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

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

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

Schweiz 2009Quelle: EnergieSchweiz, Geowatt

2010

Anteil installierter Heizleistung

(Wärmepumpensysteme)

Anteil Heizenergie

Anteil erneuerbar

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

Grundwassernutzung:

Skizze Nielson!

nach

Nielson

2003

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

25 m

100 m

Vertikalschnitt (überhöht)

© GTN Neubrandenburg GmbH

Darcy-Geschwindigkeit

…cm/a

Beispiel 1: geringe Strömungsgeschwindigkeit (Nord D)

Aquiferspeicher

Reichstag Berlin

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

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

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)

Spreebogen Berlinsaisonaler Aquiferspeicher

Installation Wärmespeicher

Bundesbauten im Spreebogen Berlin

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

Wasserrechtliches

Genehmigungsverfahren:

Kältespeicher

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

Speicher

Jan

Dez

Jan

Dez

solare Wärme - direkt

solare Wärme - Speicher

konventionelle Zusatzheizung

Solare Wärmeerzeugung Wärmebedarf

38 %30 %

32 %

Talaquifere in der Schweiz

BWG 2005

Hydrogeologogische Besonderheiten

Hohe hydraulische Durchlässigkeit (Schotter)

Hohe hydraulische Gradienten

Räumliche Begrenzung durch Talränder

und geringpermeable Sohlen

Meist ungespannt

Wechselwirkungen mit Flüssen

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:

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

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 +

…

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

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

Planungshilfe Energienutzung Kanton Zürich (AWEL 2010)

Modellierte «Kältefahnen» im Limmatgrundwasserstrom

Kanton Luzern: Reusstal Aquifer

Strömungsmodell (Kantonales Amt

für Umwelt und Energie, LU)

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

Q = 400‟000 m3/aT (in) = 27 °C (ca. 900 kW)

+3 K Isolinie nach 10 Jahren:

ca. 550 m unterstrom

Q = 200‟000 m3/aT (in) = 27 °C (ca. 450 kW)

+3 K Isolinie nach 10 Jahren:

ca. 300 m unterstrom

Anwendungsbeispiel (2)

Reusstal: Heizen und Kühlen (2008)

ΔT=3K (permanent)

Heizen: 2%

Durchsatz: 1.9 Mio. m3/a750 kW

Kühlung

Anwendungsbeispiel (2)

1K- (blau) und 3K-(rot)

Änderung im 9. und 10.

Betriebsjahr

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

“Saisonal stationäre” Verhältnisse nach ca. 10 a

Ende der

Heizperiode:

- 3 K ca. 150 m

“Saisonal stationäre” Verhältnisse nach ca. 10 a

Ende der

Kühlperiode:

+ 2 K ca. 100 m

Anwendungsbeispiel (4)

Wiggertal (LU) –Tiefkühl Center

(2002/3)

ursprüngliche Planung: 5„000 l//min

ΔT=7K

2.4 MW

Kühlung

Anwendungsbeispiel (4)

Reduktion Abwärme um 60%

Anwendungsbeispiel (5)

April Oktober

423 kW

Heizung /

628 kW

Kühlung

max. ΔT=3K

Wiggertal (LU/AG) – (2009)

39

Solche Modelle sind nicht

immer dem Projekt

angemessen; kurzer

Ausflug in die Physik und

Modellierung:

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):

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

42

2D analytische Lösungen mit Grundströmung(R. Schulz, J Geophys,1987)

geschlossene Lösung

nur für eine Dublette!

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

Groundwater Energy Designer

(mit Unterstützung des BfE)

www.af-colenco.com

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

46

nach 10 Jahren nach 30 Jahren

300 m/a

3 m/a

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

Entfernung

200 m

25 m

Einfluss des Wärmeaustauschs (bei 3 m/a)

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

wo bleibt die

Wärme?

Ich danke für Ihre

Aufmerksamkeit!