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Energiespeicherung im Untergrund

Einführung in die IngenieurgeophysikProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch

Präsentationvon

Matthias Eickelberg&

Laura Köhl

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Inhaltsverzeichnis• 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

• Aquifer-Wärmespeicher am Beispiel des Reichstages

• Zusammenfassung• Zukunftsaussicht

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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

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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

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Potentielle Einsatzgebiete• Erhöhung der Effizienz einer Geothermieanlage• Komfort-Kühlung (Klimatisierung)• Prozess-Kühlung• Lebensmittelkühlung und Qualitätssicherung• Temperieren von

Gewächshäusern• Kühlung in

Fischfarmen

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Geophysikalische Methoden

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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)

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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 vergrößertWiderstand als Funktion der

elektrischen Auslage• Anwendung: Grundwasser-

prospektion, Baugrundunter- suchung, Altlastenermittlung

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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

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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

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Unterteilung• Konvektiver Wärmeaustausch

• Speichermedium Wasser• Erdbeckenspeicher• Felskavernenspeicher

• Konduktiver Wärmeaustausch• Speichermedium Erdreich

• Erdwärmesondenspeicher in Locker- & Festgestein

• Kombinierter Wärmeaustausch• Kombinert konvektiv &

konduktiv• Kies/ Wasserspeicher• Aquiferwärmespeicher

• Eingegrabene Künstliche Bauwerke• Wasser• Kies & Wasser

• Systeme die den natürlichen Untergrund nutzen• Diesen über Wärmetauscher

erschließen (Erdwärmesonden)

• Diesen über Brunnen erschließen (Aquiferspeicher)

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Speichertechnik

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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

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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

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• 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

Erdwärmesondenspeicher

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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

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• 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

Aquifer-Wärmespeicher

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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 sich Aquifere• Einer dient als Kältespeicher, der tiefer gelegene als

Wärmespeicher

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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

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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

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Erdbecken-speicher

Fekskavernen-speicher

Erdsonden-Wärmespeicher

Aquifer-Wärmespeicher

Kies/Wasser-Wärmespeicher

Speicheraufbau

Wärmegedämmte, wassergefüllte

Tragkonstruktion

Natürliche oder künstliche

Felskaverne

Vertikale U-Rohr-Sonde im Erdreich

Natürlich vorkommende Grundwasserschichten

Zum Erdreich hin abgedichtetes Kies-Wasser-Gemisch

Anforderung an den SpeicheraufbauGut stehender

Boden, Klasse II-III, kein Grundwasser

Gute Felsqualität, homogen, ohne

Klüfe

Gut bohrbarer Boden, kein Grundwasser, 30-

100 m tief

Nach oben & unten hin abgeschlossen, niedrige

Fließgeschwindigkeit,

Gut stehender Boden, Klasse II-III

Primäres Speichermedium

Wasser Wasser Erdreich Wasser-Sand-Gemisch Kies-Wasser-Gemisch

Vorteile / Nachteile

+ Speichermedium kann gleichzeitig Wärmetransportmedium verwendet werden+ Wasser: Hohe Wärmekapazität, günstig, überall verfügbar, ökologisch unbedenklich

+ Geringe Baukosten+ Können variabel an Situation angepasst werden- Träges Betriebs-verhalten

+Relativ günstig- Hohe Wärmeverluste- Hohe hydrogeologische Anforderungen

+ Benötigt keine tragende Deckenkonstruktion- Bauwerk muss um 50 % größer sein als reiner Wasserspeicher

Geeignetes Speichervolumen

100-20.000 m³ >100.000 m³ > 50.000 m³ > 100.000 m³ 100-20.000 m³

Baukosten für Speicher mit 10.000 m³ Wasseräquivalent (inkl. Planung, ohne MWSt)100-115 €/m³ k.A. 80-90 €/m³ 70-80 €/m³ 90-100 €/m³

Zusammenfassung

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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

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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: Satausseminar EnOB: Forschung für Energieoptimiertes

Bauen; Aquiferspeicheer für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden• Reuß, Manfred; Techniken der Oberflächennachen Geothermir, 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)