Nutzung der untiefen Geothermie am Beispiel des Standortes

Prof. Dr. Rolf Bracke
FACHHOCHSCHULE BOCHUM
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Nutzung der untiefen Geothermie
am Beispiel des Standortes Ettlingen
(Baden-Württemberg)
Ermittlung geothermischer Potenziale
Visualisierung mittels Geographischer
Informationssysteme (ArcView)
Vorgehensweise
• Standortfindung für eine geeignete Musterkarte
(Landkreis oder Stadt)
• Ermittlung der geologischen und topographischen
digitalen Grundlagendaten für den Stadtkreis
Ettlingen
• Auswertung der Hydrogeologischen Kartierung im
Raum Karlsruhe-Speyer (1988)
• Ermittlung von genehmigungsrechtlichen
Hindernissen (Wasserschutzgebiete)
Vorgehensweise II
• Quantifizierung der Entzugsleistungen für
Erdwärmesondenanlagen auf der Grundlage der
ermittelten Datenlage und den Vorgaben der VDI
4640
• GIS - unterstützte Konstruktion und Darstellung
der Nutzungspotentiale im Massstab 1:25.000
• Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf
andere Landkreise
Wahl des Standortes Ettlingen
•
repräsentativ für weitere Regionen in der
Oberrheinebene und im nördlichen Schwarzwald
aufgrund der Anteile an den tektonischen Einheiten
des Oberrheingrabens (Lockergesteine) und der
Buntsandsteinformation (Festgesteine).
•
Unterstützung des Forschungsvorhabens
durch die Stadt Ettlingen
Geowissenschaftliche Datengrundlage
•
Digitale topographische Karte im Maßstab 1: 25.000.
•
Flächennutzungsplan 2010 der Stadt Ettlingen.
•
Daten zu bestehenden Aufschlußbohrungen, die
weitestgehend vom LGRB zur Verfügung gestellt
wurden.
•
Geologische Karte im Maßstab 1: 25.000.
•
Hydrogeologischen Kartierung im Raum - KarlsruheSpeyer (1988).
•
Karte der Wasserschutzgebiete.
Oberflächennahe Geothermie
•
Nutzung der untiefen Geothermie bis 400 m Tiefe als
- Wärmequelle (Heizung + elektrische Energie),
- Wärmesenke (Kühlzwecke),
- Wärmespeicher.
Oberflächennahe Geothermie
•
jahreszeitlich konstante Temperaturen
von ca. 7 - 11°C bereits in wenigen Meter Tiefe
Oberflächennahe Geothermie
•
ständige Erneuerung der entzogene Wärme durch:
- Sonneneinstrahlung,
- fließendes Grundwasser,
- Grundwasserneubildung (Niederschlag),
- Wärmefluß aus dem Erdinnern.
Oberflächenaher Wärmefluß
Prinzip der Wärmepumpe
•
Wärmeentzug aus der Umwelt über Wärmetauscher
⇒ hier: vertikale Erdwärmesonden
•
Kreisprozeß mit Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und
Expansion eines Kältemittels
⇒ umgekehrtes Prinzip des Kühlschrankes
•
Erhöhung der Temperatur der Wärmequelle auf NutzungsTemperaturen von 35 - 55 °C.
•
Zufuhr von elektrischer Energie in Höhe von ca. 1/5 der insgesamt
gewonnenen Wärmeenergie
⇒ Leistungszahl der Wärmepumpe ca. 5
Solepumpe
Vorlauf:
Warmwasser zur
Fußbodenheizung
Erwärmte Sole T = 5 °C
Niederdruck
Hochdruck
Motor
Expansionsventil
Heizung
Kondensator
(Wärme wird frei)
Verdampfer
(Wärme wird entzogen)
Kompressor
Erdsonden
Abgekühlte Sole T = 0 °C
Erdwärmesondenanlage
•
i.d.R. vertikale Doppel-U-Rohre aus HDPE-Kunstoff,
•
Einsatz in 30 - 100 m tiefen Bohrungen,
•
geringer Flächenbedarf (1 - 3 Bohrungen für EFH).
•
Wärmeträgerflüssigkeit ist i.d.R. ein Wasser- / Glykol-Gemisch.
•
Abhängigkeit des Wärmeentzuges und der Dimen-sionierung
der Anlage von den standortspezifischen geologischen und
hydrogeologischen Verhältnissen.
Geothermische Einflussgrößen
•
Das geothermische Potential für Erdwärmesonden-anlagen
(mittlere Wärmeentzugsleistung) ist abhängig von den
thermischen Eigenschaften der durch die geothermische
Nutzung aufgeschlossenen lithologischen Einheiten
(Schichtglieder).
•
Relevante Parameter für die Beschreibung des
Wärmetransportes innerhalb der Gesteine
- Wärmeleitfähigkeit λ
- Wärmekapazität c
- Temperaturleitfähigkeit (Diffusivität) κ
Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Wassergehalt
Geologie des Standortes
Differenzierung in tektonische Haupteinheiten:
•
Oberrheingraben
mit den tektonischen Untereinheiten
- östliche Grabenscholle (mächtige Niederterrasse des Rhein),
- Randscholle (Ausläufer der Niederterrasse des Rheins,
Albschotter, Löß- und Auelehme),
- Vorbergzone (Hangschutt, Lößablagerungen, Anstieg des Tertiärs)
• Randgebirge (Schwarzwald)
- Buntsandsteinformation
Untergrundaufbau (Profile)
•
Oberrheingraben
- Quartär: 10 – 40 m mächtige rollige und bindige Lockersedimente,
- Pliozän (Jungtertiär): 20 -70 m mächtige rollige und bindige
Lockersedimente,
- Alttertiär: ab Tiefen von 30 - > 100 m Kalk- und Mergelsteine.
•
Randgebirge (Schwarzwald)
- Quartär: 0 - 10 m mächtiger Hangschutt und Lößablagerungen,
- Oberer Buntsandstein: 0 – 70 m mächtig,
- Mittlerer Buntsandstein (einschl. Hauptkonglomerat und
Kristallbuntsandstein): Mächtigkeiten von > 200 m.
315.00
115
A
A’
NN + 311.10 m
307.50
112
Qu
a
300.00
rtä
r
NN + 296.46 m
Qua
rtä
r
292.50
285.00
277.50
270.00
262.50
NN + 260.20 m
255.00
247.50
232.50
r tä
r
111
NN + 264.00 m
nt
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Kristallsa ndstein
Kristallsandstein
H
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225.00
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s
tein
116
Oberer
Buntsand stein
217.50
Mittlerer
Buntsandstein
210.00
202.50
Mittlerer
Buntsandstein
351
195.00
NN + 188.47 m
187.50
180.00
Mittlerer
Buntsandstein
172.50
103
165.00
NN + 160.00 m
157.50
NN + 159.00 m
Quartär
150.00
NN + 151.46 m
541
142.50
NN + 146.60 m
NN + 140.20 m
NN + 135.00 m
135.00
127.50
187
120.00
NN + 119.73 m
NN + 118.00 m
NN + 115.00 m
Pliozän
26
53
63
NN + 115.00 m
NN + 135.77 m
Quartär
112.50
NN + 109.20 m
Tertiär (Festge stein)
Mittlerer
Buntsandstein
105.00
Quartär
97.50
NN + 97.33 m
NN + 93.00 m
90.00
Pliozän
82.50
75.00
NN + 72.00 m
Tertiär (Festgestein)
67.50
Pliozän
60.00
NN + 60.00 m
52.50
45.00
37.50
30.00
27.50
NN + 24.00 m
0.00 m
420.00 m
660.00 m
1130.00 m
870.00 m
1600.00 m
22.50
190.00 m
320.00 m
530.00 m
630.00 m
Wattko pf
25.00
Östliche Grabe nscholle
Randscholle
Vorbergzone
Randgebirge (Schwarzw ald)
710.00 m
Albtal
Hydrogeologie des Standortes
•
Oberrheingraben
Porengrundwasserleiter in den Lockersedimenten
•
-
Quartär: z.T. mehrere Grundwasserstockwerke (max. 3) in der
Niederterrasse des Rheins, die hydraulisch miteinander verbunden sind (hoher Kiesanteil, sehr hohe Durchlässigkeiten,
starker Grundwasserfluß),
-
Pliozän: 1 - 2 Grundwasserstockwerke (geringer Kiesanteil,
vergleichsweise geringe Durchlässigkeiten).
Randgebirge (Schwarzwald)
Kluftgrundwasserleiter in Tiefen, die i.d.R. nicht durch
Erdwärmesonden erschlossen werden.
Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten
im Stadtgebiet Ettlingen
Für sämtliche relevante lithologischen Einheiten im
Stadtgebiet Ettlingen wurden die Wärmeleitfähigkeiten
durch Messungen bestimmt bzw. abgeschätzt.
In dem für die Anlage von Erdwärmesonden relevanten
Teufenbereich (0-100 m) sind hierbei folgende
lithologische Haupteinheiten zu berücksichtigen:
• Buntsandstein
• tertiäres Festgestein
• pliozäne Lockersedimente
• quartäre Lockersedimente
Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit für den
Buntsandstein
-
Entnahme von Bohrkernen und Lesesteinen aus
dem Oberen und Mittleren Buntsandstein (verteilt
über die gesamte Schwarzwaldregion im Ettlinger
Stadtgebiet).
-
Messung der Wärmeleitfähigkeit mittels PopovSonde an insgesamt 69 Proben
⇒ Wärmeleitfähigkeit des mittleren Buntsandstein
λ = 3,9 - 4,3 W/m K
⇒ Wärmeleitfähigkeit des oberen Buntsandstein
λ = 2,85 W/m K
Messung der Wärmeleitfähigkeit des
Gesteins mittels Popov-Sonde
Abschätzung der Wärmeleitfähigkeiten
des tertiären Festgesteins
•
steht im Bereich des Oberrheingrabens erst ab Tiefen
von 30 m an.
•
Es stehen keine Bohrkerne zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
zur Verfügung.
•
Abschätzung mittels Literaturwerten:
λ = 2,5 – 3,0 W/(m K).
Wärmeleitfähigkeiten im Lockergestein
•
Die Wärmeleitfähigkeit von Lockersedimenten ist abhängig
von Mineralart, Korngöße, Porenvolumen und -füllung,
wobei der Haupteinfluß der Wassergehalt darstellt.
•
Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit mittels Literaturwerten.
•
Messungen der Wärmeleitfähigkeit bedeuten einen
unverhältnismäßigen Aufwand.
Abschätzung der Wärmeleitfähigkeiten für die
quartären und pliozänen Lockergesteine
•
mittlere bis hohe Wärmeleitfähigkeiten in den wassergesättigten
Kiesen und Sanden mit λ= 1,7-5,0 W/m K
- grundwasserführende quartäre Kiese und Sande (hohe
Durchlässigkeit und großes Porenvolumen) mit λ > 3 W/m K
- grundwasserführende pliozänen Kiese und Sande (vergleichsweise
geringe Durchlässigkeit) mit λ < 3 W/m K
•
geringe Wärmeleitfähigkeiten in den „trockenen“ quartären und
pliozäne Sedimente (u.a. Löß, Tone und Schluffe des KinzigMurg-Flußsystems, Rheinsande, Hangschutt, pliozäne Tone und
Lehme) mit λ < 1,5 W/m K
Quantifizierung der Nutzungspotentiale
Quantifizierung der
spezifischen
Entzugsleistungen
für Erdwärmesondenanlagen
gemäß der
VDI 4640:
Quantifizierung der Nutzungspotentiale
•
Quantifizierung der spezifischen Entzugsleistungen für
Erdwärmesondenanlagen gemäß der VDI 4640
(2400 Jahresbetriebstunden) :
• schlechter Untergrund (trockenes Sediment)
(λ < 1,5 W/m K) ergibt ca. 20 W/m
• Normaler Festgesteins-Untergrund und
wassergesättigtes Sediment (λ 1,5 – 3,0 W/m K)
ergibt ca. 50 W/m
• Günstiger Untergrund; Festgestein mit hoher
Wärmeleitfähigkeit (λ > 3,0 W/m K) ergibt
ca. 70 W/m
Zuordnung der lithologischen Einheiten im
Stadtgebiet Ettlingen zu Wärmeentzugsklassen
Wärmeentzugsklasse
Zugeordnete Lithologische Untereinheiten
Spezifische Wärmeentzugsleistung
Klasse 1: Mittlerer Buntsandstein
Mittlerer Buntsandstein
Hauptkonglomerat
Kristallsandstein
70 W/m
Klasse 2: Oberer Buntsandstein
Oberer Buntsandstein
Karneolhorizont
50 W/m
Klasse 3: tertiäres Festgestein
Tertiäres Festgestein
50 W/m
Klasse 4: pliozäne Sedimente
Grundwasserführende Kiese und Sande
Grundwasserfreie Kiese und Sande
Tonige und lehmige Zwischenhorizonte
40 W/m
Klasse 5: grundwassergesättigte
quartäre Kiese und Sande
grundwassergesättigte Kiese und Sande der Niederterrasse des Rheins
80 W/m
Klasse 6: grundwasserfreie quartäre
Sedimente und Auffüllungen
Äolische Löß- und Lößlehmablagerungen (Schluffe und Feinsande)
Ablagerungen des Kinzig – Murg - Flusssystems (Tone, Schluffe, Moorböden und Torfe)
Holozäne Aue- und Talsande (Feinsande mit z.T. kiesigen und schluffigen Anteilen)
Hangschutt (verlehmte Schotter und Gerölle)
Grundwasserfreie Kiese und Sande der Niederterrasse des Rheins
Nacheiszeitliche Bodenbildungen und anthropogene Auffüllungen.
20 W/m
Bearbeitung und Darstellung mittles
Geo-Informationsystem (GIS)
•
Bearbeitung und Darstellung der zugrundeliegenden
geowissenschaftlichen Informationen
•
Ermittlung und Dokumentation der geothermischen Potentiale
für Sondenlängen von 50 m und 80 m
•
Kartenmaßstab 1 : 25.000
•
Zur Integration von Flächen- und Punktinformationen wird ein
Bewertungsraster mit Kantenlänge 250 x 250 Meter automatisch
generiert (mit Hilfe eines Avenue-Skriptes View.Mapgrid)
Räumliche Verteilung der relevanten
geologischen Einheiten
Ermittlung für jedes Rasterelement auf Grundlage:
•
Höhenlinien-Darstellung der Topographischen Karte
•
Hydrologische Kartierung (Oberrheingraben)
-
Gleichenplan des Mittleren Grundwassers
-
Isolinienkarte der Basis der quartären Sedimente
-
Isolinienkarte der Basis der pliozänen Sedimente
•
Isolinienkarte des Trennhorizontes zwischen Oberen und
Mittleren Buntsandstein (Geologische Karte)
•
Schichtinformationen aus 156 Aufschlussbohrungen
Potentialbestimmung I
Durch manuelle Extra- und Interpolation von
- Bohrpunkten mit Schichtenverzeichnissen
- Geologischen Karten und Schichtengrenzen
(teils digital),
- Grundwasserflurabstandskarten
wird für jedes Bewertungsquadrat eine repräsentative
Schichtenfolge ermittelt.
Potentialbestimmung II
Unter Berücksichtigung des Grundwasserstandes wird daraufhin in
MS Excel jeder Gesteinseinheit
- ein Wärmeleitfähigkeitspotential zugeordnet,
danach werden
- die Gesteinsanteile über die Tiefe von 50 bzw. 80 m
aufsummiert und gemittelt.
Potentialbestimmung III
•
Separat für jedes Rasterelement
•
Die mittlere Wärmeentzugsleistung ergibt sich aus der Summe
der Wärmeentzugsleistungen der einzelnen lithol. Einheiten
entsprechend ihres Anteils (Mächtigkeit) an der
Gesamtsondenlänge
Berechnung der Nutzungspotentiale
Nutzungspotentiale aus Bohrprofilen
Beispieldarstellung für Raster 1640:
127.50
NN + 117,50 m
120.00
112.50
105.00
97.50
Sondenlänge
Q80 m Q50 m
Quartär
2,50 m
Quartär
19,00 m
NN + 115,00 m
(Q_ tr)
gesättig t
(OKL_wf)
NN + 96,00 m
90.00
82.50
75.00
Pliozän
(80_P lio)
39,00 m
67.50
60.00
NN + 57,00 m
52.50
45.00
19,50 m
(Anteil)
37.50
30.00
Tertiär
(Festgestein)
(80_Tert)
27.50
25.00
NN + 32,50 m
Berechnung der mittleren Wärmeentzugsleistung für 80 m - Sonden
Beispielberechnung für Raster 1640:
127.50
NN + 117,50 m
120.00
Quartär
112.50
(Q_ tr)
105.00
Quartär
97.50
Sondenlä nge
Q80 m Q50 m
gesättig t
(OKL_wf)
2,50 m
NN + 115,00 m
2,50 m
Quartär
20 W / m
Quartär
80 W / m
X
(Q80_Sed_t r)
19,00 m
Pliozän
(80_P lio)
=
19 ,00 W / m
=
19 ,50 W / m
=
12 ,19 W / m
=
51 ,32 W / m
80 m
39,00 m
Pliozän
67.50
0, 63 W / m
19,00 m
X
gesättigt
(Q80_OKL_wf)
82.50
=
80 m
NN + 96,00 m
90.00
75.00
Berechnung der anteiligen Entzugsle istung:
40 W / m
X
(Q80_Plio)
39,00 m
80 m
60.00
NN + 57,00 m
19,50 m
52.50
Tertiär
45.00
19,50 m
(Anteil)
(80_Tert)
50 W / m
X
80 m
37.50
30.00
Tertiär
(Festgestein)
(80_Tert)
27.50
25.00
NN + 32,50 m
Q80_Summe
Darstellung der mittleren
Wärmeentzugsleistungen (Klassen)
Die sich aus den mittleren Wärmeentzugsleistungen ergebenden
geothermischen Potentiale werden in 4 Klassen eingeteilt:
• Sehr hoch (mittlere Wärmeentzugsleistung von > 60 W/m)
• Hoch (mittlere Wärmeentzugsleistung von > 50 - 60 W/m)
• Mittel (mittlere Wärmeentzugsleistung von > 40 - 50 W/m)
• Niedrig (mittlere Wärmeentzugsleistung von < 40 W/m)
Schematische Darstellung
Ergebnisse I (Schwarzwaldregion)
•
weitestgehend hohes bis sehr hohes Potential aufgrund des
Buntsandsteins.
•
im Bereich der Hochflächen und Erhebungen aufgrund des hier
anstehenden Oberen Buntsandsteins geringeres Potential als
in den tieferliegenden Bereichen (Mittlerer Buntsandstein).
•
bei 80 m Sondentiefe ist ein höheres Potential zu erwarten als
bei 50 m Sondentiefe, da größere Anteile des Mittleren
Buntsandsteins aufgeschlossen werden.
Ergebnisse II (Oberrheingraben)
•
großräumig betrachtet: Abnahme des geothermischen Potentials
von Nordwesten nach Südosten.
•
hohes bis sehr hohes Potential im westlichen Bereich aufgrund
des großen Anteil der grundwasserführen-den Sande und Kiese
der Niederterrasse des Rheins.
•
geringes bis mittleres Potential in der östlichen Zone (insbes.
Vorbergzone und Kerngebiet von Ettlingen) aufgrund der hohen
Anteile an grundwasserfreien Sedimenten.
Ausschlußflächen
für die geothermische Nutzung
ca. 15 % des Stadtgebietes Ettlingen stellen
Ausschlußflächen für die geothermische Nutzung dar:
•
Genehmigungsrechtliche Auschlußflächen
- fünf zusammenhängende Wasserschutzgebiete
der Zonen I, II und III A
•
sonstige Auschlußflächen
- Wasserflächen