Keywords: Wärmeversorgung, kommunale Infrastruktur, Massenkalk, Hydrogeothermie

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1 Beitrag Der Geothermiekongress 2007 Bochum, Germany, Oktober 2007 Hydrogeothermale Nutzung des devonischen Massenkalks zur Wärmeversorgung zentraler Warsteiner Infrastruktur Bastian Görke, Eckehard Büscher, Rolf Bracke, Marc Buckermann, Jesco Hoffmann, Kai Küper, Andreas Trabert Keywords: Wärmeversorgung, kommunale Infrastruktur, Massenkalk, Hydrogeothermie Zusammenfassung Die stark verkarsteten devonischen Massenkalke im Bereich des sauerländischen Warsteins können über ein offenes hydrogeothermales Dublettensystem zur Wärmeversorgung städtischer Infrastruktur genutzt werden. Das aus einer Tiefe von 900 m gewonnene und bis zu 40 C warme Thermalwasser ermöglicht die direkte und über Wärmepumpen gewährleistete indirekte Versorgung des Allwetterbades, einer Hauptschule und eines Wohngebietes mit Wärme. Neben einer Verbesserung der primärenergetischen Bilanz der Objekte ist eine Reduktion der Betriebskosten möglich. 1. Einleitung Offene hydrogeothermale Systeme bieten die Möglichkeit im Vergleich zu tiefen geschlossenen Erdwärmesonden erhöhte Mengen an Energie dem Untergrund zu entnehmen. Jedoch sind sie auf das Vorhandensein von Tiefengrundwasser und ausreichend hohe Gebirgsdurchlässigkeiten angewiesen. Diese Voraussetzungen sind in den geklüfteten und oft verkarsteten Kalksteinen gegeben. Liegen diese in ausreichenden Tiefen und weisen entsprechend hohe Gesteins- und Fluidtemperaturen auf, bieten sie die Möglichkeit als geothermisches Reservoir genutzt zu werden. Das über Bohrungen erschlossene niedrig temperierte Thermalwasser steht für die Nahwärmeversorgung zur Verfügung. Die sauerländische Stadt Warstein befindet sich zum großen Teil auf tiefliegenden Massenkalken und bietet mit einigen zentralen kommunalen und städtebaulichen Einrichtungen mögliche Abnehmer thermaler Energie aus dem Untergrund. Zielsetzung einer geothermischen Wärmeversorgung kann neben der Einbindung einer nachhaltigen Energie in das städtische Versorgungssystem auch die Reduktion der Betriebskosten kommunaler Einrichtungen sein. 2. Hydrogeologie der Warsteiner Massenkalke Überlagert von teils geschieferten Tonsteinen befinden sich unterhalb des Stadtgebietes Warsteins massige Kalkformationen mit Mächtigkeiten von bereits aufgeschlossenen 200 m bis vermuteten 300 m (GLA, 1984).

2 Abbildung 1: Geologischer Schnitt im Bereich des Massenkalkes (v-ak) im Stadtgebiet Warsteins (Schnittorientierung NNW-SSO, eingezeichnet ist die Lage des potentiellen Versorgungsgebietes (GLA 1998) Wie Abbildung 1 zeigt taucht der mächtige Kalkkörper Richtung Norden hin ab und erreicht Tiefen von bis zu 900 m unter GOK. Über den in Warstein stattfinden Kalksteinabbau und die hydrogeologische Karte Soest des Geologischen Dienstes Nordrhein-Westfalens (2003) sind oberflächennahe Gebirgsdurchlässigkeiten von k f = m/s bekannt. Diese sind vergleichbar mit Durchlässigkeiten von grobkörnigem Sand. Der Kalkkörper wird den Karstgrundwasserleiter zugeordnet. Abbildung 2: Kartenausschnitt und Legende der hydrogeologischen Karten für den Bereich Warstein, im Bereich des geplanten Versorgungsgebietes (Zone II) liegen hohe Gebirgsdurchlässigkeiten vor (Geologischer Dienst NRW 2003) Der Verkarstungsgrad des Kalksteins und damit seine Gebirgsdurchlässigkeit nehmen in der Regel mit zunehmender Tiefe ab. Jedoch konnte über eine Bilanzierung des Grundwasserkörpers mit der zugehörigen Grundwasserneubildung von durchschnittlich 272 mm/(m²*a) eine hydraulische Interaktion des Warsteiner Massenkalkes mit seinem Umfeld nahegelegt werden, was eine durch Mischungskorrosion bedingte Kalklösung in den tieferen Schichten des Kalkes und eine entsprechende Erhöhung der Durchlässigkeit erwarten lässt.

3 Görke et al. Abbildung 3: Potentialkarte der Grundwasserneubildung im Bereich des Warsteiner Massenkalkes Zuflüsse sind aus den südlich gelegenen Briloner Kalken wahrscheinlich. Die Grundwasserfließrichtung in den Warsteiner Massenkalken ist Richtung Norden ausgeprägt (Koch und Adams 1982). Die im Bereich Warstein gemessenen Quellschüttungen und temperaturen weisen auf einen sehr ergiebigen und warmen Grundwasserkörper hin. So werden je nach Quelle l/s und mit nach Westen hin zunehmender Größe Temperaturen von bis zu 15 C erreicht (GLA 1984 und Umweltamt Lippstadt 2007). Geht man von dem allgemeinen Ansatz einer Temperaturzunahme von 3/100 K/m aus, werden im Liegenden des Kalkes bei 900 m Temperaturen von C zu erzielen sein. Eine Mineralisierung mit einer Leitfähigkeit von µs/m wurde vom Staatlichen Umweltamt Lippstadt (2007) im betroffenen Bereich ermittelt. 3. Hydrogeothermales System Zur Nutzung des Grundwassers der Warsteiner Massenkalke bietet sich ein offenes hydrothermales System in Form einer Dublette an. Dieses besteht aus zwei Bohrungen, wobei eine Bohrung der Förderung des Thermalwassers und eine weitere zur Erhaltung der Grundwasserbilanz der Injektion des ausgekühlten Wassers in den Untergrund dient. Die direkte Förderung des Grundwassers ermöglicht im Vergleich zu geschlossen Systemen wie den Erdwärmesonden eine erhöhte Energieentnahme aus dem Untergrund. Zur Erschließung des Warsteiner Massenkalkes wird die Produktionsbohrung bis auf 900 m abgeteuft. Auf diese Weise können möglichst viele Karststrukturen durchbohrt und damit eine 3

4 hohe Ergiebigkeit der Bohrung erzielt werden. Diese Tiefe lässt Temperaturen erwarten, die eine direkte Verwendung des Thermalwassers ermöglichen. Die Schnittstelle zur obertägigen Wärmeversorgungsinfrastruktur bildet ein Wärmetauscher. Somit ergibt sich oberirdisch eine geschlossen und unterirdisch eine offene Wasserführung. Die beiden Bohrungen sind so abzuteufen, dass ein hydraulischer Kurzschluss, also die unbeabsichtigte Interaktion der beiden Bohrungen ausbleibt. Das Thermalwasser wird durch eine Tiefenmotorpumpe gefördert. Die Bohrungen in Warstein werden von einem Ansatzpunkt aus abgeteuft, wobei die Reinjektionsbohrung in nördliche Richtung von der Produktionsbohrung abgelenkt wird, um bei nach Norden weisender Grundwasserströmung eine hydraulische Interaktion der beiden Bohrungen und damit die Förderung des ausgekühlten injizierten Wassers zu vermeiden. Durch die Ablenkung der Bohrungen ist die gezielte Erschließung der in Abbildung 1 gezeigten Verwerfung möglich. 4. Wärmeversorgungskonzept Im Westen des Warsteiner Massenkalks und damit über der in Abbildung 1 gezeigten Verwerfung befinden sich drei verschieden und zur geothermischen Versorgung geeignete städtische Wärmeabnehmer. In Sichtweite von einander liegen das Allwetterbad Warstein und die Hauptschule; in unmittelbarer Entfernung ein zentral versorgtes Wohngebiet. Das Allwetterbad eignet sich für eine geothermische Versorgung durch die im Bereich der Fördertemperatur liegenden Badewassertemperaturen. Darüber hinaus wird die Raumluftheizung über die Lüftung realisiert, so dass hohe Vorlauftemperaturen im Heizsystem nicht notwendig sind. Bei entsprechender geothermischer Fündigkeit kann das Allwetterbad zum Teil direkt beheizt werden. Des Weiteren ist der Einsatz einer Wärmepumpe möglich. P2 P1 P3 Abbildung 4: Lageplan der drei Versorgungsobjekte und Verlaufsskizze des Nahwärmenetzes (P1: Allwetterbad; P2: Hauptschule; P3: Wohngebiet) Die Hauptschule Warsteins bedarf aufgrund ihrer alten Bausubstanz dringend einer energetischen Sanierung. Da dies allerdings investionsaufwändig ist, bietet sich zur Betriebskostenreduzierung und zur Verbesserung der primärenergetischen Bilanz der Einsatz einer geothermischen Unterstützung an. Da durch das Radiatoren-Heizsystem hohe Vorlauftemperaturen notwendige sind, ist der Einsatz von Wärmepumpen notwendig.

5 Görke et al. Das bereits durch ein Nahwärmenetz erschlossene Wohngebiet wird durch einen Biomasse- Heizkessel und einen Ölkessel mit Wärme versorgt. Zum Ersatz des Ölkessel bietet sich bei Auslastung des Biomasse-Aggregates die Geothermie ebenfalls an. Tabelle 1: Gegenüberstellung der derzeitigen und der geplanten Wärmeversorgung der Abnehmer (diese Tabelle enthält nicht den direkten Versorgungsfall des Allwetterbades) Allwetterbad Hauptschule Wohngebiet derzeitige Versorgungssituation geplantes Versorgungsszenario 200 kw (BHKW) kw (Gaskessel 1) 465 kw (Gaskessel 2) 450 kw Wärmepumpe Gaskessel 2 als Spitzenlast BHKW als Spitzenlast 600 kw (Gaskessel 1) 415 kw (Gaskessel 2) 600 kw Wärmepumpe Gaskessel 2 als Spitzenlast 600 kw (Biomasse) 400 kw (Ölkessel) 400 kw Wärmepumpe Biomasse Spitzenlast Tabelle 1 stellt das geplante Versorgungsszenario der derzeitigen Versorgungssituation gegenüber. Da das im Allwetterbad betriebene Blockheizkraftwerk (BHKW) erhalten bleiben soll wird dort eine Wärmepumpenheizleistung von 450 kw installiert. Die drei Abnehmer werden wie in Abbildung 4 gezeigt über ein einfaches Nahwärmenetz mit einander verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass die Wärmepumpenleistung zusammengefasst und an einer zentralen Stelle bereitgestellt werden kann. Hierzu bieten sich die Heizungsräume des Allwetterbades an. Dieses bietet auch die Möglichkeit das BHKW an das Nahwärmenetz anzuschließen. Das über den Wärmetauscher geführte und durch das Thermalwasser erwärmte Wasser des Nahwärmenetzes kann über eine bivalente Kaskade gemeinsam mit dem BHKW zur Wärmeversorgung herangezogen werden. Hierbei wird das Thermalwasser erst durch eine eventuell direkte Versorgung des Allwetterbades und dann über eine Parallelschaltung von Wärmepumpen abgekühlt. Die Wärmepumpen erhöhen das Temperaturniveau des Heizwassers auf eine noch mit vertretbarem Wirkungsgrad erzielbare Temperatur. Den zusätzlich benötigten Temperaturhub auf bis zu 90 C zur Einspeisung des Heizwassers ins Nahwärmenetz garantiert das kontinuierlich laufende BHKW. Je nach Aufteilung der direkten Heizleistung und der Kälteleistung der eingesetzten Wärmepumpen, also je nach Versorgungsszenario, ergibt sich eine Gesamtleistung von bis zu 1,5 MW th, die eine hydrogeothermale Dublette bereitstellen muss. Dies ist mit einer Schüttung von etwa 50 l/s zu realisieren. 2.2 Ausblick Eine Analyse der Voraussetzungen für eine hydrogeothermale Versorgung kommunaler Warsteiner Infrastruktur ergab eine grundsätzliche technische Machbarkeit des Systems. Die hohen Quellschüttungen und Durchlässigkeiten lassen einen sehr ergiebigen Grundwasserkörper erwarten. Die Fündigkeit in Bezug auf Schüttung (Q) und Temperatur (T) wird stark davon abhängig sein, welche und wie viele Karststrukturen mit der Produktionsbohrung durchteuft werden können. Bei nachgewiesener und für die drei Abnehmer benötigte Leistung übersteigender Fündigkeit ist über eine Ausdehnung des Nahwärmenetzes nachzudenken. Darüber hinaus können aus dem ersten Bohrungspaar wichtige Daten über den Untergrund, wie tiefenabhängige Durchlässigkeiten und Temperaturen, gewonnen werden, welche bei weiteren geothermischen Versorgungsprojekten im Warsteiner Massenkalk als Grundlagen verwendet werden können. 5

6 Quellenangaben Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen: Hydrogeologische Karte, Blatt L4514 Soest, 1:50.000, Krefeld (2003). Geologisches Landesamt Nordrhein-Westfalen: Geologische Karte, Blatt 4516 Warstein, 1:25.000, Krefeld (1984). Geologisches Landesamt Nordrhein-Westfalen: Geologische Karte, Blatt C4714 Arnsberg, 1: , Krefeld (1998). Koch, M. und Adams, U.: Markierungsversuch Warstein, Warstein (1982) Staatliches Umweltamt Lippstadt, Pers. Auskunft durch Hr. Füser (2007) GeothermieZentrum, c/o Hochschule Bochum, Lennershofstraße 140, Bochum