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Geothermie SS 2009

Geothermie SS 2009. FG Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch „Nutzung geothermischer Energie im Verkehrswegebau“ Referenten: Sebastian Weichelt [Master Bauingenieurwesen, Matr.-Nr.: 25201091] Florian Herbert [Master Umweltingenieurwesen, Matr.-Nr.: 29100981].

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Geothermie SS 2009

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Presentation Transcript

  1. GeothermieSS 2009 FG Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch„Nutzung geothermischer Energie im Verkehrswegebau“Referenten:Sebastian Weichelt [Master Bauingenieurwesen, Matr.-Nr.: 25201091]Florian Herbert [Master Umweltingenieurwesen, Matr.-Nr.: 29100981]

  2. Gliederung 1. Ausgangssituation2. Geothermische Anlagenkonzepte 3. Verkehrswege4. Ausgewählte Referenzprojekte5. Lebensdauer, Wartung und Betrieb6. Investitions- und Betriebskosten7. Einsparungs- und Nutzungspotenziale8. Zusammenfassung und Ausblick 22.10.2009

  3. 1. Ausgangssituation • durch Schnee- und Eisglätte im Winter starke Behinderung des Straßenverkehrs • im Winter 2003 starben bundesweit 259 Menschen in Verkehrsunfällen verursacht durch glatte Straßen • die Unfallursache Schnee- und Eisglätte mit Personenschaden hat einen Anteil je nach Bundesland zw. 2 % und 10 % • hohe volkswirtschaftliche Verluste durch Verkehrsstauungen Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 • Kosten für den Winterdienst 2003 in NRW → 31 Mio. € • Straßennetz in NRW von 21.000 km Länge → 1.500 €/km pro Winter 22.10.2009 3

  4. 1. Ausgangssituation • hohe Umwelt- und Gewässerbelastung durch Einsatz von Auftausalz (in NRW 115.000 t im Winter 2003 entspricht ca. 5,5 t/km) • Versalzung des Straßenseitenraums führt zur Schädigung von Flora und Fauna • Umweltschäden durch Auftausalz werden bundesweit auf 450 Mio. €/a geschätzt Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 • Alternative zu Taumitteleinsatz: oberflächennahe Geothermie • Enteisung ohne zeitliche Verzögerung von Brücken, Rampen etc. • Reduzierung der CO2-Emissionen • Schonung der Ressourcen und der Umwelt • geringe Betriebskosten, langfristig kostengünstige Lösung 22.10.2009 4

  5. 1. Ausgangssituation Verkehrsflächen mit besonderem Enteisungsbedarf: • Fahrbahnen von Brücken • Rampen, Steilstrecken, Zufahrten • Parkplätze, Bahnsteige • Start- und Landebahnen von Flughäfen • Hubschrauberlandeplätze Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 • Häufig genutzte Energiequelle für beheizte Flächen → elektrischer Strom • Beispiel Energieverbrauch: • elektrische Anschlussleistung von ca. 300 W/m² • mittlere Betriebszeit von 800 h pro Winter • bei 1.000 m² beheizter Fläche und 800 h Betriebszeit ergeben sich 240.000 kWh / Winter 22.10.2009 5

  6. 2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.1 Erdwärmesonden (EWS) und -sondenfelder • geschlossenes System • Erdwärmesonde aus HDPE • Sondentiefe 50 m bis 250 m • Zwischenraum zw. Bohrlochwand und Sonde wird mit Bentonit-Zement-Suspension verpresst • Wärmeträgerflüssigkeit Wasser-Glykol-Gemisch (Sole) • thermische Untergrundparameter werden durch thermal response test in Probebohrung ermittelt • relativ geringer Platzbedarf für Sondenfeld Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 22.10.2009 6

  7. 2. Geothermische Anlagenkonzepte Nutzung von Erdwärmesonden zur Energiespeicherung • Im Sommer wird Sonnenwärme von der Fahrbahnoberfläche absorbiert und im Untergrund gespeichert (Kühlung der Fahrbahn). • Im Winter wir die gespeicherte Wärme zur Enteisung der Fahrbahn genutzt. Quelle: Eugster, 2007 22.10.2009 7

  8. 2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.2 Wärmequelle Grundwasser • offenes System • Brunnentiefe je nach GW-Stand • Grundwasser in Aquifer dient als Wärmequelle • maßgebende Parameter: GW-Temperatur, GW-Volumenstrom, chem. Wassereigenschaften • Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig • Schluckbrunnen im Abstrombereich des Förderbrunnens • auch Nutzung des Aquifers als Energiespeicher GW Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 22.10.2009 8

  9. 2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.3 Tiefe Erdwärmesonden (TEWS) • geschlossenes Koaxialsystem mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit • Ausbau Bohrung bis 3.000 m Tiefe mit Standrohren aus Stahl und Steigrohr aus GFK • Zwischenraum zw. Stahlrohr und Bohrloch-wand wird mit Zementsuspension verpresst → Korrosionsschutz • Anschluss Steigrohr (Vorlauf) an Wärme-übertrager • Vorteile: keine Wärmepumpe, geringer Platzbedarf, nahezu wartungsfreier Betrieb, lange Lebensdauer > 50 a • Nachteil: hohe Investitionskosten Quelle: Stoltenberg Energie GmbH 22.10.2009 9

  10. 2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.4 Direktverdampfung • geschlossenes System • Kältemittelkreislauf der Wärme-pumpe wird direkt ins Erdreich geführt • Wärmeentnahmerohre werden horizontal im Erdreich verlegt • bei Leckagen im Kältemittelkreislauf gelangt Kältemittel und Öl direkt ins Erdreich und ggf. ins Grundwasser • keine Speicherung von Wärme-energie während der Sommermonate möglich (keine Kühlung des Straßen-belags) Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 22.10.2009 10

  11. 2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.5 Heat Pipes • geschlossenes System • vertikale EWS mit flüssigem CO2 als Wärmeträgermedium • Verdampfung des CO2 am Rohrfuß, Verflüssigung am Wärmeübertrager (Thermosyphon) • keine Pumpenergie für Wärmeträger-medium in EWS • keine Speicherung von Wärmeenergie während der Sommermonate möglich (keine Kühlung des Straßenbelags) Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 22.10.2009 11

  12. 3. Verkehrswege Asphaltbauweise Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Konventionelle Ausführungen der Fahrbahndecke: Lage der Befestigung im Gelände: Asphaltbeton (AC) Damm Splittmastix-asphalt (SMA) Gussasphalt (MA) Einschnitt Quelle: Straßenbautechnik, Prof. Dr.-Ing. Steffen Riedl, FH Erfurt Quelle: www.jrs.de 22.10.2009 12

  13. 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Betonbauweise Dimensionierung von Fahrbahnen RStO: „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“ Betondecke mit Tragschicht aus hydraulischem Bindemittel (HGT: hydraulisch gebundene Tragschicht) Für Asphaltfahrbahnen Alternativ: „dicke“ Betondecke mit Tragschicht ohne Bindemittel Für Betonfahrbahnen Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 13

  14. 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Brückenbauwerk • zur Überwindung von Verkehrswegen, Flüssen oder Tälern • überwiegend in Asphaltbauweise mit einer Dichtungsschicht aus Bitumenschweißbahn • reduzierter Belagsaufbau • vollständige Abdichtung • Regelbelagdicke von 8 cm Brückenquerschnitt Querschnitt Fahrbahnbelag Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 14

  15. 3. Verkehrswege Auswirkung des Temperatureinfluss Asphaltbauweise • hohe Temperaturen (Sommer)  „Aufweichen“ der Asphaltdecke  Spurrinnen • niedrige Temperaturen (Winter)  „Verspröden“  Materialausbruch • Temperaturschwankungen beeinflussen die Eigenschaften vom Bitumen • Viskosität und dynamische Steifigkeit, Dichte und Wärmeausdehnung, Alterung, … Betonbauweise • Temperaturschwankungen bewirken Biege- und Trennrisse und Oberflächenrisse • Hauptproblem: Massive Beeinträchtigung der Lebensdauer 22.10.2009 15

  16. 4. Ausgewählte Referenzprojekte 4.1 Japan – Aomori City • nördlichste Großstadt Japans (300.000 EW) • weltweit schneereichste Stadt (800 cm/a) • 2 Schnee-Schmelzende-Systeme wurden 2002 fertig gestellt • Gefahrenreduktion auf Bürgersteig hat hier höhere Priorität als auf der Straße • somit werden Bürgersteige schnee- und eisfrei gehalten • Die Beheizungsanlage speichert die sommerliche Oberflächenwärme des Belags in den Untergrund Klimadaten und Lageplan Aomori City Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 16

  17. 4.1 Japan – Aomori City Aufbau und Kenndaten des Schnee-Schmelze-System Gaia • Im Sommer wird auftreffende Solarenergie im Untergrund gespeichert • Im Winter wird die geothermische und (zuvor) gespeicherte Energie zur Beheizung des Gehweges genutzt 7 cm Gehwegaufbau Koaxiale Erdwärmesonde im Winter- und Sommerbetrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 17

  18. 4. Ausgewählte Referenzprojekte Weiteres Beispiel Ninohe (Japan) • Schnee-Schmelzende-System • Installation an einer abschüssigen (9%) kurvenreichen Straßen zur Entschärfung des Unfallschwerpunktes Aufbau des Schnee-Schmelze-System Gaia Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 18

  19. 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO (Sonnen-Energie-Rückgewinnung aus Straßen-Oberflächen) • Pilotanlage des SERSO-System wurde an einer Autobahnbrücke der A8, bei Därlingen im Berner Oberland realisiert • Die Fahrbahn der Brücke wird mittels gespeicherter Energie eisfrei gehalten • Grund für SERSO war schwere Verkehrsunfälle auf der Brücke, wegen vereister Fahrbahn • Ziel von SERSO ist es, gleiche Fahrbahnbedingungen auf der Brücke wie auf den angrenzenden Straßenteilen zu gewährleisten • Eisfreihaltung Klimadaten und Lageplan Därlingen, Schweiz SERSO Brücke an der A8 Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 19

  20. 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO – Prinzip / Heizsystem 10 cm stark, zur Reduzierung der Wärmeverluste nach unten im Winter Fahrbahnaufbau / Heizsystem Detail Kappenquerschnitt • Einbau eines speziellen Stahlrohrregisters unter einer 1.300 m² Belagsfläche • Rohrregister sind in einen Vermörtelungsbelag (bituminöser Heissmischbelag mit Zementbeton) eingelassen • Einbautiefe liegt bei 7 cm unterhalb der Belagsoberfläche • Register dient im Sommer als auch im Winter als Wärmetauscher Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 20

  21. 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO – Prinzip / saisonaler Niedertemperatur-Felsspeicher • Felsspeicher lagert die im Sommer entzogene Wärmeenergie • Felsspeicher verfügt über 91 vertikale EWS (65 m je EWS) • Die Anordnung der EWS erfolgt in 4 Ringen • Felsspeichervolumen ≈ 55.000 m³ • automatischer Betriebsstart im Sommer, wenn Belagstemp. 3 K über Felsspeichertemp. • Ladung des Speichers erfolgt mit allen 4 Ringen parallel (effizienter T.-anstieg) • Betriebsstart im Winter, wenn Belagstemp. unter 3°C und Abschalten bei T > 4°C • Speicherentladung von außen nach innen • wenn äußere Ring geforderte Temp. nicht liefern kann, geht nächster innere Ring an • keine Wärmepumpe notwendig Prinzipschema SERSO Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 21

  22. 4.2 Schweiz – Därlingen Kenndaten und Ergebnisse des SERSO-Projekt • vorausschauende winterliche Betriebsweise minimiert hohe Wärmeleistungen mit hohen Vorlauftemperaturen • es lässt sich genügend Energie aus dem Brückenbelag entziehen, um im Winter die Brücke eisfrei zu halten • aufgrund fehlender Wärmepumpe nur Eis- und keine Schneefreihaltung möglich Ergebnis SERSO Brücke Infrarot Wärmebild SERSO Brücke Verlauf der Belagstemperatur über ein Jahr Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 22

  23. 5. Lebensdauer, Wartung und Betrieb • Lebensdauer • Lebensdauer abhängig von Dauerhaftigkeit der Materialien sowie von regelmäßiger Wartung • Rohrleitungen aus PE für EWS bzw. Rohrregister haben hohe Lebensdauer • prognostizierte Lebensdauer Gesamtanlage SERSO (Schweiz) > 70 a Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 • weltweit weisen vorhandene Anlagen auch nach vielen Jahrzehnten Betrieb eine einwandfreie Funktionalität auf • Wartung und Betrieb • Wartung von Klimasensoren (Belagstemperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck) wichtig • effiziente Einstellung der Steuerparameter (Start- und Stoppparameter für Anlagenbetrieb), sonst z.B. Gefahr der unnötigen Speicherentladung 22.10.2009 23

  24. 6. Investitions- und Betriebskosten 6.1 Kostenvergleich Anlagenkonzepte Quelle: eigene Darstellung 22.10.2009 24

  25. 6. Investitions- und Betriebskosten 6.2 Kostengruppen der Investitionskosten Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 Quelle: Eigene Darstellung Für die Realisierung eines weiteren Projektes gleicher Bauart wird eine Halbierung der Investitionskosten erwartet. 22.10.2009 25

  26. 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Winterdienst Verstärkter / verbesserter Winterdienst • intensivere Streueinsätze (erste Streuumläufe vor Eintritt von prognostizierten Winterereignissen) • Vermeidung von max. 18 % der winterbedingten Verkehrsstauung • Restlichen 82 % unvermeidbar, durch hohes Verkehrsaufkommen Alternative 1: Taumittelsprühanlagen • Automatisierte Realisierung des präventiven Winterdienstes • Salzmenge deutlich gegenüber Streufahrzeugen reduziert  Salz bleibt aber trotzdem notwendig Alternative 2: Beheizungssysteme • Umweltschonend und umweltverträglich • Einmalige Erschließung der Energie • Funktionsfähigkeit unabhängig von der Verkehrssituation • Einsparungen erst bei flächendeckender Verfügbarkeit realisierbar Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 26

  27. 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Dauerhaftigkeit • positiver Effekt der Beheizungssystem auf die Lebensdauer durch: • Wärmeentzug im Sommer • Reduzierung der Spurrinnenbildung • Wärmezufuhr im Winter • Verhinderung eisbedingter Rissbildung • Verlängerung der Lebensdauer der Fahrbahndecke um 15-18 Jahre (empirisch ermittelt) • Reduktion der Temperaturbeanspruchung vermindert Materialversprödung Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 27

  28. 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Volkswirtschaftlicher Nutzen • Wirkungsbereiche zur Kosteneinsparung durch ferngesteuerte, automatische Winterdienste: • Verkehrssicherheit • 33,8 Mrd.€/a volkswirtschaftliche Kosten durch Unfälle • Nachweislich weniger Unfälle • Reduzierung der Aquaplaning- und Eisglättegefahr • Sichere und störungsfreie Verkehrsabläufe • Vermeidung winterlicher Stauungen und Reduzierung von Reiszeitverlusten • Verringerung von Betriebskosten und –stoffen • Reduzierung von Fahrbahnerneuerungen durch verlängerte Lebensdauer • Umweltschutz • Reduzierung der Schadstoff-Emissionen und Treibstoffverbrauchs • Verminderung von Salz als Taumittel durch Beheizungssysteme • Gesundheit • Durch nachhaltigen Umweltschutz und Nutzung umweltverträglicher Energien Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 28

  29. 8. Zusammenfassung und Ausblick • Möglichkeit des Grundwasserschutzes und CO2-Reduzierung • Konzipierung zur Schnee- und/oder Eisfreihaltung • hoher volkswirtschaftlicher Gesamtnutzen • Anpassung an lokale geologische und klimatische Randbedingungen • Adsorption von Sonnenergie, Speicherung und Nutzung • verbesserte Zustandserhaltung, erhöhte Lebensdauer von Verkehrswegen • Unterstützung des Winterdienstes • Durchführung von Machbarkeitsstudien notwendig • nachhaltige Analysen von Konzepten, Kosten, Betrieb und Auswirkungen auf Mensch und Umwelt • für Effizienzsteigerung flächendeckende Nutzung notwendig 22.10.2009 29

  30. GeothermieSS 2009 Quellenangaben • GeoVerSi Geothermie sorgt für Verkehrssicherheit, Ministerium für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen NRW, Düsseldorf, 2005 • Eugster, Road and Bridge Heating Using Geothermal Energy. Overview and Examples. Polydynamics Engineering, Zürich, 2007 • Stoltenberg Energie GmbH, http://www.stoltenberg-energie.de/erdwaermesonden.html, letzter Zugriff am 14.10.2009 22.10.2009 30 30

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