Modellgestützte Bilanzierung des thermischen Einflusses von Erdwärmesondenanlagen auf den Untergrund

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Charlotte Thomas
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Untergrund und das Grundwasser durch den Betrieb

1 Modellgestützte Bilanzierung des thermischen Einflusses von Erdwärmesondenanlagen auf den Untergrund Der Geothermiekongress.., Essen Thermische Auswirkungen auf den Untergrund und das Grundwasser durch den Betrieb von Erdwärmesonden-Anlagen David Kuntz, Markus Kübert, Simone Walker-Hertkorn

elektrische Energie Expansionsventil Druckleitung Verflüssiger

2 Erdgekoppelte Wärmepumpenanlage Verdichter Saugleitung (Arbeitsmedium gasförmig) Vorlauf Heiz- wärme Rücklauf Umwelt- wärme Verdampfer Einspritzleitung elektrische Energie Expansionsventil Druckleitung Verflüssiger Flüssigkeitsleitung (Arbeitsmedium flüssig) Klassischer Heizbetrieb, reversibel oder passiv zum Kühlen nutzbar

3 Dem Untergrund Wärme entziehen Welche Temperatur? kw kj kw= kw s Konduktion Wärmeleitfähigkeit C C C

4 Energietransport, Quellen & Senken im Untergrund Biologie Zerfall

5 Prozesse der thermischen Regeneration Lateraler Wärmetransport (advektiv & konvektiv) nur lokal relevant, verschiebt und verdünnt den thermischen Einfluss, ändert den Energiehaushalt eines regionalen Bilanzraumes aber nicht Interne Energiegewinne (z.b. radioaktiver Zerfall) sollen im oberflächennahen Bereich vernachlässig werden Energieeintrag von der Oberfläche (Sonne, Wetter) Energieeintrag von unten (geothermischer Wärmestrom)

6 Temperaturbandbreite aus Richtlinien

7 Technische Temperaturbandbreite Betriebsbandbreiten von Wärmepumpen: - C (- C) / + C (+ C) Quelle: Alpha-Innotec

8 Zusammenfassung Temperaturbandbreiten Ungestörte Untergrund- / Grundwassertemperatur Temperatur [ C] Thermische Wärmespeicherung (VDI, Blatt ) Anlage Neckarsulm VDI, Blatt + (Stand ) geschlossen offen SIA 8/ (Stand ) (Obergrenze materialabhängig) Bezug Untergrund / Grundwasser Bezug Wärmeträgermedium Wirtschaftliche Einsatzgrenzen von Wärmepumpen Mit / Ohne Frostschutz Fraunhofer ISE Feldstudie (7-) Bekannte Literatur & Modellprognosen? (Kühlfall nicht repräsentiert) Mit Frostschutz - Geschätzte Anlagenzahl in Deutschland: < Geschätzte Anlagenzahl in Deutschland: >. Untergrenze ebenfalls verbindlich in Baden- Württemberg & Bayern (Stand ) Hinweis: relative Angaben zu werden auf eine ungestörte Temperatur im Bereich von 8 C bis C bezogen. tewag GmbH

9 Temperaturveränderung & Reichweite Die Temperaturbeeinflussung des Grundwassers oder des Untergrundes nimmt mit zunehmendem Abstand von der Anlage ab. Dagegen nimmt das beeinflusste Boden- / Wasservolumen zu! Temperaturbeeinflussung [K] Sondeninneres (~, m³) (~ m³) (~ m³),, Entfernung zur Sonde [m] Beeinflusstes Bodenvolumen [m³] Hinweis: Diese Darstellung verdeutlicht Zusammenhänge und basiert nicht auf berechneten oder gemessenen Daten!

10 Referenzszenarien: zwei Anforderungsklassen Wohnhaus (nur Heizen) Szenario-ID: SH Bürogebäude & Rechenzentrum (v.a. Kühlen) Szenario-ID: LC -, - -, - -, - Monatliche geothermische Wärmebilanz [MWh] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez SH -, -, -,9 -, -,7 -, -, -, -, -, -,8 -, - Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez LC -, -, -,,78,98,,7,7,,8-, -, Gebäudeklasse Netto-Jahresenergiebilanz, MWh/a Wärmeentzug, MWh/a Wärmeeintrag

11 Referenzszenarien: Untergrundbeschaffenheit Grundwasserszenario Unbeweglich Unbeweglich Langsame Mittlere Strömung Strömung Szenario-ID WLF WLF VFE7 VFE Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes Wärmekapazität des Untergrundes [W/(m K)],,,, [MJ/(m³ K)],,,, Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] Hydraulischer Gradient -, %, % Darcy - Geschwindigkeit [m/s] -7 - Porosität - % % % % Geothermischer Wärmestrom [W / m²],7,7,7,7 Jahresmitteltemperatur Oberfläche [ C] 9,7 9,7 9,7 9,7

12 Beobachtungsgrößen Temperatur [K] am festen Beobachtungspunkt δ T Energiehaushalt [MWh] Energieänderung im Untergrund: δe= cv V T Beeinflusstes Volumen [m³] oberhalb einer definierten Temperaturveränderung in [K] V δt>k

13 Geschlossene Systeme (Erdwärmesonden) SH : x m LC : x m Hinweis: Die Auslegung der Sondenanlagen basierte auf der Untergrundbeschaffenheit WLF (ohne Grundwassereinfluss) anhand der Software Earth Energy Designer (v.)

14 -. Referenzszenario SH_VFE7, Jahre Betrieb Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Monate Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :, Zeit: Monate Temperaturveränderung OBSPoints [K] Domain Energiebilanz [MWh] - Beeinflusstes Volumen [m³] >. >. > > > >

15 Szenarienvergleich () Temperaturänderung [K] Energiebilanz [MWh] - - Betriebsjahre - - Extremtemperaturen im zentralen Sondenfeld Änderung Energiehaushalt Modellgebiet LC_VFE LC_WLF LC_VFE7 LC_WLF LC_VFE... SH_VFE SH_WLF SH_VFE7 SH_WLF.. LC_WLF LC_VFE7 LC_WLF LC_VFE SH_VFE δ T 7... δ E.. - SH_WLF - SH_WLF SH_VFE7 - Betriebsjahre

16 Szenarienvergleich () Volumen [m³] 7 ( Mio. m³) Um mehr als.k verändertes Volumen (. m³) LC_VFE7 LC_WLF LC_WLF LC_VFE SH_WLF SH_VFE7 SH_WLF SH_VFE Betriebsjahre

17 Szenarienvergleich () Volumen [m³] (. m³) Um mehr als K verändertes Volumen (. m³) (. m³) Betriebsjahre LC_WLF LC_WLF LC_VFE7 SH_WLF SH_VFE7 SH_WLF LC_VFE SH_VFE

18 . Szenarienvergleich () Volumen [m³] Um mehr als K verändertes Volumen (. m³) ( m³) LC_WLF ( m³) LC_WLF LC_VFE7 SH_WLF LC_WLF SH_VFE7 Betriebsjahre

19 Lokaler & Regionaler Bilanzraum Horizontaler Modellschnitt bei Z = -., X:Y = :, Zeit: Jahre Regeneration Unbegrenzt Begrenzt Temperaturveränderung [K] LC_VFE7 Maximaler Resteinfluss <, K nach Jahren

20 Fazit Temperaturfahnen von geothermischen Anlagen werden in Jahren nicht stationär ( Energiehaushalt). Temperaturen an diskreten Beobachtungspunkten verändern sich nach einigen Jahren (mit Grundwasser) bzw. Jahrzehnten (ohne Grundwasser) jedoch nicht mehr signifikant. Der Gesamteinfluss großer Anlagen mit einseitiger Bilanz kann sich auf mehrere Mio. m³ Untergrundvolumen erstrecken, die mittlere Temperaturabweichung ist jedoch sehr klein (< K). Temperaturbeeinflussungen von mehr als K Abweichung beschränken sich auf den Nahbereich von thermisch aktiven Bauteilen. Extremwerte in LC_WLF: 8K Abweichung, beeinflusstes Volumen: m³. Dies entspricht bei Sonden á m Tiefe dem Bereich cm um die Sonden herum.

21 Modellgestützte Bilanzierung des thermischen Einflusses von Erdwärmesondenanlagen auf den Untergrund Der Geothermiekongress.., Essen Thermische Auswirkungen auf den Untergrund und das Grundwasser durch den Betrieb von Erdwärmesonden-Anlagen David Kuntz, Markus Kübert, Simone Walker-Hertkorn

23 Szenario SH_WLF Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] >. >. > - > > Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z =.:, Zeit: Jahre >

24 - Szenario SH_WLF - Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z =.:, Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] >. - >. > - - > >

25 -. Szenario SH_VFE7 Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :., Zeit: Jahre - - Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] >. - >. > - - > > >

26 Szenario SH_VFE Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :., Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :., Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] - >. - - >. - > - - > - -8 > -

27 . Szenario LC_WLF Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :, Zeit: Jahre Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] 7 >. >. > > > >7 >

28 . Szenario LC_WLF - Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :, Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] 8 7 >. >. > > >

29 Szenario LC_VFE7 - Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :, Zeit: Jahre - - Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] 8 7 >. >. > > > >

-8. - 7 7 Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen

30 Szenario LC_VFE - Horizontaler Schnitt bei Z = -, X:Y = :, Zeit: Jahre Vertikaler Schnitt bei Y =, X:Z = :, Zeit: Jahre Temperaturveränderung OBSPoints [K] Beeinflusstes Volumen [m³] Domain Energiebilanz [MWh] 8 7 >. >. > >

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