Urbane Wärmeinseln im Untergrund. Peter Bayer Ingenieurgeologie, Department für Erdwissenschaften, ETH Zurich

Urbane Wärmeinseln im Untergrund Peter Bayer Ingenieurgeologie, Department für Erdwissenschaften, ETH Zurich FH-DGG 2014 Bayreuth, 28.05.2014

Ein Phänomen in Atmosphäre Peter Bayer 03.09.2015 2

Ein Phänomen in Atmosphäre und Untergrund Peter Bayer 03.09.2015 3

Ein Phänomen in Atmosphäre und Untergrund mit vielen möglichen Wärmequellen. Peter Bayer 03.09.2015 4

Folgen Wir erhöhen passiv die Temperatur des Untergrunds und Grundwassers unter Städten. Wir beeinflussen die Grundwasserqualität. Wir speichern kontinuierlich Energie, die wir geothermisch nutzen können. Wir erschweren das Kühlen mit Grundwasser. Peter Bayer 03.09.2015 5

Spatial analysis of urban groundwater temperatures Peter Bayer 03.09.2015 6

Beispiele Berlin, Köln, Karlsruhe, Zürich (1) Messungen (2) Räumliche und zeitliche Beschreibung (3) Prozesse und Wärmequellen (4) Gespeicherte Energie und geothermisches Potential Peter Bayer 03.09.2015 7

Temperaturprofile in Brunnen von Köln (2009) Peter Bayer 03.09.2015 8

Temperaturprofile in Brunnen von Berlin (2010) Peter Bayer 03.09.2015 11

Berlin: mittlere Grundwassertemperaturen in 20 m Tiefe Nach Daten Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz, Berlin 2010 Peter Bayer 03.09.2015 12

Berlin: Urbane Wärmeinsel in Atmosphäre und Grundwasser Nach Daten Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz, Berlin 2010 Peter Bayer 03.09.2015 13

Korrelation: Urbane Wärmeinseln in Atmosphäre und Grundwasser Temperatur Grundwasser ( C) Berlin München Köln Karlsruhe Temperatur Landoberfläche ( C) Peter Bayer 03.09.2015 14

Köln im Jahr 2009 Temperaturprofile in 72 Brunnen (20-100m) auf einer Fläche von 140 km 2. PT-100, vertikale Auflösung von 1m. Peter Bayer 03.09.2015 15

Köln im Jahr 2009 Temperaturprofile in 72 Brunnen (20-100m) auf einer Fläche von 140 km 2. PT-100, vertikale Auflösung von 1m. 11 C >16 C Karte für 15 m u. GOK. Peter Bayer 03.09.2015 16

1974 Köln 2009 +0.4 +1.2 ±0 +0.7 +0.2 ±0 +0.6 Balke (1977) Zhu et al. (2010) Peter Bayer 03.09.2015 17

Karlsruhe Peter Bayer 03.09.2015 18

(Modifiziert nach Menberg et al., 2013) Peter Bayer 03.09.2015 19

Temperatur-Tiefenprofil: Limmatnah, im Einflussbereich eines Fernwärmenetzes 0 Temperatur / C 11 14 17 20 23 26 4.1 5 Tiefe/m 10 15 20 21. Januar 26. März 29. Juli 11. September 25 30 Peter Bayer 03.09.2015 20

Temperatur-Tiefenprofil: Limmatfern, in einem Stadtpark 0 Temperatur / C 11 14 17 20 23 26 5 Tiefe / m 10 15 20 21. Januar 25. März 29. Juli 11. September 25 30 Peter Bayer 03.09.2015 21

Temperatur-Tiefenprofil: Limmatfern, in einer Tiefgarage (Urania) 1.35 0 Temperatur / C 11 14 17 20 23 26 5 Tiefe / m 10 15 20 21. Januar 21. Mai 30. Juli 25 30 Peter Bayer 03.09.2015 22

Zurich (2013-2014) Limmattal Grundwassertemperatur Peter Bayer 03.09.2015 23

Wärmequellen Peter Bayer 03.09.2015 24

Berechnung mit einfachen 1-D Wärmeflussgleichungen und Wärmebilanzen 750 mw/m 2 900 mw/m 2 Peter Bayer 03.09.2015 25

Vertikaler Wärmefluss in Karlsruhe und Köln Peter Bayer 03.09.2015 26

Geothermisches Potential Fläche [km²] Aquifer Mächtigkeit [m] Gespeicherte zusätzliche Energie [PJ] Heizbedarf [PJ pro Jahr] Geotherm. Potential [Jahre] Berlin 891 30-50 140-780 86.8 1.6 8.9 München 518 5-20 14-180 37.1 0.4 4.9 Köln 405 10-30 20-200 27.3 0.7 7.2 Karlsruhe 174 10-50 2.9-50 8.0 0.4 6.3 Peter Bayer 03.09.2015 27

Geothermisches Potential: Karlsruhe ca. 18 % Technisches Potential? Ökonomisches Potential? Peter Bayer 03.09.2015 28

Globale Analyse: Mittlere Intensität der Wärmeinseln Peter Bayer 03.09.2015 29

Literatur Balke K-D. 1977. Das Grundwasser als Energietraeger. Brennstoff-Wärme-Kraft 29: 191 194. Benz, S.A., Bayer, P., Menberg, K., Jung, S., Blum, P. 2015. Spatial resolution of anthropogenic heat fluxes into urban aquifers, - Science of the Total Environment, 524-525C, 427-439. Benz, S., Bayer, P., Goettsche, F. M., Olesen, F.S., Blum, P.: Urban heat islands of land surface and groundwater correlate, eingereicht. Jung, M. (2013) Groundwater Temperature in the Limmat Valley Aquifer, Zurich, BSc Arbeit. Menberg, K., Bayer, P., Zosseder, K, Rumohr, S., Blum, P. 2013. Subsurface urban heat islands in German cities, - Science of the Total Environment, 442, 123 133. Menberg, K., Blum, P., Schaffitel, A., Bayer, P. 2013. Long Term Evolution of Anthropogenic Heat Fluxes into a Subsurface Urban Heat Island, - Environ. Sci. Technol., 47, 9747 9755. Zhu, K., Bayer, P., Grathwohl, P., Blum, P. 2015. Analysis of groundwater temperature evolution in the subsurface urban heat island of Cologne, Germany, - Hydrological Processes, 29, 965-978. Zhu, K., Blum, P., Ferguson, G., Balke, K-D., and P. Bayer, 2010. Geothermal potential of urban heat islands, - Environmental Research Letters, 5, 044002, doi: 10.1088/1748-9326/5/4/044002. Peter Bayer 03.09.2015 30

Urbane Wärmeinseln im Untergrund Danke an Kathrin Menberg, Philipp Blum, Susanne Benz, Martin Jung, Ke Zhu In Zürich speziell an AWEL, Jaeckli Geologie, Simultec AG Förderung durch SNF, DFG, DBU, BMBF FH-DGG 2014 Bayreuth, 28.05.2014