Sebastian Pfaffel 27.07.2010 1 Prüfungsvortrag 27.07.2010 Geothermie aus Tunneln – Beispiel...

Sebastian Pfaffel 27.07.20101

Prüfungsvortrag

27.07.2010

Geothermie aus Tunneln – Beispiel Gotthardbasistunnel

Vorlesung: Geothermie

Prof. Dr. Koch


1. Tunnel und Geothermie

2. Geologische Grundlagen

3. Vorreiter Schweiz

4. Nutzungsvarianten

- Tunnelwasser

- Absorber

5. Projekt: Gotthard Basistunnel

- Wärmedargebot

- Einleitbedingungen

- Wärmenutzung: Beispiel Bahnhof

Erstfeld

6. Fazit & Ausblick

Gliederung

2


1. Tunnel und Geothermie

3

Direkte Geothermienutzung

• Erdwärmekollektoren und –sonden (Oberflächennah)

• Anbohren heißer Wasserreservoire (Hydrothermal)

• Nutzung heißer Gesteinsschichten (Hot-Dry-Rock)

Geothermie als Zusatznutzen

• Energiepfähle, Absorber in Bodenplatten…

• Aufgelassene Gruben und Bergwerke

• Tunnel (Auto und Eisenbahn)

Bauwerke mit Bodenkontakt, geringer Zusatzaufwand,

hoher Zusatznutze



4

Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapizität des Baugrundes

Geothermischer Gradient

• Im Mittel ΔT=3,3 K/100m

• Geologisch und tektonisch bedingte Schwankungen

Entscheidend für die dauerhafte

mögliche Leistungsabgabe



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Piora-Zone (Sedimente

und Sedimentgestein

Geothermische Prognose

• Auslegung der Belüftung und Klimatisierung

• Abschätzung geothermischer Potentiale

• Simulation durch FRACTure (ETH Zürich, 3D-Finite-Elemente)

Aufteilung eines 75 x 15 x 50 km Gebietes in 200.000 Elemente,

5° isotherme Schichten in der Darstellung

Gotthardbasistunnel


3. Vorreiter Schweiz

6

• Über 700 Straßen- und Eisenbahntunnel

• Topologie bedingte hohe Überlagerungen

• Untersuchung 15 ausgewählter Standorte

• 6 umgesetzte Projekte

St. Bernard *cooling down to 6°C


4. Nutzungsvarianten - Tunnelwasser

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• Wasser aus der Bauwerksentwässerung

• Regelfall: Einleitung in Flüsse (Einleitbedingungen)

• Wassertemperatur und Massenstrom entscheidend

• Kein Aufwand zur Bereitstellung, Nutzen bei der Abkühlung

• Nachträgliche Nutzung möglich

Simplontunnel

Gotthardtunnel


4. Nutzungsvarianten - Absorber

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• Absorber als Energievliesmatte oder Energietübing

(vgl. Erdwärmekollektor)

• Direkte Installation beim Tunnelbau -> erhöhte Kosten

• Unabhängig von zuströmendem Wasser -> Planbarkeit

• Erzwungene Konvektion notwendig -> Energiekosten

• Anwendung: evtl. Stuttgart 21, Heizen und Kühlen



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Wärmedargebot(Planungswerte)

• Wassertemperatur am Portal 30-34°C

• Volumenstrom 60-555 Liter/s

• Thermische Leistung: 3,8 – 44 MW, angenommene Abkühlung auf

15°C

(Volumenstrom*Wärmekapazität*Temperaturdifferenz)

• Eisenbahntunnel

• Bohrbeginn: 2002

• Fertigstellung: 2017

• Streckenlänge 57 km (152 km Stollen)

• 2 Portale und 2 Zugänge

• Betrachtung des Nordportal Erstfeld

• Bergwassernutzung ab 2011 möglich



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Einleitbedingungen

• Maximale Erhöhung der Gewässertemperatur um 1,5°C

• Mischtemperatur max. 25°C

• Winter als kritische Zeit -> geringe Volumenströme, hohes ΔT

Mögliche Einleitung und Reuß und Schächenbach

• Einleitung Reuß:

max 170 l/s bei 31,5°C

• Einleitung Schächenbach:

max 33 l/s bei 31,5°C

Ohne Wärmenutzung werden

Abkühlbecken notwending, daher

Bereitstellung des Wassers durch

die AlpTransit Gotthard AG



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Wärmenutzung

• 3 der 5 Gemeinden als mögliche Wärmeabnehmer

• Ausführung als heißes oder kaltes Nahwärmenetz

• Entfernung und Strompreis bestimmen die Wärmekosten

• Großabnehmer ideal, Projektideen vorhanden (Tropenhaus,

Fischzucht..)



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Wärmeversogung Gemeinde Erstfeld



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Wärmeverbund Bahnhof

• Nutzung der bestehenden Heizzentrale im SBB Depot

• Sanierung im Jahr 2002 mit Ölfeuerung, Speicher vorhanden

• Nahwärmenetz teilweise bereits vorhanden

• Versorgung des SBB Depots, des Bahnhofes, der Schule Jagdmatt

und Einzelverbraucher

Wärmegestehungskosten ca.

11,9 Rp/kWh (ca. 8,5 cent)


6. Fazit & Ausblick

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Fazit

• Tunnelwärme ist ein wirtschaftliches Nebenprodukt

• Entfernung zwischen Portal und Wärmenutzer ausschlaggebend

• Standorte in der Nähe von Tunneln ideal für Projekte mit hohem

Wärmebedarf

• Tunnelwassernutzung einfacher und günstiger als Absorber

• Wärmeerzeugung im Winter ersetzt Kühlmaßnahmen

Ausblick

• In der Schweiz besteht noch großes Potential, aber nur wenig

Abnehmer

• Aufgrund der Topologie ist das Potential in Deutschland begrenzt

• Erste Projekte werden in Angriff genommen z.B. Stuttgart 21

• Interessant in Städte (Bahn, U-Bahn) zum Heizen und Kühlen, große

Absorberflächen


7. Quellen

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Geothermal use of tunnel waters – a Swiss speciality,

L. Rybach , J. Wilhelm, H. Gorhan

Geothermische Prognose im Tunnelbau

A. Busslinger, Th. Kohl, L. Rybach,

Geothermie im Tunnelbau Stand der Technik und Entwicklungen

Dipl.-Geol. Marcus Schneider

Wärmenutzung Tunnelwasser Basistunnel Gotthard, Nordportal

Machbarkeitsstudie Phase II.

Ch. Dups, Gruneko AG

http://de.wikipedia.org/wiki/Gotthard-Basistunnel

http://www.geothermie.ch/index.php?p=keyfacts_tunnels

http://kajak.at/Fluesse/showall.php?info=1&fluss=310

http://www.baulinks.de/webplugin/2006/1frame.htm?1639.php4


Fragen

Zeit für Fragen!

16


Gestein/Material [W/m K] cp [J/kg K]

Sandstein 3,2 710

Steinkohle 0,26 1260

Wasser 0,59 4200

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