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Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter – wo bleibt die Wärme?
Dr. Joachim Poppei
AF-Colenco AG, Baden
Inhalt:
die Ressource: hydroegologische Grundlagen und aktuelle
Nutzung
Heizen, Kühlen, Speichern – Beispiel aus den letzten 15 Jahren
aus D und CH
die Prognose: Prozesse und Modelle
die Bewirtschaftung begrenzter Ressourcen
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Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter
niederthermal (< 100°C) hochthermal (>100°C)
oberflächennah / untief tiefe Aquifere (hydrothermale
Geothermie)
geschlossene Systeme offene Systeme
(ohne Grundwasserförderung) (mit Grundwasserförderung)
- Erdwärmesonden - Grundwasserwärmepumpen
- Energiepfähle - Direktkühlung
- Erdwärmeregister - saisonale Wärmespeicher
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Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter (2)
energetisch und ökonomisch attraktiv weil:
EWS: ~ 50 W/m GWWP dafür ¼ l/min
(ΔT=3K)
EFH mit Wärmepumpe:
Kälteleistung 10 kW
EWS: etwa 200 m Brunnen: ca. 100 l/min
aber:
Reichweite oft >> Grundstücksfläche und
Grundwasserschutz als Trinkwasser!
Quelle: BWP
Quelle: BWP
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Schweiz 2009Quelle: EnergieSchweiz, Geowatt
2010
Anteil installierter Heizleistung
(Wärmepumpensysteme)
Anteil Heizenergie
Anteil erneuerbar
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100
110
120
130
140
150
160
170
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Ins
tall
iert
e L
eis
tun
g (
MW
)
0
50
100
150
200
250
Wä
rme
me
ng
e (
GW
h)
installierte Leistung
~ 3'000
Anlagen
4'500 Anlagen
100
110
120
130
140
150
160
170
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Ins
tall
iert
e L
eis
tun
g (
MW
)
0
50
100
150
200
250
Wä
rme
me
ng
e (
GW
h)
installierte Leistung
Wärmeproduktion
Anteil erneuerbar
71%
Quelle: EnergieSchweiz, Geowatt 2010
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Grundwassernutzung:
Skizze Nielson!
nach
Nielson
2003
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Hebung thermische Änderung Reinjektion /
Versickerung
• Bilanz erhalten (bei Reinjektion)
• Spiegelabsenkung und –anhebung (schnell stationär)
• langsame (instationäre) thermische Änderung durch:
advektiven Transport (verlangsamt gegenüber idealen Tracer)
Wärmeaustausch Fluid und Fluid/Matrix
Wärmeleitung im Aquifer und in den Zwischen- und
Deckschichten
Dispersion
Spezifika und Prozesse
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25 m
100 m
Vertikalschnitt (überhöht)
© GTN Neubrandenburg GmbH
Darcy-Geschwindigkeit
…cm/a
Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D)
Aquiferspeicher
Reichstag Berlin
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Beispiel 2: hohe Strömungsgeschwindigkeit (CH)
x
x
x
x
100 0 100 200 Meter
Simulation der Temperaturverteilung
Injektion: 400'000 qm/aModellzeit: 10 aRückgabetemperatur: 22°C
Erwä rmung um
0.5 - 1°C1 - 2°C
2 - 3°C
3 - 4°C
4 - 5°C5 - 7°C
7 - 9°C
9 - 10°C
x Brunnen
EM 102
Rückgabebrunnen
Entnahmebrunnen
EM 209
Nutzung zu Kühlzwecken,
Reusstal, Schweiz
Darcy-
Geschwindigkeit
> 300m/a
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Fragen bei der Planung:
• Verfügbarkeit von Grundwasser?
• erforderlicher Abstand der Versickerung von der Förderung;
verfügbare Grundfläche ausreichend?
• bei Speicherung: wie gross ist der Wirkungsgrad / Rückgewinnung?
• Aufwand minimierbar?
Fragen des Genehmigungsrechts:
• Reichweite der hydraulischen und thermischen Beeinflussung
• Beeinträchtigung von Wasserfassungen
aber: Energiebedarf und Hydrogeologie immer standortspezifisch!
Besonderheiten der Grundwassernutzung
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saisonaler Aquiferspeicher
Voraussetzungen:
• geringe regionale Grundströmung
• gering durchlässige Deckschicht (meist gespannter
Grundwasserleiter)
• homogene Struktur
• physikalisch-chemische Verträglichkeit
• keine Qualitätsbeeinträchtigung von
Grundwasserfassungen
• hinreichende Durchlässigkeit (> 10-4 m/s) und Mächtigkeit
(10…30 m)
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Spreebogen Berlinsaisonaler Aquiferspeicher
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Installation Wärmespeicher
Bundesbauten im Spreebogen Berlin
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1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320
Tage seit Betriebsbeginn
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tem
pera
tur
in °
C
Rückfördertemperatur gemessen
Rückfördertemperatur Modell
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Beginn Rückfördern 27.11.2002
600 m
300 m
Temperaturverteilung
November 2002
600 m
300 m
Temperaturverteilung
Februar 2003
Numerisches Modell:
Validierung
Bundesbauten im Spreebogen Berlin
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Wasserrechtliches
Genehmigungsverfahren:
Kältespeicher
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saisonaler Aquiferspeicher
„Helios Rostock“
108 Wohnungen
1„000 m2 Kollektorfläche
(solar roof)
Speicher: 15 … 25 u. G.
Überdeckung Mergellehm
2 Bohrungen im Abstand 55m
Max. Förderung und Injektion
15 m3/h
WIRO – Wohnen in Rostock Wohnungsgesellschaft mbH
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Speicher
Jan
Dez
Jan
Dez
solare Wärme - direkt
solare Wärme - Speicher
konventionelle Zusatzheizung
Solare Wärmeerzeugung Wärmebedarf
38 %30 %
32 %
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Talaquifere in der Schweiz
BWG 2005
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Hydrogeologogische Besonderheiten
Hohe hydraulische Durchlässigkeit (Schotter)
Hohe hydraulische Gradienten
Räumliche Begrenzung durch Talränder
und geringpermeable Sohlen
Meist ungespannt
Wechselwirkungen mit Flüssen
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Grundwassernutzung: Potential
w
w
f r
rDln
Hk2
Vh
w
w
2
fmax
r
rDln
Hk21.0V
w
w
2
fmaxmax
r
rDln
Hk21.0K3cVTcP
Absenkung/Aufhöhung in einer Dublette:
Max. Volumenstrom bei 10% Absenkung:
Max. Leistung bei 3K Temperatur-
änderung und 10% Absenkung:
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Grundwassernutzung: Potential Rheintal St.Gallen
Kleinanlage: 10 kW
Kleine bis mittlere
Anlage: 30 kW
Mittlere Anlage: 100 kW
Größere Anlage: 300 kW
Kartierung aus k-
Wert und H:
AF Colenco für Amt für Umwelt und Energie Kanton St .Gallen, 2011
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Grundwassernutzung: Energiebilanz
terrestrischer
Wärmestrom
Grundwasserfluss
Wärmestrom durch ungesättigte
Zone
Infiltration / Versickerung:
3K Entnahme
auf 1„000 x 20 m2: 500 kW
auf 1km2:
1.5 MW
200 kW
60 kW +
…
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auf 4 km2:
• 1 x Trinkwasser:
4„000 l/min
• 1 x Brauchwasser:
300 l/min
• 27 x thermische
Nutzung
Suhretal, Kanton AG
Quelle: Departement Bau, Verkehr und Umwelt, Abt.
für Umwelt Kanton Aargau, 2011
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Entwicklung der thermischen Beeinflussung
ist abhängig von:
Temperaturänderung und Volumenstrom
hydrogeologischen Parameter des Aquifers
thermophysikalischen Parameter (Aquifer und
Deckschichten)
Abstand Entnahme und Rückgabe
Ausbau der Brunnen
natürlichen Fliessfeld
konkurrierenden Nutzern
komplex und standortabhängig
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Planungshilfe Energienutzung Kanton Zürich (AWEL 2010)
Modellierte «Kältefahnen» im Limmatgrundwasserstrom
![Page 27: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/27.jpg)
Kanton Luzern: Reusstal Aquifer
Strömungsmodell (Kantonales Amt
für Umwelt und Energie, LU)
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Anwendungsbeispiel (1):
Fachmarkt Emmen, 2004:
Wärmefahne bei durch-
gehender Nutzung
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Zeit [Monate]
Kü
hlb
ed
arf
[M
Wh
/Mo
na
t]
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Gru
nd
wa
ss
ert
em
pera
tur
(MM
) [°
C]Kühlbedarf
Temperatur
900 kW
Kühlung
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Q = 400‟000 m3/aT (in) = 27 °C (ca. 900 kW)
+3 K Isolinie nach 10 Jahren:
ca. 550 m unterstrom
![Page 30: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/30.jpg)
Q = 200‟000 m3/aT (in) = 27 °C (ca. 450 kW)
+3 K Isolinie nach 10 Jahren:
ca. 300 m unterstrom
![Page 31: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/31.jpg)
Anwendungsbeispiel (2)
Reusstal: Heizen und Kühlen (2008)
ΔT=3K (permanent)
Heizen: 2%
Durchsatz: 1.9 Mio. m3/a750 kW
Kühlung
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Anwendungsbeispiel (2)
1K- (blau) und 3K-(rot)
Änderung im 9. und 10.
Betriebsjahr
![Page 33: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/33.jpg)
Anwendungsbeispiel (3)
Reusstal: Heizen und Kühlen (2008/10)
Heizen November bis
April: ΔT=4K
Kühlen Mai-Oktober:
ΔT=4K
400 kW
Heizung /
200 kW
Kühlung
![Page 34: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/34.jpg)
“Saisonal stationäre” Verhältnisse nach ca. 10 a
Ende der
Heizperiode:
- 3 K ca. 150 m
![Page 35: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/35.jpg)
“Saisonal stationäre” Verhältnisse nach ca. 10 a
Ende der
Kühlperiode:
+ 2 K ca. 100 m
![Page 36: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/36.jpg)
Anwendungsbeispiel (4)
Wiggertal (LU) –Tiefkühl Center
(2002/3)
ursprüngliche Planung: 5„000 l//min
ΔT=7K
2.4 MW
Kühlung
![Page 37: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/37.jpg)
Anwendungsbeispiel (4)
Reduktion Abwärme um 60%
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Anwendungsbeispiel (5)
April Oktober
423 kW
Heizung /
628 kW
Kühlung
max. ΔT=3K
Wiggertal (LU/AG) – (2009)
![Page 39: Thermische Nutzung flacher Grundwasserleiter wo bleibt die ... · Darcy-Geschwindigkeit …cm/a Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D) Aquiferspeicher Reichstag Berlin](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022042313/5edcf1a4ad6a402d6667d80d/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Solche Modelle sind nicht
immer dem Projekt
angemessen; kurzer
Ausflug in die Physik und
Modellierung:
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40
Ausbreitung der thermischen Front„Injection of fluids“ Horne, 1988
Druck (wie Schall)
Tracer (Advektion; ggf. retardiert durch Sorption…)
Wärme (retardiert durch Wärmeaustausch
Fluid/Fluid und Fluid/Matrix)
Filtergeschwindigkeit / Darcygeschwindigkeit: hkv
0.552.30.3
0.412.00.2
0.241.80.1
vth/uPorositäta
f
c
c
Wärmetransport =
Faktor 2…4 langsamer als
idealer Tracer!
vn
1u
Abstandsgeschwindigkeit:
vc
cv
a
fth
rfa cn1cnc Thermische Front (im Aquifer):
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41
z
- z
0
+M__
2
2
__M--
Caprock
Aquifer
Bedrock
x
zE Lauwerier: z --->
Häfner/Voigt z --> zE
optional in Richtung:
t
TcTvcT aaffa
im Aquifer
Modellieren = Vereinfachen:
2
2
RRRz
T
t
Tc
a a f f
Rz z ac
T
tc gradT
M
T
zT v
0
ffMMaa cc)1(c
Wärmeaustausch - Übersicht
Energiebilanz
t
TcT RRR
im Liegenden und
HangendenPress & Siever,
1997
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42
2D analytische Lösungen mit Grundströmung(R. Schulz, J Geophys,1987)
geschlossene Lösung
nur für eine Dublette!
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43
R;
H
tV2maxb s
min
H4
tV3
c
c2;t
n
v
2
1maxa s
a
fs
natmin
1. Koordinatentransformation
2. Modellgebiet
3. Randbedingungen
4. Diskretisierung (z. B. 2„500 Elemente, min. 0.1 m in
Brunnennähe, log. bis zum Rand)
5. Nach Berechnung: Rücktransformation der
Koordinaten und Isoliniendarstellung
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Groundwater Energy Designer
(mit Unterstützung des BfE)
www.af-colenco.com
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ein kleines Beispiel zur Diskussion:
Bedarfscharakteristik:
Ein- oder Zweifamilienhaus
Wärmeenergiebedarf: 23.5 MWh/a (~ 1,860 l
leichtes Heizöl pro Jahr)
Heizleistung: 13 kW
JAZ der Wärmepumpe: 3.5
Auskühlung: 5 K
Hydrogeologische Verhältnisse:Aquifer gespannt,
Mächtigkeit: 3m;
Porosität: 30%;
Gradient der Grundwasseroberfläche: 0.1m/100m (0.1%)
hydraulische Leitfähigkeit:
Test 1: 1·10-2 m/s Darcy Geschwindigkeit: ~ 300 m/a
Test 2: 1·10-4 m/s Darcy Geschwindigkeit : ~ 3 m/a
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46
nach 10 Jahren nach 30 Jahren
300 m/a
3 m/a
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0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Te
mp
era
turd
iffe
ren
z [
K]
Abstand von Förderbrunnen [m]
ohne Wärmeaustausch
mit Wärmeaustausch
47
Einfluss des Wärmeaustauschs (bei 300 m/a)
Abstand13 m
Abstand Reinjektion 5 m
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Entfernung
200 m
25 m
Einfluss des Wärmeaustauschs (bei 3 m/a)
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Schlussfolgerungen
• energetische Nutzung von Grundwasser ist attraktiv
(ökonomisch und ökologisch) und spannend (planerisch)
• jede Anlage ist speziell
• Planung von Anlagen und Management der Ressourcen braucht
branchenübergreifendes know-how
• zunehmende Nutzung erfordert raumplanerische (evtl. auch
juristische) Überlegungen und Massnahmen
• Werkzeuge stehen zur Verfügung; müssen ggf. „projekt- und
budgetspezifisch“ optimiert werden
• energetische und ökologische Randbedingungen werden uns
zunehmend zwingen, praktikable Lösungen anzubieten
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wo bleibt die
Wärme?
Ich danke für Ihre
Aufmerksamkeit!