Energiespeicherung im Untergrund

1. Energiespeicherung im Untergrund Einführung in die Ingenieurgeophysik Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Präsentation von Matthias Eickelberg & Laura Köhl Matthias Eickelberg & Laura Köhl

2. Inhaltsverzeichnis • Aquifer-Wärmespeicher am Beispiel des Reichstages • Zusammenfassung • Zukunftsaussicht • Einleitung • Gründe für Energiespeicher-ung im Untergrund • Potentielle Einsatzgebiete • Geophysikalische Methoden • Seismik • Geoelektrik • Elektromagnetik • Georadar • Unterteilung Speicherarten • Speichertechnik • Erdbeckenspeicher • Felskavernenspeicher • Erdwärmesondenspeicher • Kies-Wasserspeicher • Aquifer-Wärmespeicher Matthias Eickelberg & Laura Köhl

3. Einleitung • Überschüßige Wärme/Kälte wird im Untergrund gespeichert und kann nach Bedarf entnommen werden • Zur Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien bieten sich unterschiedliche Technologien an • Erzeugte Wärme jedoch an Entstehungsort gebunden und durch tageszeitliche und saisonale Schwankungen nicht immer effizient nutzbar • Für tageszeitliche Schwankungen gibt es hinreichende Pufferspeichertechnologien  Saisonale Wärme- & Kälte- speicherung im Untergrund wesentlicher Schritt zur Steiger- ung des Nutzungspotentials Matthias Eickelberg & Laura Köhl

4. Gründe für die Energiespeicherung im Untergrund • Geothermie ganzjährig nutzbar • Ressourcenschonung fossiler Energieträger • Minimierung des CO2-Ausstoßes • Heizen und Kühlen von Gebäuden möglich • Klimafreundliches und effektives Energiemanagement • Zur Speicherung von Wärme & Kälte ist aus technischer & wirtschaftlicher Sicht Untergrundspeicherung einer der effektivsten Möglichkeiten Matthias Eickelberg & Laura Köhl

5. Potentielle Einsatzgebiete • Erhöhung der Effizienz einer Geothermieanlage • Komfort-Kühlung (Klimatisierung) • Prozess-Kühlung • Lebensmittelkühlung und Qualitätssicherung • Temperieren von Gewächshäusern • Kühlung in Fischfarmen Matthias Eickelberg & Laura Köhl

6. Geophysikalische Methoden Matthias Eickelberg & Laura Köhl

7. Seismik • Prinzip: • Reflexion/Refraktion/Streuung von elastischen Wellen an Schichtgrenzen/Objekten • Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von elastischen Eigenschaften (~km/s) • Typische Frequenzen: 10 -100 Hz • Typische Eindringtiefen: 0,1-1 km • (Tiefenseismik bis 100 km) • Anwendungsbereiche: • Rohstoffexploration, Energiegewinnung, Endlagerung • Ingenieurgeophysik (Grundwasser-/ Altlasten-/Bau grunderkundung) Matthias Eickelberg & Laura Köhl

8. Geoelektrik • Prinzip: Über 2 Elektroden wird ein Strom I induziert  Bildung eines homogenen elektrischen Feldes in L-Richtung • Sonden M+N messen in einem definierten Abstand ein elektrisches Potential  Ermittlung des elektrischen Widerstandes • Abstand der Elektroden o. allen 4 Sonden wird vergrößert Widerstand als Funktion der elektrischen Auslage • Anwendung: Grundwasser- prospektion, Baugrundunter- suchung, Altlastenermittlung Matthias Eickelberg & Laura Köhl

9. Elektromagnetik • Prinzip: Erzeugung von elektromagnetischen Feldern und Messung induzierten Sekundärströmen • Beispiel: Transienten-Elektromagnetik TEM • Aufbau und abruptes Zusammenbrechen des primären Magnetfeldes  Bildung von Wirbelströmen • Ausbreitung abhängig von Leitfähigkeitsverteilung • Zerfall des Primärmagnetfeldes produziert Sekundärmagnetfeld, welches wiederum abklingt • Abklingspannung /Transient wird gemessen • Kartierung von Leitfähigkeits- anomalien • Anwendungsbereich: ähnlich wie bei Geoelektrik Matthias Eickelberg & Laura Köhl

10. Georadar • Prinzip: Erzeugung von elektromagnetischen Impulsen  Reflexion bzw. Streuung von elektromagnetischen Wellen an Inhomogenitäten/Schichtgrenzen • Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von elektrischen Eigenschaften • Anwendungsbereiche: • Hydrogeologische • Untergrunderkundung • Deichinspektion, • Felskartierung • Bergschäden Matthias Eickelberg & Laura Köhl

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12. Unterteilung • Eingegrabene Künstliche Bauwerke • Wasser • Kies & Wasser • Systeme die den natürlichen Untergrund nutzen • Diesen über Wärmetauscher erschließen (Erdwärmesonden) • Diesen über Brunnen erschließen (Aquiferspeicher) • Konvektiver Wärmeaustausch • Speichermedium Wasser • Erdbeckenspeicher • Felskavernenspeicher • Konduktiver Wärmeaustausch • Speichermedium Erdreich • Erdwärmesondenspeicher in Locker- & Festgestein • Kombinierter Wärmeaustausch • Kombinert konvektiv & konduktiv • Kies/ Wasserspeicher • Aquiferwärmespeicher Matthias Eickelberg & Laura Köhl

13. Speichertechnik Matthias Eickelberg & Laura Köhl

14. Erdbeckenspeicher • Konvektiver Wärmespeicher • Betonbehälter der ganz oder teilweise eingegraben ist • Volumenbereich von 5.000-20.000 m³ • Vorwiegend als Hochtemperatur-Wärmespeicher • Wegen hoher Betriebstemperatur ist Wärmedämmung unverzichtbar • Andere Bauform ist einfache Auskleidung des Beckens mit Kunststofffolie • Einfache Technik, sicher, wartungsarm Matthias Eickelberg & Laura Köhl

15. Felskavernenspeicher • Unter speziellen geologischen Bedingungen können Felskavernen als Wärmespeicher genutzt werden • Grundvoraussetzung ist gute Felsqualität, homogen, ohne Klüfte • Speicher kann nicht wärmegedämmt werden • Fels selbst trägt auch zur Speicherkapazität bei • Eignung als Kurzzeit-/ Langzeitspeicher • Rentabilität bei großen Systemen > 100.000 m³ Matthias Eickelberg & Laura Köhl

16. Erdwärmesondenspeicher • Konduktiver Wärmespeicher • Nutzt natürlichen Untergrund (20-100 m) • Wärmetransport über in Boden eingebrachte Wärmetauscher • Einfach-U oder Doppel-U-Sonde mit zirkulierendem Wasser-Glykol-Gemisch • Errichtung im Fest- als auch im Lockergestein • Erdwärmesonden können variabel an Bedarfssituation angepasst werden • Bohrloch- durchmesser 110-150 mm • Bohrlochab- stand 1,5-4,0m Matthias Eickelberg & Laura Köhl

17. Kies-/ Wasserspeicher • Kombiniert konvektiv & konduktiv • Gemisch aus Kies/ Wasser dient als Speichermedium (60-70 Vol.% Kies) • Speichertemperatur durch Temperaturfestigkeit der Abdichtungsfolie auf 90 °C begrenzt • Benötigt keine tragende Deckenkonstruktion • I.d.R. seitlich und oben wärmegedämmt • Be-/ Entladen indirekt über eingelegte Rohrschlange • Da Kies geringere Wärmekapazität als Wasser muss Bauwerk um 50 % größer als reiner Wasserspeicher Matthias Eickelberg & Laura Köhl

18. Aquifer-Wärmespeicher • Nutzt natürlich abgeschlossene Grundwasserschichten >100 m • Hohe Anforderungen an die hydrogeologischen Verhältnisse • Grundwasserleiter nach oben & unten hin abgeschlossen • Möglichst geringe Fließgeschwindigkeit • Beachtung der chemischen Zusammensetzung des Wassers • Über Brunnen wird Wasser entnommen & aufgewärmt, über weitere Bohrung wieder in Untergrund eingebracht • Ausspeicherung durch Umkehrung der Durchström- richtung • Bei großen Volumen >100.000 m³ sinnvoll einsetzbar • Relativ günstig • Hohe Wärmeverluste Matthias Eickelberg & Laura Köhl

19. Aquifer-Wärmespeicher am Beispiel des Reichstages • Beim Umbau 1990 sollte ein ökologisch vorbildliches Bauwerk entstehen • Neben Solartechnik, Blockheizkraftwerktechnik und nachwachsenden Rohstoffen auch Nutzung des Bodens als Wärme-/ Kältespeicher • In 60 m und in 300 m Tiefe befinde sichAquifere • Einer dient als Kältespeicher, der tiefer gelegene als Wärmespeicher Matthias Eickelberg & Laura Köhl

20. Aquifer-Wärmespeicher am Beispiel des Reichstages Wärmespeicherung • Überschüssige Wärme wird über Bohrung ca. 300 m tief in wasserführende Gesteinsschicht eingeleitet • Dafür ca. 20°C warme Wasser hochgepumpt • Über Wärmetauscher auf max. 60 °C aufgeheizt • Durch 280 m entfernte Bohrung in gleiche Tiefe hinab gebracht • In nächsten Heizperiode mit 55 °C herauf gepumpt • Ab 30 °C ist die wirtschaftlich nutzbare Entnahme beendet Matthias Eickelberg & Laura Köhl

21. Aquifer-Wärmespeicher am Beispiel des Reichstages Kältespeicherung • Speicherung von Umweltkälte im Winter, die über Wärmetauscher ans Grundwasser abgegeben wird • Zu Beginn des Frühsommers wird die Fließrichtung um- gedreht und 6 °C kaltes Wasser ent- nommen • Temperatur steigt im Verlauf abhängig von der Nutzungs- intensität auf bis zu 11 °C Matthias Eickelberg & Laura Köhl

22. Zusammenfassung

23. Zukunftsaussicht • Saisonale Speicherung großer Wärmemengen Schlüsselproblem der rationellen Energieverwertung • Kostenentwicklung der fossilen Brennstoffe und wachsendes Umweltbewusstsein  Steigende Nachfrage nach Energiespeichern im Untergrund zur Breitstellung von Heizwärme und zu Kühlzwecken • Im Bereich von Niedrigenergiehäusern • Industriebereich • Langzeitspeicherung allerdings noch nicht allgemein verbreitet • Es gibt noch erhebliches Potential und großes Betätigungsfeld • Können einen wichtigen Beitrag für eine effiziente Energieversorgung mit Wärme und Kälte leisten Matthias Eickelberg & Laura Köhl

24. Literatur • http://www.geophysik.uni-kiel.de/~sabine/DieErde/Werkzeuge/Geophysik/M4-Elektrik/3Widerstand/Prinzip-Widerstand.htm • http://www.abegeo.de/geoelektrik0.html • http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Bodengeophysik/Geoelektrik/geoelektrik_node.html • http://www.georadar-gbr.com • Beckhoff, Martin; Raabe, Marius; Energiespeicherung im Untergrund; 2009 • Veröffentlichung: SatausseminarEnOB: Forschung für Energieoptimiertes Bauen; Aquiferspeicheer für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden • Reuß, Manfred; Techniken der OberflächennachenGeothermir, 2010 • Buske, Stefan; Grundlagen der Geowissenschaften • Statusseminar Thermische Erdspeicherung, Erdsonden, Aüuiferspeicher, TU Braunschweig • Hrsg.: Fachinformationszentrum Karlsruhe; Wärmespeicher; 4. Auflage, TÜC-Verlag; 2005 • Greinwald, S. & Schaumann, G., 1997: Transientelektromagnetik, in: Knödel, K., Krummel, H. & Lange, G.: Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten, Band III: Geophysik. Berlin, Heidelberg (Springer) Matthias Eickelberg & Laura Köhl