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Matthias Eickelberg & Laura Köhl 1
Energiespeicherung im Untergrund
Einführung in die IngenieurgeophysikProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch
Präsentationvon
Matthias Eickelberg&
Laura Köhl
Matthias Eickelberg & Laura Köhl 2
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
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)
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