22.10.20091 Geothermie SS 2009 FG Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. Manfred...

22.10.2009 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]

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Gliederung

1. Ausgangssituation

2. Geothermische Anlagenkonzepte

3. Verkehrswege

4. Ausgewählte Referenzprojekte

5. Lebensdauer, Wartung und Betrieb

6. Investitions- und Betriebskosten

7. Einsparungs- und Nutzungspotenziale

8. Zusammenfassung und Ausblick

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• 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

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• 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

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



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Verkehrsflächen mit besonderem Enteisungsbedarf:

• Fahrbahnen von Brücken

• Rampen, Steilstrecken, Zufahrten

• Parkplätze, Bahnsteige

• Start- und Landebahnen von Flughäfen

• Hubschrauberlandeplätze

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



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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 SondenfeldQuelle: GeoVerSi, NRW, 2005

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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

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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


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GW

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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

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2.4 Direktverdampfung



• 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)


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2.5 Heat Pipes



• 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)


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3. Verkehrswege

Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau

Asphaltbauweise

Damm

Lage der Befestigung im Gelände:

Einschnitt

Konventionelle Ausführungen

der Fahrbahndecke:

Asphaltbeton (AC)

Splittmastix-asphalt (SMA)

Gussasphalt (MA)

Quelle: www.jrs.de Quelle: Straßenbautechnik, Prof. Dr.-Ing. Steffen Riedl, FH Erfurt

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3. Verkehrswege


Betonbauweise

Betondecke mit Tragschicht aus hydraulischem Bindemittel (HGT: hydraulisch gebundene Tragschicht)

Alternativ: „dicke“ Betondecke mit Tragschicht ohne Bindemittel Quelle: GeoVerSi

Dimensionierung von FahrbahnenRStO: „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“

Für Asphaltfahrbahnen

Für Betonfahrbahnen

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3. Verkehrswege


Brückenbauwerk

Brückenquerschnitt

Querschnitt Fahrbahnbelag

• zur Überwindung von

Verkehrswegen, Flüssen oder Tälern

• überwiegend in Asphaltbauweise mit

einer Dichtungsschicht aus

Bitumenschweißbahn

• reduzierter Belagsaufbau

• vollständige Abdichtung

• Regelbelagdicke von 8 cm

Quelle: GeoVerSi

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3. Verkehrswege

Auswirkung des Temperatureinfluss

Asphaltbauweise

Betonbauweise

• 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, …

• Temperaturschwankungen bewirken Biege- und Trennrisse und Oberflächenrisse

Hauptproblem: Massive Beeinträchtigung der Lebensdauer

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Klimadaten und Lageplan Aomori City

Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb

• 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

Quelle: GeoVerSi

4.1 Japan – Aomori City

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4.1 Japan – Aomori City

Aufbau und Kenndaten des Schnee-Schmelze-System Gaia

Wärmepumpenanzahl 1 Anlagenbetrieb, max. 563 h/a EWS-Länge 154 m

Leistung Wärmepumpe 22,5 kW Wärmepumpenbetrieb, max. 542 h/a Einspeiseleistung (Sommer) 29 W/m

Umwälzpumpenanzahl 2 Aufladung des Speichers, max. - h/a Eingespeicherte Wärme 36000 kWh/a

Leistung Umwälzpumpe 1,5-2,2 kW Beheizte Fläche 659 m² Entzugsleistung (Winter) 90-95 W/m

Liefertemperatur Heizbetrieb 15,5 °C Wärmeleistung im Belag 170-185 W/m² Geothermische Energie, max. 29570 kWh/a

Wärmeträgermedium EWS-Anzahl 4 36790 kWh/a

55 kWh/m²

Gaia-Snow-Melting-System (Schnee-Schmelze-System)

Propylen-Glycol-Gemisch Gesamtenergie für den Belag

Gehwegaufbau Koaxiale Erdwärmesonde im Winter- und SommerbetriebQuelle: GeoVerSi

Im Sommer wird auftreffende

Solarenergie im Untergrund

gespeichert

Im Winter wird die geothermische

und (zuvor) gespeicherte Energie

zur Beheizung des Gehweges

genutzt

7 cm

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Weiteres Beispiel

Ninohe (Japan)

• Schnee-Schmelzende-System

• Installation an einer abschüssigen (9%) kurvenreichen Straßen zur Entschärfung des Unfallschwerpunktes

Gaia-Snow-Melting-System in BetriebQuelle: GeoVerSi

Aufbau des Schnee-Schmelze-System Gaia

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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

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SERSO – Prinzip / Heizsystem

• 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

Fahrbahnaufbau / Heizsystem Detail Kappenquerschnitt

Quelle: GeoVerSi

10 cm stark, zur Reduzierung der Wärmeverluste nach unten im Winter

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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 SERSOQuelle: GeoVerSi

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Kenndaten und Ergebnisse des SERSO-Projekt

Quelle: GeoVerSi

Ergebnis SERSO Brücke Infrarot Wärmebild SERSO Brücke Verlauf der Belagstemperatur über ein Jahr

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

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Liefertemperatur Heizbetrieb 6-10 °C Beheizte Fläche 1300 m² Entzugsleistung (Winter) 20 W/m

Wärmeträgerflüssigkeit Wärmeleistung im Belag 100-240 W/m² Geothermische Energie, max. 62300 kWh/a

Anlagenbetrieb, max. 850 h/a Einspeiseleistung (Sommer) 28 W/m 62300 kWh/a

Aufladung des Speichers, max. 1000 h/a Eingespeicherte Wärme 126000 kWh/a 48 kWh/m²

Wasser-Ethylenglykol

Gesamtenergie für den Belag

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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

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

• weltweit weisen vorhandene Anlagen auch nach vielen Jahrzehnten Betrieb eine einwandfreie Funktionalität auf


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6.1 Kostenvergleich Anlagenkonzepte

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Land Projekt Eis / Schnee

beheizte Fläche

Wärme-quelle

Wärme-pumpe

- - - in m² - - in €/m² in US$/m² in €/m² in US$/m²

Amarillo, Texas, 16th Street Overpass, Straßenbrücke

k.A. 1.600 100 EWS5.300 Sonden-meter

ja - 750,00 - 4,70

Silver Creek, Oregon, zweispurige Brücke

k.A. 576 Grundwasser ja - 715,00 - 16,00

Oregon, Highland Interchange,Brücke

k.A. 1.180 elektrische Widerstands-heizung

nein - 285,00 - 10,60

Amherst County, Virginia, Brücke über Buffalo River

k.A. 482 Heat Pipes nein - 377,00 - 4,50

Ninohe, Gaia-System,Gehsteige

Eis und Schnee

266 3 EWS450 Sonden-meter

ja 1.200,00 - 6,00 -

Michi-No-Eki, Gehsteig- und Parkplatzheizung

Eis und Schnee

- EWS, Wasserspeicher

- 2.150,00 - 1,50 -

Schweiz Därlingen, SERSO, Autobahnbrücke A8,Pilotprojekt

Eis 1.300 91 EWS5.096 Sonden-meter, Fels-speicher

nein 2.500,00 - 1,50 -

Betriebskosten (jährlich)

Investitionskosten

USA

Japan

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6.2 Kostengruppen der Investitionskosten

Kostengruppen der Investitionskosten für das Pilotprojekt SERSO (Schweiz) Summe 2.500 €/m²

19%

27%

11%

18%

25%

Voruntersuchungen

Felsspeicher inkl.Ringleitungen

Betriebsgebäude inkl.Steuerung

Dämmung, Register,Verteilerleitungen

Messkampagne,Bauleitung

Quelle: Eigene Darstellung

Für die Realisierung eines weiteren Projektes gleicher Bauart wird eine Halbierung der Investitionskosten erwartet.



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7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale

Winterdienst

Verstärkter / verbesserter Winterdienst

Alternative 1: Taumittelsprühanlagen

Alternative 2: Beheizungssysteme

• intensivere Streueinsätze (erste Streuumläufe vor Eintritt von

prognostizierten Winterereignissen)

• Vermeidung von max. 18 % der winterbedingten Verkehrsstauung

• Restlichen 82 % unvermeidbar, durch hohes Verkehrsaufkommen

• Automatisierte Realisierung des präventiven Winterdienstes

• Salzmenge deutlich gegenüber Streufahrzeugen reduziert Salz bleibt aber trotzdem notwendig

• Umweltschonend und umweltverträglich

• Einmalige Erschließung der Energie

• Funktionsfähigkeit unabhängig von der Verkehrssituation

Einsparungen erst bei flächendeckender Verfügbarkeit realisierbar

Quelle: GeoVerSi

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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

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Wirkungsbereiche zur Kosteneinsparung durch ferngesteuerte, automatische Winterdienste:

o Verkehrssicherheit

33,8 Mrd.€/a volkswirtschaftliche Kosten durch Unfälle

Nachweislich weniger Unfälle

Reduzierung der Aquaplaning- und Eisglättegefahr

o Sichere und störungsfreie Verkehrsabläufe

Vermeidung winterlicher Stauungen und Reduzierung von Reiszeitverlusten

Verringerung von Betriebskosten und –stoffen

Reduzierung von Fahrbahnerneuerungen durch verlängerte Lebensdauer

o Umweltschutz

Reduzierung der Schadstoff-Emissionen und Treibstoffverbrauchs

Verminderung von Salz als Taumittel durch Beheizungssysteme

o Gesundheit

Durch nachhaltigen Umweltschutz und Nutzung umweltverträglicher Energien


Volkswirtschaftlicher Nutzen

Quelle: GeoVerSi

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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

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QuellenangabenQuellenangaben

GeothermieSS 2009

• 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

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