Tunnelgeothermie - Internationale Erfahrungen zu regenerativen Energiekonzepten im Tunnelbau

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1 Tunnelgeothermie - Internationale Erfahrungen zu regenerativen Energiekonzepten im Tunnelbau Patrik Buhmann Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart Christian Moormann Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart Sebastian Homuth Züblin Spezialtiefbau GmbH Norbert Pralle Ed. Züblin AG Wolf Friedemann Ed. Züblin AG

2 Einführung Übersicht Einführung Pilotanlagen Geothermisches Potenzial Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Einführung Offene Systeme Tunnel Typ Wärmeleistung [MWha] Furka Eisenbahn 1700 Gotthard Straße Hauenstein Eisenbahn 2100 Ricken Eisenbahn 249 Lötschberg Eisenbahn

4 Einführung Geschlossene Systeme 4

5 Einführung Wärmetransport Im Aquifer: div λ grad ϑ ρ C p w div v ϑ + div D λ grad ϑ + ϑ Q ሶ = ρ C p t In der Schale: 2 π l Q ሶ = λ θ ln r 2 Τr 1 θ 2 1 Am Übergang: q ሶ = λ fw dϑ dy w = α ϑ w ϑ 5

6 Einführung Wärmetransport ሶ Q = ሶ V ρ w c p,w θ in θ out Erdreich Q GEO q ሶ = λ 2 π r dt dr QTL QGEO Tunnel Q TL q w w q y Duo-Hybrid-Systeme ሶ q = λ fw dθ dy w = α θ w θ h Lh th w(y) Lth q(y) x 6

7 Pilotanlagen Pilotanlagen Tunnel Jenbach Tunnel Stuttgart-Fasanenhof Absorberleitungen Temperaturmessung Absorberleitungen 7

8 Pilotanlagen Tunnel Jenbach zweigleisiger Bahntunnel l = 3470 m Ausbruchquerschnitt 134 m² Maschinell vorgetriebener Tunnel mit Tübbingausbau 4700 m Absorberleitungen Ø 25 mm 2200 m² geothermisch aktivierte Fläche 1 zusammenhängender Tunnelabschnitt mit 54 m Länge 8

9 Pilotanlagen Tunnel Jenbach Hauptanstromrichtung Nebenanstromrichtung Filtergeschwindigkeiten v f [m/d] min i [-] max i [-] max kf [m/s] min kf [m/s] 0,86 5,18 0,01 0,05 9

10 Pilotanlagen Tunnel Jenbach Wärmestromdichte q W/m² 10

11 Pilotanlagen Tunnel Stuttgart-Fasanenhof zweigleisiger Stadtbahntunnel l = 380 m Ausbruchquerschnitt 72 m² Bergmännisch vorgetriebener Tunnel mit Innen- und Außenschale 800 m Absorberleitungen Ø 25 mm 360 m² geothermisch aktivierte Fläche 2 separate Blöcke á 10 m 11

12 Pilotanlagen Tunnel Stuttgart-Fasanenhof Wärmestromdichte q 5 30 W/m² 12

13 Geothermisches Potential Tunnelgeothermisches Potenzial Entzugsleistung Erdreich Q GEO Tunnel Q TL Q OUT Welche maximale Wärmestromdichte kann die Tunnelgeothermieanlage in der Absorberebene zur Verfügung stellen? Welche Wärmeenergie stellt der Primärkreislauf unter Berücksichtigung der Ausbildung und Steuerung des Absorbers zur Verfügung? 13

14 Geothermisches Potential Numerische Simulationen Boden Tunnelschale Temperatur RB Absorberleitungen 14

15 Geothermisches Potenzial Stuttgart-Fasanenhof Energiebedarf [kwh] Mai Geothermisches Potential Heizwärmebedarf Warmwasserbedarf [ C] Wärmestromdichte q W/m² Zeitachse [d] Frühling Sommer Herbst Winter Frühling Tunnellufttemperatur Oberflächentemperatur außerhalb des Tunnels Geothermisches Potenzial 1 [W/m²]

16 Geothermisches Potential Wirtschaftlichkeit Unter der Berücksichtigung von Wärmestromdichten zwischen 25 bis 38 W/m² und Tunneldurchmessers zwischen 7,0 bis 12,0 m können KfW-70 -Effizienzhäusern mit Wärmeenergie versorgt werden. Vergütung des thermisch genutzten Tunnelabschnitts mit 0,06 /kwh und Verrechnung mit den Investitionskosten (abhängig von Tunneltyp und Entzugsleistung) ermöglicht Amortisationszeiten zwischen 9 und 15 Jahren. 16

17 Zusammenfassung und Ausblick Schnittstellen und Betreiberkonzepte Wie kommt die Energie vom Absorber zum Verbraucher? Wie wird der Tunnelbetreiber zum Energieversorger? Versorgungspunkt Technische Gebäudeausstattung TGA Technische Baugrundausstattung TBA 17

18 Zusammenfassung und Ausblick Schnittstellen und Betreiberkonzepte Stutzen Verbindungsrohr Absorberleitungen Blockfuge Außenschale Innenschale Hybridsysteme: thermische Aktivierung Ziel: Klare Trennung zwischen TBA und TGA 18

19 Zusammenfassung und Ausblick Experimentell nachgewiesene Wärmestromdichten bis 40 W/m², Geothermisches Potenzial bis ca. 300 W/m² Das geothermische Potenzial von Tunnelgeothermieanlagen ist neben dem Einfluss der Untergrund- und Tunnellufttemperatur vor allem vom Betriebsprofil abhängig, das hydrogeologische Regime bestimmt, ob die Tunnelgeothermieanlage in einem Speicherbetrieb genutzt werden kann Technisch sind Tunnelgeothermiesysteme ausgereift und entsprechende Ergiebigkeitsszenarien nachgewiesen, Lösungen zum Anschluss der Tunnel an den Endverbraucher sind weiter zu entwickeln Ein Erfolgsfaktor für diese Technik ist die Bereitschaft von Tunnel- bzw. Infrastrukturbetreibern und Energieversorgern die juristischen Bedingungen für ein tragfähiges Geschäftsmodell weiter zu entwickeln 19