Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012.
Sebastian Pfaffel 27.07.2010 1 Prüfungsvortrag 27.07.2010 Geothermie aus Tunneln – Beispiel...
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Sebastian Pfaffel 27.07.20101
Prüfungsvortrag
27.07.2010
Geothermie aus Tunneln – Beispiel Gotthardbasistunnel
Vorlesung: Geothermie
Prof. Dr. Koch
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
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
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Sebastian Pfaffel 27.07.2010
1. Tunnel und Geothermie
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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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
2. Geologische Grundlagen
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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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
2. Geologische Grundlagen
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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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
3. Vorreiter Schweiz
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• Über 700 Straßen- und Eisenbahntunnel
• Topologie bedingte hohe Überlagerungen
• Untersuchung 15 ausgewählter Standorte
• 6 umgesetzte Projekte
St. Bernard *cooling down to 6°C
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
5. Projekt: Gotthard Basistunnel
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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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
5. Projekt: Gotthard Basistunnel
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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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
5. Projekt: Gotthard Basistunnel
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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..)
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
5. Projekt: Gotthard Basistunnel
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Wärmeversogung Gemeinde Erstfeld
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
5. Projekt: Gotthard Basistunnel
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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)
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
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
Sebastian Pfaffel 27.07.2010
Fragen
Zeit für Fragen!
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Sebastian Pfaffel 27.07.2010
Gestein/Material [W/m K] cp [J/kg K]
Sandstein 3,2 710
Steinkohle 0,26 1260
Wasser 0,59 4200