Nutzung des Untergrundes als Wärmespeicher: Potentiale und Auswirkungen

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Reiner Hofmeister
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1 Nutzung des Untergrundes als Wärmespeicher: Potentiale und Auswirkungen Sebastian Bauer, Andreas Dahmke und das Team Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Ludewig-Meyn-Str Kiel, Deutschland

Energiewende Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtendenergieverbrauch (2011) Energiebedarf in Deutschland [%] (2010) Gesamtendenergieverbrauch: 8692 PJ Anteil

4 % Prozesswärme 21.6 % 30.6 % 56.6 % Energiebedarf in Form von Wärme Raumwärme (nach BMU, 2012) (nach Nitsch et al.

2 Energiewende Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtendenergieverbrauch (2011) Energiebedarf in Deutschland [%] (2010) Gesamtendenergieverbrauch: 8692 PJ Anteil nicht EE 87.5 % Anteil EE 12.5 % Ziel bis 2050: Anstieg auf bis zu 60% stat. Kraft, Licht (Strom) mobile Kraft (Öl) 28.2 % 15.2 % Warmwasser 4.4 % Prozesswärme 21.6 % 30.6 % 56.6 % Energiebedarf in Form von Wärme Raumwärme (nach BMU, 2012) (nach Nitsch et al., 2012) Produktion von Erneuerbaren Energien unterliegt zeitlichen Schwankungen Herausforderung: zeitliche Diskrepanz zwischen Energieproduktion und Energieverbrauch Eine Option: Energiespeicherung durch Wärmespeicherung

3 Energiespeicherung Der geologische Untergrund bietet potentiell große Möglichkeiten zur Speicherung von regenerativ erzeugten Energien. Diese werden z.b. heute schon durch untertägige Erdgasspeicher genutzt. - Erdgasspeicher - Wasserstoffspeicher - Druckluftspeicher - Wärmespeicher Monate Wochen Tage Stunden Sekunden Wärmespeicher Erdgasspeicher Wasserstoffspeicher Druckluftspeicher Pumpspeicher GWh Geologische Optionen: - Kaverne - Poröse Formationen

Schutzgut Nutzung Nutzung des Untergrundes Grundwasser

Druckluftspeicher Kälte- Wärmespeicherung

4 Schutzgut Nutzung Nutzung des Untergrundes Grundwasser Mensch Boden / Vegetation Fauna oberflächennahe Geothermie Erdgas bzw. Wasserstoffspeicher Grundwassergewinnung Druckluftspeicher Kälte- Wärmespeicherung Kohlen-Wasserstoff- Förderung Bergbau tiefe Geothermie (Bauer et al., 2013) CO 2 -Entsorgung Endlager radioakt. Abfälle

5 Das Projekt Auswirkungen der Nutzung des Geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher im Kontext der Energiewende - Konzepte & Methoden zur unterirdischen Raumplanung Numerische Szenarienanalysen Parametrisierung Modellentwicklung Ermittlung von Speicherkapazitäten Quantifizierung und Bewertung der Aus- und Wechselwirkungen einzelner Nutzungen Bewertung der Konkurrenz zwischen und Überlagerung von verschiedenen Nutzungsarten Partner: Gefördert durch:

6 Auswirkungen von Wärmespeicherung Leckage von Wärmeträgerflüssigkeiten Veränderung der Mikrobiologie Interaktion mit Schadensfällen und Altlasten (Mobilisierung) Tiefe [m] Veränderung der Grundwasserchemie und Qualität durch Temperaturänderung Beeinflussung der Beeinflussung der Trinkwasserqualität Grundwasserströmung und Transportprozesse (Stockwerksbau) (Beyer, Bauer, Dahmke, 2013)

Erdwärmespeichersysteme Erdwärmesonden / Kollektoren - geschlossene Systeme - geeignet, wenn

nicht zirkuliert werden kann oder soll Aquiferspeicher - offene Systeme - erfordern

Schicht und Wasserqualität Energiepfähle/Energiefundamente - technisch bei Baumaßnahmen

7 Erdwärmespeichersysteme Erdwärmesonden / Kollektoren - geschlossene Systeme - geeignet, wenn wenig Wasser vorhanden ist bzw. nicht zirkuliert werden kann oder soll Aquiferspeicher - offene Systeme - erfordern hinreichende hydraulische Durchlässigkeit der geol. Schicht und Wasserqualität Energiepfähle/Energiefundamente - technisch bei Baumaßnahmen erstellte Systeme im geologischen Untergrund - geschlossene Systeme - optimierbar durch technische Verbesserung der thermischen Materialeigenschaften (Nußbicker-Lux, 2009) Zeitskala für Speicherzyklen: Stunden bis Jahre

Herausforderungen Prozessidentifikation und Quantifizierung Die Speichereigenschaften, möglichen Speicherkapazitäten und Auswirkungen werden stark von den im Untergrund vorhandenen geologischen

(Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume, Schleswig-Holstein, 2014) (LLUR SH, 2011) Prozess Phase Verfügbarkeit Hydraulik (H) Wärmetransport (T) Geomechanik (M) Komponententransport

8 Herausforderungen Prozessidentifikation und Quantifizierung Die Speichereigenschaften, möglichen Speicherkapazitäten und Auswirkungen werden stark von den im Untergrund vorhandenen geologischen Schichten und deren Parametern bestimmt. Diese sind nicht im Detail Parameter Fluiddichte r(p,t,c) Fluidviskosität n(p,t,c) und flächendeckend bekannt. (Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume, Schleswig-Holstein, 2014) (LLUR SH, 2011) Prozess Phase Verfügbarkeit Hydraulik (H) Wärmetransport (T) Geomechanik (M) Komponententransport (C ) Fluid Fluid Gestein Gestein Fluid Gestein Gestein-Fluid Gestein hydraulischer Gradient relative Permeabilität Kapillardruck Oberflächenspannungen Benetzungswinkel Permeabilität Porosität Gesteinsdichte Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität thermische Expansion Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Wärmedispersivitäten Elastizitätsmodul Possionzahl Matrixkompressibilität Kornkompressibilität Biot's Koeffizient Kohäsion Diffusionskoeffizient Komponentenlöslichkeiten Molgewichte Reaktionsraten Lösungszusammensetzung mikrobiolog. Zusammensetz. Tortuosität Dispersivität Korndurchmesser effektive Porosität Mineralzusammensetzung Corg-Gehalt grad(h) kr(s) pc(s,time) σ a k v,k h(x,y,z) n(x,y,z) r(x,y,z) l(p,t,c)) c(p,t,c) b T l(x,y,z) c(x,y,z) av/h(x,y,z) E(x,y,z) v κ κ b C D aq(t) H(p,T,C) MW Kreact(C,T,?) C i(x,y,z) X i(x,y,z) t(x,y,z) av/h(x,y,z) d(x,y,z) ne(x,y,z) Mi(x,y,z) Corg(x,y,z)

9 Herausforderungen Induzierte Prozesse Bei der Wärmespeicherung (Geothermie) verursachte Temperaturänderungen können sekundäre Prozesse als Auswirkungen induzieren. Z.B. führt eine lokale Temperaturerhöhung zu - Fokussierung der Grundwasserströmung auf den erwärmten Bereich - Beschleunigung der Grundwasserströmung im erwärmten Bereich Auswirkung einer Temperaturerhöhung auf Grundwasserströmung Auswirkung von Grundwasserströmung und Temperatur auf Stofftransport 20 Temperatur [K] Y [m] X [m] Bahnlinien (C. Beyer, pers. Mitt.) (J. Bauer, pers. Mitt.)

Herausforderungen Prozessidentifikation und Quantifizierung Im Untergrund ablaufende Prozesse sind sowohl voneinander als auch von der Temperatur abhängig.

10 Herausforderungen Prozessidentifikation und Quantifizierung Im Untergrund ablaufende Prozesse sind sowohl voneinander als auch von der Temperatur abhängig. Daher müssen die ablaufenden Prozesse identifiziert, mit diesen Abhängigkeiten untersucht und quantifiziert werden. Temperaturabhängigkeit der Grundwasserzusammensetzung Mobilität von Spurenstoffen Auswirkungen von Temperaturänderungen - Temperaturabhängigkeit des Toluol-Abbaus C sorbiert [mg/kg] C gelöst [mg/l] 25 C 40 C 70 C 35 Kapazität [mg/kg], Affinität [mg/l] Temperatur [ C] Kapazität Affinität löst [mg/l] 40 C 70 C Kapazität [mg/kg], Affinität [mg/l] Temperatur [ C] Kapazität Affinität (S. Hausberg, R. Köber, A. Dahmke, 2014) (K. Hebbeln, R. Köber, A. Dahmke, 2014)

0.5 Herausforderungen Zeitliche und räumliche Skalen Hoher Detaillierungsgrad im Nahbereich einer Erdwärmesonde zur Ermittlung der Sondenleistung und Temperaturverteilung; Umlaufzeit des

11 0.5 Herausforderungen Zeitliche und räumliche Skalen Hoher Detaillierungsgrad im Nahbereich einer Erdwärmesonde zur Ermittlung der Sondenleistung und Temperaturverteilung; Umlaufzeit des Wärmeträgerfluids: Minuten Induzierte vertikale Konvektionsströmung auf der 10er-Meter Skala durch Temperaturerhöhung an der Sonde. Umlaufzeit: Jahre Beeinflussung der Sondenleistung: Tage 100 m y[m] cm 5 T [ C] x [m] (Boockmeyer und Bauer, 2014) 0

Speicherdimensionierung - Bedarfsanalyse Herausforderungen Prinzipiell lassen sich geologische Wärmespeicher für sehr unterschiedliche Systemgrößen auslegen, da der geologische Untergrund große

12 Speicherdimensionierung - Bedarfsanalyse Herausforderungen Prinzipiell lassen sich geologische Wärmespeicher für sehr unterschiedliche Systemgrößen auslegen, da der geologische Untergrund große potentielle Speicherkapazitäten zur Verfügung stellt. Typische Speichergrößen, abgeleitet aus dem Wärmeenergiebedarf, sind: Einfamilienhaus: 16 MWh/a Mehrfamilienhaus: 63 MWh/a Einkaufszentrum Heizen: 1900 MWh/a Kühlen: 1000 MWh/a Neubausiedlung: 3500 MWh/a Bedarfsermittlung für Wärmespeicher: - räumlich über die Fläche integriert - zeitlich integriert - Netto-Bilanz Heizen/Kühlen Auswirkungen der Speicher sind stark von ihrer Größe abhängig -> Voraussetzung für Auswirkungsanalyse. Räumlich aufgelöste Infrastruktur an der Oberfläche in Schleswig-Holstein als Voraussetzung für eine Wärmespeicher- Bedarfsermittlung (Nolde und Duttmann, pers. Mitt.)

13 Beispiel: Auswirkungsanalyse Wärmespeicherung Interaktion einer zyklischen Wärmespeicherung in einem oberflächennahen Aquifer mit einem TCE-Schadensfall Beeinflussung von Quellemission und des natürlichen Abbaus: Anteil abgebautes TCE: (Popp, Beyer, Dahmke, Bauer, 2014)

14 Ziele und eingesetzte Methoden in Zusammenfassung Konzepte & Methoden zur Stützung von Genehmigungspraxis und Raumplanung Speicherkapazitäten Wechselwirkungen Szenarienanalysen Auswirkungen Leitfaden Dimensionierung von Wärmespeichern Auswirkungen von Wärmespeichern und deren Monitoring Parametrisierung Identifikation und Quantifizierung der induzierten Prozesse durch experimentelle Laborarbeiten Parametrisierung der geologischen Gegebenheiten und Prozesse Identifikation der Wirkungspfade Modellentwicklung Modellwerkzeug für numerische Szenarienanalysen Skalengenaue, gekoppelte Simulation der induzierten thermischen, hydraulischen, mechanischen und geochemischen Prozesse Weiterentwicklung num. Modelle

15 Diese Arbeit wurde angefertigt im Rahmen des Verbundprojektes mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Sie sind hier

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