Nutzung der untiefen Geothermie am Beispiel des Standortes Ettlingen (Baden-Württemberg)

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1 Prof. Dr. Rolf Bracke FACHHOCHSCHULE BOCHUM UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Nutzung der untiefen Geothermie am Beispiel des Standortes Ettlingen (Baden-Württemberg) Ermittlung geothermischer Potenziale Visualisierung mittels Geographischer Informationssysteme (ArcView)

2 Vorgehensweise Standortfindung für eine geeignete Musterkarte (Landkreis oder Stadt) Ermittlung der geologischen und topographischen digitalen Grundlagendaten für den Stadtkreis Ettlingen Auswertung der Hydrogeologischen Kartierung im Raum Karlsruhe-Speyer (1988) Ermittlung von genehmigungsrechtlichen Hindernissen (Wasserschutzgebiete)

3 Vorgehensweise II Quantifizierung der Entzugsleistungen für Erdwärmesondenanlagen auf der Grundlage der ermittelten Datenlage und den Vorgaben der VDI 4640 GIS - unterstützte Konstruktion und Darstellung der Nutzungspotentiale im Massstab 1: Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf andere Landkreise

4 Wahl des Standortes Ettlingen repräsentativ für weitere Regionen in der Oberrheinebene und im nördlichen Schwarzwald aufgrund der Anteile an den tektonischen Einheiten des Oberrheingrabens (Lockergesteine) und der Buntsandsteinformation (Festgesteine). Unterstützung des Forschungsvorhabens durch die Stadt Ettlingen

5 Geowissenschaftliche Datengrundlage Digitale topographische Karte im Maßstab 1: Flächennutzungsplan 2010 der Stadt Ettlingen. Daten zu bestehenden Aufschlußbohrungen, die weitestgehend vom LGRB zur Verfügung gestellt wurden. Geologische Karte im Maßstab 1: Hydrogeologischen Kartierung im Raum - Karlsruhe- Speyer (1988). Karte der Wasserschutzgebiete.

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9 Oberflächennahe Geothermie Nutzung der untiefen Geothermie bis 400 m Tiefe als - Wärmequelle (Heizung + elektrische Energie), - Wärmesenke (Kühlzwecke), - Wärmespeicher.

10 Oberflächennahe Geothermie jahreszeitlich konstante Temperaturen von ca C bereits in wenigen Meter Tiefe

11 Oberflächennahe Geothermie ständige Erneuerung der entzogene Wärme durch: - Sonneneinstrahlung, - fließendes Grundwasser, - Grundwasserneubildung (Niederschlag), - Wärmefluß aus dem Erdinnern.

12 Oberflächenaher Wärmefluß

13 Prinzip der Wärmepumpe Wärmeentzug aus der Umwelt über Wärmetauscher hier: vertikale Erdwärmesonden Kreisprozeß mit Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion eines Kältemittels umgekehrtes Prinzip des Kühlschrankes Erhöhung der Temperatur der Wärmequelle auf Nutzungs- Temperaturen von C. Zufuhr von elektrischer Energie in Höhe von ca. 1/5 der insgesamt gewonnenen Wärmeenergie Leistungszahl der Wärmepumpe ca. 5

14 Heizung Vorlauf: Warmwasser zur Fußbodenheizung Niederdruck Hochdruck Kompressor Motor Kondensator (Wärme wird frei) Abgekühlte Sole T = 0 C Solepumpe Erwärmte Sole T = 5 C Expansionsventil Erdsonden Verdampfer (Wärme wird entzogen)

15 Erdwärmesondenanlage rmesondenanlage i.d.r. vertikale Doppel-U-Rohre aus HDPE-Kunstoff, Einsatz in m tiefen Bohrungen, geringer Flächenbedarf (1-3 Bohrungen für EFH). Wärmeträgerflüssigkeit ist i.d.r. ein Wasser- / Glykol-Gemisch. Abhängigkeit des Wärmeentzuges und der Dimen-sionierung der Anlage von den standortspezifischen geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen.

16 Geothermische Einflussgröß ößen Das geothermische Potential für Erdwärmesonden-anlagen (mittlere Wärmeentzugsleistung) ist abhängig von den thermischen Eigenschaften der durch die geothermische Nutzung aufgeschlossenen lithologischen Einheiten (Schichtglieder). Relevante Parameter für die Beschreibung des Wärmetransportes innerhalb der Gesteine - Wärmeleitfähigkeit λ - Wärmekapazität c - Temperaturleitfähigkeit (Diffusivität) κ

17 Zusammenhang zwischen Wärme- leitfähigkeit und Wassergehalt

18 Geologie des Standortes Differenzierung in tektonische Haupteinheiten: Oberrheingraben mit den tektonischen Untereinheiten - östliche Grabenscholle (mächtige Niederterrasse des Rhein), - Randscholle (Ausläufer der Niederterrasse des Rheins, Albschotter, Löß- und Auelehme), - Vorbergzone (Hangschutt, Lößablagerungen, Anstieg des Tertiärs) Randgebirge (Schwarzwald) - Buntsandsteinformation

19 Untergrundaufbau (Profile) Oberrheingraben - Quartär: m mächtige rollige und bindige Lockersedimente, - Pliozän (Jungtertiär): m mächtige rollige und bindige Lockersedimente, - Alttertiär: ab Tiefen von 30 - > 100 m Kalk- und Mergelsteine. Randgebirge (Schwarzwald) - Quartär: 0-10 m mächtiger Hangschutt und Lößablagerungen, - Oberer Buntsandstein: 0 70 m mächtig, - Mittlerer Buntsandstein (einschl. Hauptkonglomerat und Kristallbuntsandstein): Mächtigkeiten von > 200 m.

20 A 115 NN m A Quartär 112 NN m NN m Qua rtär Oberer Buntsandstein Karne olh orizont Kri sta l- sandstein Oberer Buntsandstein Karneolhorizont Kristallsandstein Quartär Kristallsandstein 111 NN m Quartär Hauptkong lomerat Mittlerer Buntsandstein Mittlerer Buntsandstein NN m Mittlerer Buntsandstein 103 NN m Quartär NN m NN m NN m NN m 63 NN m 53 NN m 26 NN m Quartär NN m Pliozän NN m NN m Quartär NN m NN m Tertiär (Festgestein) Mittlerer Buntsandstein NN m Pliozän NN m Pliozän Tertiär (Festgestein) NN m NN m m m m m m m m m m m m Östliche Grabenscholle Randscholle Vorbergzone Randgebirge (Schwarzwald) Wattko pf Albtal

21 Hydrogeologie des Standortes Oberrheingraben Porengrundwasserleiter in den Lockersedimenten - Quartär: z.t. mehrere Grundwasserstockwerke (max. 3) in der Niederterrasse des Rheins, die hydraulisch miteinander verbunden sind (hoher Kiesanteil, sehr hohe Durchlässigkeiten, starker Grundwasserfluß), - Pliozän: 1-2 Grundwasserstockwerke (geringer Kiesanteil, vergleichsweise geringe Durchlässigkeiten). Randgebirge (Schwarzwald) Kluftgrundwasserleiter in Tiefen, die i.d.r. nicht durch Erdwärmesonden erschlossen werden.

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23 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten im Stadtgebiet Ettlingen Für sämtliche relevante lithologischen Einheiten im Stadtgebiet Ettlingen wurden die Wärmeleitfähigkeiten durch Messungen bestimmt bzw. abgeschätzt. In dem für die Anlage von Erdwärmesonden relevanten Teufenbereich (0-100 m) sind hierbei folgende lithologische Haupteinheiten zu berücksichtigen: Buntsandstein tertiäres Festgestein pliozäne Lockersedimente quartäre Lockersedimente

24 Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit für den Buntsandstein - Entnahme von Bohrkernen und Lesesteinen aus dem Oberen und Mittleren Buntsandstein (verteilt über die gesamte Schwarzwaldregion im Ettlinger Stadtgebiet). - Messung der Wärmeleitfähigkeit mittels Popov- Sonde an insgesamt 69 Proben Wärmeleitfähigkeit des mittleren Buntsandstein λ = 3,9-4,3 W/m K Wärmeleitfähigkeit des oberen Buntsandstein λ = 2,85 W/m K

25 Messung der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins mittels Popov-Sonde

26 Abschätzung der Wärmeleitfähigkeiten des tertiären ren Festgesteins steht im Bereich des Oberrheingrabens erst ab Tiefen von 30 m an. Es stehen keine Bohrkerne zur Messung der Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung. Abschätzung mittels Literaturwerten: λ = 2,5 3,0 W/(m K).

27 Wärmeleitfähigkeiten im Lockergestein Die Wärmeleitfähigkeit von Lockersedimenten ist abhängig von Mineralart, Korngöße, Porenvolumen und -füllung, wobei der Haupteinfluß der Wassergehalt darstellt. Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit mittels Literaturwerten. Messungen der Wärmeleitfähigkeit bedeuten einen unverhältnismäßigen Aufwand.

28 Abschätzung der Wärmeleitfähigkeiten für die quartären ren und pliozänen Lockergesteine mittlere bis hohe Wärmeleitfähigkeiten in den wassergesättigten Kiesen und Sanden mit λ= 1,7-5,0 W/m K - grundwasserführende quartäre Kiese und Sande (hohe Durchlässigkeit und großes Porenvolumen) mit λ > 3 W/m K - grundwasserführende pliozänen Kiese und Sande (vergleichsweise geringe Durchlässigkeit) mit λ < 3 W/m K geringe Wärmeleitfähigkeiten in den trockenen quartären und pliozäne Sedimente (u.a. Löß, Tone und Schluffe des Kinzig- Murg-Flußsystems, Rheinsande, Hangschutt, pliozäne Tone und Lehme) mit λ <1,5 W/m K

29 Quantifizierung der Nutzungspotentiale Quantifizierung der spezifischen Entzugsleistungen für Erdwärmesondenanlagen gemäß der VDI 4640:

30 Quantifizierung der Nutzungspotentiale Quantifizierung der spezifischen Entzugsleistungen für Erdwärmesondenanlagen gemäß der VDI 4640 (2400 Jahresbetriebstunden) : schlechter Untergrund (trockenes Sediment) (λ < 1,5 W/m K) ergibt ca. 20 W/m Normaler Festgesteins-Untergrund und wassergesättigtes Sediment (λ 1,5 3,0 W/m K) ergibt ca. 50 W/m Günstiger Untergrund; Festgestein mit hoher Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/m K) ergibt ca. 70 W/m

31 Zuordnung der lithologischen Einheiten im Stadtgebiet Ettlingen zu Wärmeentzugsklassen Wärmeentzugsklasse Zugeordnete Lithologische Untereinheiten Spezifische Wärmeentzugsleistung Klasse 1: Mittlerer Buntsandstein Klasse 2: Oberer Buntsandstein Mittlerer Buntsandstein Hauptkonglomerat Kristallsandstein Oberer Buntsandstein Karneolhorizont 70 W/m 50 W/m Klasse 3: tertiäres Festgestein Tertiäres Festgestein 50 W/m Klasse 4: pliozäne Sedimente Klasse 5: grundwassergesättigte quartäre Kiese und Sande Klasse 6: grundwasserfreie quartäre Sedimente und Auffüllungen Grundwasserführende Kiese und Sande Grundwasserfreie Kiese und Sande Tonige und lehmige Zwischenhorizonte grundwassergesättigte Kiese und Sande der Niederterrasse des Rheins Äolische Löß- und Lößlehmablagerungen (Schluffe und Feinsande) Ablagerungen des Kinzig Murg - Flusssystems (Tone, Schluffe, Moorböden und Torfe) Holozäne Aue- und Talsande (Feinsande mit z.t. kiesigen und schluffigen Anteilen) Hangschutt (verlehmte Schotter und Gerölle) Grundwasserfreie Kiese und Sande der Niederterrasse des Rheins Nacheiszeitliche Bodenbildungen und anthropogene Auffüllungen. 40 W/m 80 W/m 20 W/m

32 Bearbeitung und Darstellung mittles Geo-Informationsystem (GIS) Bearbeitung und Darstellung der zugrundeliegenden geowissenschaftlichen Informationen Ermittlung und Dokumentation der geothermischen Potentiale für Sondenlängen von 50 m und 80 m Kartenmaßstab 1 : Zur Integration von Flächen- und Punktinformationen wird ein Bewertungsraster mit Kantenlänge 250 x 250 Meter automatisch generiert (mit Hilfe eines Avenue-Skriptes View.Mapgrid)

33 Räumliche Verteilung der relevanten geologischen Einheiten Ermittlung für jedes Rasterelement auf Grundlage: Höhenlinien-Darstellung der Topographischen Karte Hydrologische Kartierung (Oberrheingraben) - Gleichenplan des Mittleren Grundwassers - Isolinienkarte der Basis der quartären Sedimente - Isolinienkarte der Basis der pliozänen Sedimente Isolinienkarte des Trennhorizontes zwischen Oberen und Mittleren Buntsandstein (Geologische Karte) Schichtinformationen aus 156 Aufschlussbohrungen

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36 Potentialbestimmung I Durch manuelle Extra- und Interpolation von - Bohrpunkten mit Schichtenverzeichnissen - Geologischen Karten und Schichtengrenzen (teils digital), - Grundwasserflurabstandskarten wird für jedes Bewertungsquadrat eine repräsentative Schichtenfolge ermittelt.

37 Potentialbestimmung II Unter Berücksichtigung des Grundwasserstandes wird daraufhin in MS Excel jeder Gesteinseinheit - ein Wärmeleitfähigkeitspotential zugeordnet, danach werden - die Gesteinsanteile über die Tiefe von 50 bzw. 80 m aufsummiert und gemittelt.

38 Potentialbestimmung III Separat für jedes Rasterelement Die mittlere Wärmeentzugsleistung ergibt sich aus der Summe der Wärmeentzugsleistungen der einzelnen lithol. Einheiten entsprechend ihres Anteils (Mächtigkeit) an der Gesamtsondenlänge

39 Berechnung der Nutzungspotentiale

40 Nutzungspotentiale aus Bohrprofilen Beispieldarstellung für Raster 1640: Quartär (Q_ tr) Quartär gesättig t (OKL_wf) NN + 117,50 m 2,50 m 19,00 m NN + 115,00 m NN + 96,00 m Sondenlänge Q80 m Q50 m Pliozän (80_Plio) 39,00 m NN + 57,00 m Tertiär (Festgestein) (80_Tert) 19,50 m (Anteil) NN + 32,50 m 25.00

41 Berechnung der mittleren Wärme- entzugsleistung für 80 m - Sonden Beispielberechnung für Raster 1640: Quartär (Q_ tr) Quartär gesättigt (OKL_wf) NN + 117,50 m 2,50 m 19,00 m NN + 115,00 m NN + 96,00 m Sondenlänge Q80 m Q50 m Berechnung der anteiligen Entzugsleistung: Quartär 20 W / m (Q80_Sed_tr) Quartär 80 W / m gesättigt (Q80_OKL_wf) 2,50 m X = 0, 63 W / m 80 m 19,00 m X = 19,00 W / m 80 m Pliozän (80_Plio) 39,00 m Pliozän (Q80_Plio) 40 W / m 39,00 m X = 19,50 W / m 80 m NN + 57,00 m ,50 m (Anteil) Tertiär (80_Tert) 50 W / m 19,50 m X = 12,19 W / m 80 m Tertiär (Festgestein) (80_Tert) NN + 32,50 m Q80_Summe = 51,32 W / m

42 Darstellung der mittleren Wärmeentzugsleistungen (Klassen) Die sich aus den mittleren Wärmeentzugsleistungen ergebenden geothermischen Potentiale werden in 4 Klassen eingeteilt: Sehr hoch (mittlere Wärmeentzugsleistung von > 60 W/m) Hoch (mittlere Wärmeentzugsleistung von > W/m) Mittel (mittlere Wärmeentzugsleistung von > W/m) Niedrig (mittlere Wärmeentzugsleistung von < 40 W/m)

43 Schematische Darstellung

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46 Ergebnisse I (Schwarzwaldregion( Schwarzwaldregion) weitestgehend hohes bis sehr hohes Potential aufgrund des Buntsandsteins. im Bereich der Hochflächen und Erhebungen aufgrund des hier anstehenden Oberen Buntsandsteins geringeres Potential als in den tieferliegenden Bereichen (Mittlerer Buntsandstein). bei 80 m Sondentiefe ist ein höheres Potential zu erwarten als bei 50 m Sondentiefe, da größere Anteile des Mittleren Buntsandsteins aufgeschlossen werden.

47 Ergebnisse II (Oberrheingraben( Oberrheingraben) großräumig betrachtet: Abnahme des geothermischen Potentials von Nordwesten nach Südosten. hohes bis sehr hohes Potential im westlichen Bereich aufgrund des großen Anteil der grundwasserführen-den Sande und Kiese der Niederterrasse des Rheins. geringes bis mittleres Potential in der östlichen Zone (insbes. Vorbergzone und Kerngebiet von Ettlingen) aufgrund der hohen Anteile an grundwasserfreien Sedimenten.

48 Ausschlußfl flächen für die geothermische Nutzung ca. 15 % des Stadtgebietes Ettlingen stellen Ausschlußflächen für die geothermische Nutzung dar: Genehmigungsrechtliche Auschlußflächen - fünf zusammenhängende Wasserschutzgebiete der Zonen I, II und III A sonstige Auschlußflächen - Wasserflächen

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