Regressionsgerade 30cm: Y = *X Coef of determination, R-squared = Regressionsgerade 50cm: Y = *X Coef of determination, R-squared =

11 Schritt 5: Thermodynamisches Modell (Leistungsmodell) Zielgröße: spezifische Entzugsleistung pro Sondenmeter [W/m] bzw. spezifische Jahresarbeitsleistung [Wh/(m. a)]. Variante 1: Abschätzung der spezifischen Entzugsleistung mittels VDI Richtlinie 4640 In der Praxis häufig angewendete Schätzmethode (hier nur für Vergleichszwecke). Anwendungsbereich: Spezifische Jahresarbeitsleistung der Sonde < 150 kwh/(m. a). Variante 2: Transiente numerische Simulation Betreibsstunden / Tag Erdwärmesonden Simulator (2D) nach B. GLÜCK (2008), Finite Volumen Simulation Zeitabhängige Simulation: gemittelte spezifische Entzugsleistung nach 10 Betriebsjahren. Definierte Referenzanlage: Sondentyp (Doppel U-Rohr), Sondenlänge (90m), Durchfluss (1996 l/h), Jahresbetriebsstunden (1230 hrs). Durchfluss Temperatur Vorlauf 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 C Betriebsweise (Jahresverlauf) 11 Geometrie und Betriebsdaten der Referenzsonde

12 Schritt 5: Thermodynamisches Modell (Leistungsmodell) Zeitlicher Verlauf der Sondenleistung und energetischen Jahresbilanz Nach 10 Betriebsjahren wurden etwa 7% bis 9% des verfügbaren thermischen Potenzials* aufgebraucht. Die betrachteten Betriebsszenarien (rechnerisch) nach 95 bis 131 Jahren stationäre thermischen Bedingungen (>80% des theoretischen Speichers* verfügbar, Leistungsminderung 30% - 40%). * bezogen auf den absoluten Nullpunkt. 12

13 Schritt 5: Thermodynamisches Modell (Leistungsmodell) Räumlicher Auswirkungsbereich* der Tiefensonde Temperaturverlauf im sondennahen Untergrund 14.1m 11.1m 7.4 m 3.7 m BL Wand Periodischer Anteil (Betriebsweise) Aperiodischer Anteil (Energetische Bilanz) Radialer Einflussbereich* der Sonden variiert im Modell (in Abhängigkeit von Geologie und Zellenhöhe) zwischen 3.5 und 7.5 Meter (richtungsunabhängig). Zum Vergleich: Empfehlung VDI 4640: 3 Meter Mindestabstand bei Kleinanlagen. * bezogen auf eine maximale Temperaturänderung im Untergrund von 1K. 13

14 Einleitung Oberflächennahe Geothermische Nutzungspotenziale Theoretisches Potenzial Thermodynamisches Model (Eingeschränktes-) Technisches Potenzial Angebotsmodell Deckungs- (Versorgungs-) Potenzial Angebotsmodell vs. Bedarfsmodell Achtung: Potenziale beziehen sich auf Wahl des Gewinnungssystems (Geometrie & Betriebsweise). 14

15 Eingeschränktes Technisches Potenzial Thermodynamisches Modell Filterung Raummodell (Spezifische Entzugsleistung / Bohrmeter u. Zelle) X X X X X X X X X Gesamtfläche = theoretisches Potenzial Unversiegelte Fläche = Freifläche Flächenbedarf der Sonde Reduzierte Freifläche (Parzellenbezug) (verfügbare Fläche pro Zelle) Technisches Potenzial (Österreichweit) Summierung Angebotsmodell (verfügbare Leistung / Arbeit pro Zelle) 15

16 Deckungspotenzial Angebotsmodell Anzahl Verfügbarer Sonden (Referenzsystem) Gebäudebestand Versiegelungsgrad : Bedarfsmodell Anzahl benötigter Sonden (Referenzsystem) Fall 1: DP = 0 Fall 2: 0 < DP 1 Fall 3: DP > 1 Geothermie nicht anwendbar. Geothermisches Unterangebot*. Geothermisches Überangebot*. * Gemäß dem betrachteten Referenzsystem 16

17 EINLEITUNG ABBILDUNG des DAREGBOTS POTENZIALE ERGEBNISSE SCHLUSSFOLGERUNGEN Fallbeispiel Großraum Salzburg Hydrogeologie Seehöhe Freifläche je Rasterzelle Referenzfläche spezifische Entzugsleistung Entzugsleistung je Zelle 17

18 Fallbeispiel Großraum Salzburg DP (Deckungspotenzial) DP bei min Sondenabstand ~ 3m DP bei Sondenabstand ~ 5m DP bei Sondenabstand ~ 8m 100 % Deckung möglich 18

19 Technische Gesamtpotenziale (1) Ausgangslage Technisches Anwendungspotenzial Österreichs (2.1% Flächenanteil): 200 PJ/a (STREICHER, 2006). Installierte Kapazität 704 MW TH (BIERMAYR ET AL., 2009). (2) Berechnungsmodell 1 Optimistische Variante Minimaler Sondenabstand gemäß VDI 4640: 3m. Mittlere Kapazität 100 GW TH. Technisches Anwendungspotenzial 443 PJ/a. (3) Berechnungsmodell 2 (4) Berechnungsmodell 3 Medianwert Höhenlage, T-Leitfähigkeit Minimaler Sondenabstand gemäß Modell:4.6m. Mittlere Kapazität 43 GW TH. Technisches Anwendungspotenzial 191 PJ/a. Pessimistische Variante Minimaler Sondenabstand gemäß Maximalwert Modell:8m. Mittlere Kapazität 15 GW TH. Technisches Anwendungspotenzial 66 PJ/a. Erschließungsgrad oberflächennaher Geothermie zwischen 0.7% und 5%!

20 Deckungspotenzial Berechnungsvariante Deckungspotenzial* Flächenbedarf Variante 1 808% 12% Variante 2 122% 88% Variante 3 345% 29% Deckung des Nachfragepotenzials in allen 3 Berechnungsvarianten gegeben! *Medianwert

21 Geogene Parameter

22 Technische Parameter - Betriebsweise Sensitivitätsdiagramm: Betriebsparameter 100,0% 80,0% Umsatzrate Betriebsstunden 60,0% Temp. Niveau Inlet 40,0% Temp. Spreizung Inlet 20,0% 0,0% -100,0% -80,0% -60,0% -40,0% -20,0% 0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% -20,0% -40,0% -60,0% -80,0% -100,0% Änderung de spez. Entzugsleistung [%] Änderung des Eingangsparameters [%]

23 Zusammenfassung (1) Abschätzung der Entzugsleistung über VDI Richtlinie 4640 liefert nur in Beckenregionen mit Seehöhen bis 400 m ü.a. gute Übereinstimmung mit Modell, tendenziell höhere Einschätzung gegenüber Simulation. (2) Geologischer Aufbau zeigt gemäß Simulation nur eine geringe Sensitivität gegenüber den technischen Entzugsleistungen (Einfluss des Grundwassers unberücksichtigt). (3) Größte Sensitivität besitzt Flächendargebot (Freiflächenanteil, thermischer Wirkungsbereich der Anlage). (4) Potenzial ist abhängig von Wahl des Referenzsystems.

24 Bewertung der Vorgehensweise a. Vorgehensweise stellt einen konservativen Ansatz dar! b. Ausgangspunkt zukünftiger Informationssysteme (vgl. D) durch Schaffung eines nachvollziehbaren Basisdatensatzes auf Rasterniveau. c. Modellpräzisierung durch Berücksichtigung Grundwasser, Kalibrierung der Gesteinsmodelle durch In-situ Messkampagnen und Verbesserung der Flächenmodelle möglich.

25 am Beispiel der oberflächennahen Geothermie (Studie ) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! G. Götzl Geologische Bundesanstalt gregor.goetzl@geologie.ac.at