22.10.20091 geothermie ss 2009 fg geohydraulik und ingenieurhydrologie prof. dr. rer. nat. manfred...
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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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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
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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
Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005
1. Ausgangssituation
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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
Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005
1. Ausgangssituation
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2.1 Erdwärmesonden (EWS) und -sondenfelder
2. Geothermische Anlagenkonzepte
• 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.
2. Geothermische Anlagenkonzepte
Quelle: Eugster, 2007
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2.2 Wärmequelle Grundwasser
2. Geothermische Anlagenkonzepte
• 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
Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005
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GW
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2.3 Tiefe Erdwärmesonden (TEWS)
2. Geothermische Anlagenkonzepte
• 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
2. Geothermische Anlagenkonzepte
• 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
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2.5 Heat Pipes
2. Geothermische Anlagenkonzepte
• 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
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
Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau
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
Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau
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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4. Ausgewählte Referenzprojekte
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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4. Ausgewählte Referenzprojekte
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
1922.10.2009
4.2 Schweiz – Därlingen
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
2022.10.2009
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 SERSOQuelle: GeoVerSi
2122.10.2009
4.2 Schweiz – Därlingen
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
2222.10.2009
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
Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005
22.10.2009
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6. Investitions- und Betriebskosten
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.
Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005
6. Investitions- und Betriebskosten
22.10.2009
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
2622.10.2009
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
2722.10.2009
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
7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale
Volkswirtschaftlicher Nutzen
Quelle: GeoVerSi
2822.10.2009
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
2922.10.2009
3030
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
22.10.2009