Technische und ökonomische Perspektiven der Tunnelgeothermie

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Gretel Braun
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Universität Stuttgart Technische und ökonomische

für f r Geotechnik 2 PSP Consulting Engineers GmbH,

Oktober 2011 Gliederung stechniken Energetische

Konstruktion Energieanlage Messtechnik Kosten System

1 Universität Stuttgart Technische und ökonomische Perspektiven der Tunnelgeothermie Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann 1 Dipl.-Geol. Marcus Schneider 1,2 1 Universität t Stuttgart, Institut für f r Geotechnik 2 PSP Consulting Engineers GmbH, MünchenM VEGAS-LFZG LFZG-Kolloquium, Stuttgart, 06. Oktober 2011 Gliederung stechniken Energetische Ergiebigkeit Projekt Stuttgart-Fasanenhof (GeoTU6) Konstruktion Energieanlage Messtechnik Kosten System Baugrund Tunnel Tunnelluft Wärmetransport, Temperaturfeld Messergebnisse Numerische Untersuchungen 2 Schlusswort

2 stechniken der Tunnelgeothermie Oberflächennahe Geothermie 3 Offene Systeme Hydrogeothermisches Energetische Verwertung von Wasser aus Bergwasserdränagen Dränage aus statischem Erfordernis zum Abbau Wasserdruck auf Tunnelschale Nebenprodukt Geschlossene Systeme Wärmeaustauscherrohre in Bauteilen des Bauwerks Durchströmung Aborberfluid Aufnahme Umgebungswärme Verwertung durch Wärmepumpe stechniken der Tunnelgeothermie Oberflächennahe Geothermie Offene Systeme Hydrogeothermisches Geschlossene Systeme Tunnelbau in offener Bauweise Bergmännisch maschinell Bergmännisch konventionell 4

3 stechniken der Tunnelgeothermie Tunnelbau in offener Bauweise U-Bahn-Bau Wien (U2) 5 Abb.: Markiewicz stechniken der Tunnelgeothermie Tunnelbau in offener Bauweise 6 Abb.: TU Darmstadt

4 stechniken der Tunnelgeothermie Tunnelbau Bergmännisch in offener maschinell Bauweise Abb.: Fa. Herrenknecht Abb. Franzius u. Pralle (2011) 7 Energietübbing-System mit Kopplung in der Längsfuge: Tunnel Jenbach (A) Abb. Frodl, Franzius, Bartl (2010) stechniken der Tunnelgeothermie Tunnelbau Bergmännisch in offener maschinell Bauweise Abb.: Fa. Herrenknecht 8 Thermisch aktivierte Tübbinge, System mit Kopplung in der Ringfuge: Studie Abb.:

Hydrogeothermisches Gotthardtunnel (Straße) 7.

l/min - 16 C 0,68 MW t Hauensteintunnel, 2.

200 l/min 12 C - 0,5 MW t Furkatunnel, 5.

Tunnel bei Wien, rund 14 W/m² dauerhaft Tunnel

10... 20 W/m² Stadtbahntunnel Stuttgart-

5 stechniken der Tunnelgeothermie Tunnelbau Bergmännisch in offener konventionell Bauweise 9 Lainzer Tunnel, Wien Abb.: Markiewicz Energetische Ergiebigkeit 10 Hydrogeothermisches Gotthardtunnel (Straße) l/min - 15 C 4,5 MW t Mappo-Morettina 980 l/min - 16 C 0,68 MW t Hauensteintunnel, l/min 19 C - 2,3 MW t Rickentunnel, l/min 12 C - 0,5 MW t Furkatunnel, l/min 16 C - 3,7 MW t Rybach (2008) Lainzer Tunnel bei Wien, rund 14 W/m² dauerhaft Tunnel Jenbach thermisch aktivierte Tübbinge: 15 kw bzw W/m² Stadtbahntunnel Stuttgart- Fasanenhof, konservative Schätzung vor Anlagenbetrieb, grundlastdeckend langfristig W/m² bzw. 1,8 kw bis 3,6 kw

6 GeoTU6 Konstruktion TBA 11 GeoTU6 Konstruktion TBA 12 Abb.:

GeoTU6 Messtechnik Langzeitbeobachtung von Gebirge, Beton,

Tunnelgeothermische Ausrüstung pro Tunnelmeter Materialkosten wie

7 GeoTU6 Messtechnik Langzeitbeobachtung von Gebirge, Beton, Tunnelluft Luftströmung 13 Überschlägige Kostenabschätzung Tunnelgeothermische Ausrüstung pro Tunnelmeter Materialkosten wie Fixierleisten Absorberleitungen, Anschlussleitungen, Hauptleitung, Formteile, Ventile etc. Personalkosten wie Montage, Zusammenschluss der Leitungen etc.) 14 Sonstige Kosten wie z.b. erhöhter Schalungsaufwand, Druckprüfungen

8 Überschlägige Kostenabschätzung Tunnelgeothermische Ausrüstung pro Tunnelmeter Wärmepumpe, Umwälzpumpe, übergeordnete Installationsleistungen Gesamtinvestitionskosten Tunnelgeothermie Investitionskosten pro Tunnelmeter 425 /m * 380 m = Investitionskosten pro kw Rohbaukosten nur bergmännischer Tunnel (ohne Betriebstechnik) Anteil an den Rohbaukosten Anteil an den Gesamtbaukosten ,2 % < 1% Überschlägige Kostenabschätzung Investitionskosten pro kwh für unterschiedlich lange Zeiträume und unterschiedliche geothermische Leistungen 0,25 /kwh 0,20 2,0 kw / Energieblock bzw. 11 W/m² 2,5 kw / Energieblock bzw. 13,9 W/m² Investitionskosten/kWh 5 a Investitionskosten/kWh 10 a Investitionskosten/kWh 15 a Investitionskosten/kWh 20 a Spezifische Investionskosten 0,15 0,10 0,05 3,0 kw / Energieblock bzw. 16,7 W/m² 3,5 kw / Energieblock bzw. 19,4 W/m² 2,7 kw / Energieblock bzw. 15 W/m² 4,0 kw / Energieblock bzw. 22,2 W/m² 16 0, kw 160 Geothermische Gesamtleistung Tunnel Basis: 8 Volllaststunden für Heizen und Kühlen (Jahresmittel)

des Wärmetransports (Konduktion) sind Temperaturgradienten im Material konvektiv konduktiv konduktiv-konvektiv

9 System Baugrund Tunnel Tunnelluft Die Hauptmechanismen des Wärmetransports sind überwiegend Wärmeleitung (Konduktion) und Konvektion Ursache des Energietransports bzw. des Wärmetransports (Konduktion) sind Temperaturgradienten im Material konvektiv konduktiv konduktiv-konvektiv Temperaturfelder 17 Die Temperaturänderungen in Abhängigkeit von Ort und Zeit bilden das Temperaturfeld (TF) ab. (x,t) TF primär TF sekundär TF tertiär System Baugrund Tunnel Tunnelluft TF primär OF (t) Geo (z) 18

10 System Baugrund Tunnel Tunnelluft TF sekundär 19 System Baugrund Tunnel Tunnelluft TF tertiär Q (z) Q (z) Q (z) Erdwärme Solar Geo Energiebilanz stationäres Langzeitmittel Q abs Q Erdwärme Q Luft 20

11 Messergebnisse TF sekundär Monate Tunnelluft, Bauwerk, Untergrund Tunnelluft 18 C 16 Untergrund Temperatur Tunnelschale Datenverlust ausgeglichen durch TMK 81 Mai 10 Jun 10 Jul 10 Aug 10 Sep 10 Okt 10 Nov 10 Dez 10 Jan 11 Feb m 11 Entfernung von der Innenschale 21 Messergebnisse Anlagenbetrieb: Kühlen q Tage Wärmestromdichte und Tage Tunnelluft / Außenluft W/m 2 C Temperatur Tunnelluft Temperatur Außenluft Wärmestromdichte Wärmestromdichte Kreislauf 1 Wärmestromdichte Kreislauf Temperatur Zeit 22

12 Numerische Untersuchungen Kalibrierung und Validierung der numerischen Modelle Zeitliche und räumliche Veränderung der Temperatur im Untergrund infolge geothermischer Nutzung <= 0,1 K ab 13,40 m Leistungsfähigkeit des Absorbersystems Einfluss der Tunnelluft Einfluss des Grundwassers Anwendungsbeispiele TF primär 23 Numerische Untersuchungen Instationäre numerische Simulationen im TF sekundär TF sekundär Oktober 2009 TF sekundär März

Numerische Untersuchungen Numerische Simulationen im TF tertiär 1 h 5 d 15 d 30 d 25 Schlusswort Hoher Grad an Erdberührung Geringes Maß an technischer Modifikationen erforderlich, um dem Tunnel

13 Numerische Untersuchungen Numerische Simulationen im TF tertiär 1 h 5 d 15 d 30 d 25 Schlusswort Hoher Grad an Erdberührung Geringes Maß an technischer Modifikationen erforderlich, um dem Tunnel neben der statischen auch eine thermische Funktion zu geben. Die Arbeiten können gut in den Baubetrieb eingegliedert werden. Die Tunnelgeothermie ist ein noch kleiner Teilaspekt der Geothermie, die wiederum einen überschaubaren Teilbereich der Erneuerbaren Energien abdeckt. Die gezeigten Beispiele machen jedoch das Potenzial und die Vorteile tunnelgeothermischer Anwendungen deutlich. 26

14 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Förderung Kooperation 27

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