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22.10.20091 Geothermie SS 2009 FG Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Nutzung geothermischer Energie im Verkehrswegebau.

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1 Geothermie SS 2009 FG Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Nutzung geothermischer Energie im Verkehrswegebau Referenten: Sebastian Weichelt [Master Bauingenieurwesen, Matr.-Nr.: ] Florian Herbert [Master Umweltingenieurwesen, Matr.-Nr.: ]

2 2 Gliederung 1.Ausgangssituation 2.Geothermische Anlagenkonzepte 3.Verkehrswege 4.Ausgewählte Referenzprojekte 5.Lebensdauer, Wartung und Betrieb 6. Investitions- und Betriebskosten 7.Einsparungs- und Nutzungspotenziale 8.Zusammenfassung und Ausblick

3 3 1. Ausgangssituation durch Schnee- und Eisglätte im Winter starke Behinderung des Straßenverkehrs im Winter 2003 starben bundesweit 259 Menschen in Verkehrsunfällen verursacht durch glatte Straßen die Unfallursache Schnee- und Eisglätte mit Personenschaden hat einen Anteil je nach Bundesland zw. 2 % und 10 % hohe volkswirtschaftliche Verluste durch Verkehrsstauungen Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 Kosten für den Winterdienst 2003 in NRW 31 Mio. Straßennetz in NRW von km Länge /km pro Winter

4 4 hohe Umwelt- und Gewässerbelastung durch Einsatz von Auftausalz (in NRW t im Winter 2003 entspricht ca. 5,5 t/km) Versalzung des Straßenseitenraums führt zur Schädigung von Flora und Fauna Umweltschäden durch Auftausalz werden bundesweit auf 450 Mio. /a geschätzt Alternative zu Taumitteleinsatz: oberflächennahe Geothermie Enteisung ohne zeitliche Verzögerung von Brücken, Rampen etc. Reduzierung der CO 2 -Emissionen Schonung der Ressourcen und der Umwelt geringe Betriebskosten, langfristig kostengünstige Lösung Quelle: GeoVerSi, NRW, Ausgangssituation

5 5 Verkehrsflächen mit besonderem Enteisungsbedarf: Fahrbahnen von Brücken Rampen, Steilstrecken, Zufahrten Parkplätze, Bahnsteige Start- und Landebahnen von Flughäfen Hubschrauberlandeplätze Häufig genutzte Energiequelle für beheizte Flächen elektrischer Strom Beispiel Energieverbrauch: elektrische Anschlussleistung von ca. 300 W/m² mittlere Betriebszeit von 800 h pro Winter bei m² beheizter Fläche und 800 h Betriebszeit ergeben sich kWh / Winter Quelle: GeoVerSi, NRW, Ausgangssituation

6 6 2.1 Erdwärmesonden (EWS) und -sondenfelder 2. Geothermische Anlagenkonzepte geschlossenes System Erdwärmesonde aus HDPE Sondentiefe 50 m bis 250 m Zwischenraum zw. Bohrlochwand und Sonde wird mit Bentonit-Zement- Suspension verpresst Wärmeträgerflüssigkeit Wasser-Glykol- Gemisch (Sole) thermische Untergrundparameter werden durch thermal response test in Probebohrung ermittelt relativ geringer Platzbedarf für Sondenfeld Quelle: GeoVerSi, NRW,

7 7 Nutzung von Erdwärmesonden zur Energiespeicherung Im Sommer wird Sonnenwärme von der Fahrbahnoberfläche absorbiert und im Untergrund gespeichert (Kühlung der Fahrbahn). Im Winter wir die gespeicherte Wärme zur Enteisung der Fahrbahn genutzt. 2. Geothermische Anlagenkonzepte Quelle: Eugster,

8 8 2.2 Wärmequelle Grundwasser 2. Geothermische Anlagenkonzepte offenes System Brunnentiefe je nach GW-Stand Grundwasser in Aquifer dient als Wärmequelle maßgebende Parameter: GW- Temperatur, GW-Volumenstrom, chem. Wassereigenschaften Grundwassernutzung ist genehmigungspflichtig Schluckbrunnen im Abstrombereich des Förderbrunnens auch Nutzung des Aquifers als Energiespeicher Quelle: GeoVerSi, NRW, GW

9 9 2.3 Tiefe Erdwärmesonden (TEWS) 2. Geothermische Anlagenkonzepte geschlossenes Koaxialsystem mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit Ausbau Bohrung bis m Tiefe mit Standrohren aus Stahl und Steigrohr aus GFK Zwischenraum zw. Stahlrohr und Bohrloch- wand wird mit Zementsuspension verpresst Korrosionsschutz Anschluss Steigrohr (Vorlauf) an Wärme- übertrager Vorteile: keine Wärmepumpe, geringer Platzbedarf, nahezu wartungsfreier Betrieb, lange Lebensdauer > 50 a Nachteil: hohe Investitionskosten Quelle: Stoltenberg Energie GmbH

10 Direktverdampfung 2. Geothermische Anlagenkonzepte geschlossenes System Kältemittelkreislauf der Wärme- pumpe wird direkt ins Erdreich geführt Wärmeentnahmerohre werden horizontal im Erdreich verlegt bei Leckagen im Kältemittelkreislauf gelangt Kältemittel und Öl direkt ins Erdreich und ggf. ins Grundwasser keine Speicherung von Wärme- energie während der Sommermonate möglich (keine Kühlung des Straßen- belags) Quelle: GeoVerSi, NRW,

11 Heat Pipes 2. Geothermische Anlagenkonzepte geschlossenes System vertikale EWS mit flüssigem CO 2 als Wärmeträgermedium Verdampfung des CO 2 am Rohrfuß, Verflüssigung am Wärmeübertrager (Thermosyphon) keine Pumpenergie für Wärmeträger- medium in EWS keine Speicherung von Wärmeenergie während der Sommermonate möglich (keine Kühlung des Straßenbelags) Quelle: GeoVerSi, NRW,

12 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Asphaltbauweise Damm Lage der Befestigung im Gelände: Einschnitt Konventionelle Ausführungen der Fahrbahndecke: Asphaltbeton (AC) Splittmastix- asphalt (SMA) Gussasphalt (MA) Quelle: Quelle: Straßenbautechnik, Prof. Dr.-Ing. Steffen Riedl, FH Erfurt

13 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Betonbauweise Betondecke mit Tragschicht aus hydraulischem Bindemittel (HGT: hydraulisch gebundene Tragschicht) Alternativ: dicke Betondecke mit Tragschicht ohne Bindemittel Quelle: GeoVerSi Dimensionierung von Fahrbahnen RStO: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen Für Asphaltfahrbahnen Für Betonfahrbahnen

14 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Brückenbauwerk Brückenquerschnitt Querschnitt Fahrbahnbelag zur Überwindung von Verkehrswegen, Flüssen oder Tälern überwiegend in Asphaltbauweise mit einer Dichtungsschicht aus Bitumenschweißbahn reduzierter Belagsaufbau vollständige Abdichtung Regelbelagdicke von 8 cm Quelle: GeoVerSi

15 3. Verkehrswege Auswirkung des Temperatureinfluss Asphaltbauweise Betonbauweise hohe Temperaturen (Sommer) Aufweichen der Asphaltdecke Spurrinnen niedrige Temperaturen (Winter) Verspröden Materialausbruch Temperaturschwankungen beeinflussen die Eigenschaften vom Bitumen Viskosität und dynamische Steifigkeit, Dichte und Wärmeausdehnung, Alterung, … Temperaturschwankungen bewirken Biege- und Trennrisse und Oberflächenrisse Hauptproblem: Massive Beeinträchtigung der Lebensdauer

16 4. Ausgewählte Referenzprojekte Klimadaten und Lageplan Aomori City Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb nördlichste Großstadt Japans ( EW) weltweit schneereichste Stadt (800 cm/a) 2 Schnee-Schmelzende-Systeme wurden 2002 fertig gestellt Gefahrenreduktion auf Bürgersteig hat hier höhere Priorität als auf der Straße somit werden Bürgersteige schnee- und eisfrei gehalten Die Beheizungsanlage speichert die sommerliche Oberflächenwärme des Belags in den Untergrund Quelle: GeoVerSi 4.1 Japan – Aomori City

17 4.1 Japan – Aomori City Aufbau und Kenndaten des Schnee-Schmelze-System Gaia GehwegaufbauKoaxiale Erdwärmesonde im Winter- und Sommerbetrieb Quelle: GeoVerSi Im Sommer wird auftreffende Solarenergie im Untergrund gespeichert Im Winter wird die geothermische und (zuvor) gespeicherte Energie zur Beheizung des Gehweges genutzt 7 cm

18 4. Ausgewählte Referenzprojekte Weiteres Beispiel Ninohe (Japan) Schnee-Schmelzende-System Installation an einer abschüssigen (9%) kurvenreichen Straßen zur Entschärfung des Unfallschwerpunktes Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb Quelle: GeoVerSi Aufbau des Schnee-Schmelze-System Gaia

19 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO (Sonnen-Energie-Rückgewinnung aus Straßen-Oberflächen) Pilotanlage des SERSO-System wurde an einer Autobahnbrücke der A8, bei Därlingen im Berner Oberland realisiert Die Fahrbahn der Brücke wird mittels gespeicherter Energie eisfrei gehalten Grund für SERSO war schwere Verkehrsunfälle auf der Brücke, wegen vereister Fahrbahn Ziel von SERSO ist es, gleiche Fahrbahnbedingungen auf der Brücke wie auf den angrenzenden Straßenteilen zu gewährleisten Eisfreihaltung Klimadaten und Lageplan Därlingen, Schweiz SERSO Brücke an der A8 Quelle: GeoVerSi

20 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO – Prinzip / Heizsystem Einbau eines speziellen Stahlrohrregisters unter einer m² Belagsfläche Rohrregister sind in einen Vermörtelungsbelag (bituminöser Heissmischbelag mit Zementbeton) eingelassen Einbautiefe liegt bei 7 cm unterhalb der Belagsoberfläche Register dient im Sommer als auch im Winter als Wärmetauscher Fahrbahnaufbau / HeizsystemDetail Kappenquerschnitt Quelle: GeoVerSi 10 cm stark, zur Reduzierung der Wärmeverluste nach unten im Winter

21 4.2 Schweiz – Därlingen SERSO – Prinzip / saisonaler Niedertemperatur-Felsspeicher Felsspeicher lagert die im Sommer entzogene Wärmeenergie Felsspeicher verfügt über 91 vertikale EWS (65 m je EWS) Die Anordnung der EWS erfolgt in 4 Ringen Felsspeichervolumen m³ automatischer Betriebsstart im Sommer, wenn Belagstemp. 3 K über Felsspeichertemp. Ladung des Speichers erfolgt mit allen 4 Ringen parallel (effizienter T.-anstieg) Betriebsstart im Winter, wenn Belagstemp. unter 3°C und Abschalten bei T > 4°C Speicherentladung von außen nach innen wenn äußere Ring geforderte Temp. nicht liefern kann, geht nächster innere Ring an keine Wärmepumpe notwendig Prinzipschema SERSO Quelle: GeoVerSi

22 4.2 Schweiz – Därlingen Kenndaten und Ergebnisse des SERSO-Projekt Quelle: GeoVerSi Ergebnis SERSO BrückeInfrarot Wärmebild SERSO BrückeVerlauf der Belagstemperatur über ein Jahr vorausschauende winterliche Betriebsweise minimiert hohe Wärmeleistungen mit hohen Vorlauftemperaturen es lässt sich genügend Energie aus dem Brückenbelag entziehen, um im Winter die Brücke eisfrei zu halten aufgrund fehlender Wärmepumpe nur Eis- und keine Schneefreihaltung möglich

23 23 5. Lebensdauer, Wartung und Betrieb Lebensdauer Lebensdauer abhängig von Dauerhaftigkeit der Materialien sowie von regelmäßiger Wartung Rohrleitungen aus PE für EWS bzw. Rohrregister haben hohe Lebensdauer prognostizierte Lebensdauer Gesamtanlage SERSO (Schweiz) > 70 a Wartung und Betrieb Wartung von Klimasensoren (Belagstemperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck) wichtig effiziente Einstellung der Steuerparameter (Start- und Stoppparameter für Anlagenbetrieb), sonst z.B. Gefahr der unnötigen Speicherentladung weltweit weisen vorhandene Anlagen auch nach vielen Jahrzehnten Betrieb eine einwandfreie Funktionalität auf Quelle: GeoVerSi, NRW,

24 24 6. Investitions- und Betriebskosten 6.1 Kostenvergleich Anlagenkonzepte Quelle: eigene Darstellung

25 Kostengruppen der Investitionskosten Quelle: Eigene Darstellung Für die Realisierung eines weiteren Projektes gleicher Bauart wird eine Halbierung der Investitionskosten erwartet. Quelle: GeoVerSi, NRW, Investitions- und Betriebskosten

26 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Winterdienst Verstärkter / verbesserter Winterdienst Alternative 1: Taumittelsprühanlagen Alternative 2: Beheizungssysteme intensivere Streueinsätze (erste Streuumläufe vor Eintritt von prognostizierten Winterereignissen) Vermeidung von max. 18 % der winterbedingten Verkehrsstauung Restlichen 82 % unvermeidbar, durch hohes Verkehrsaufkommen Automatisierte Realisierung des präventiven Winterdienstes Salzmenge deutlich gegenüber Streufahrzeugen reduziert Salz bleibt aber trotzdem notwendig Umweltschonend und umweltverträglich Einmalige Erschließung der Energie Funktionsfähigkeit unabhängig von der Verkehrssituation Einsparungen erst bei flächendeckender Verfügbarkeit realisierbar Quelle: GeoVerSi

27 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Dauerhaftigkeit positiver Effekt der Beheizungssystem auf die Lebensdauer durch: Wärmeentzug im Sommer Reduzierung der Spurrinnenbildung Wärmezufuhr im Winter Verhinderung eisbedingter Rissbildung Verlängerung der Lebensdauer der Fahrbahndecke um Jahre (empirisch ermittelt) Reduktion der Temperaturbeanspruchung vermindert Materialversprödung Quelle: GeoVerSi

28 Wirkungsbereiche zur Kosteneinsparung durch ferngesteuerte, automatische Winterdienste: oVerkehrssicherheit 33,8 Mrd./a volkswirtschaftliche Kosten durch Unfälle Nachweislich weniger Unfälle Reduzierung der Aquaplaning- und Eisglättegefahr oSichere und störungsfreie Verkehrsabläufe Vermeidung winterlicher Stauungen und Reduzierung von Reiszeitverlusten Verringerung von Betriebskosten und –stoffen Reduzierung von Fahrbahnerneuerungen durch verlängerte Lebensdauer oUmweltschutz Reduzierung der Schadstoff-Emissionen und Treibstoffverbrauchs Verminderung von Salz als Taumittel durch Beheizungssysteme oGesundheit Durch nachhaltigen Umweltschutz und Nutzung umweltverträglicher Energien 7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Volkswirtschaftlicher Nutzen Quelle: GeoVerSi

29 8. Zusammenfassung und Ausblick Möglichkeit des Grundwasserschutzes und CO 2 -Reduzierung Konzipierung zur Schnee- und/oder Eisfreihaltung hoher volkswirtschaftlicher Gesamtnutzen Anpassung an lokale geologische und klimatische Randbedingungen Adsorption von Sonnenergie, Speicherung und Nutzung verbesserte Zustandserhaltung, erhöhte Lebensdauer von Verkehrswegen Unterstützung des Winterdienstes Durchführung von Machbarkeitsstudien notwendig nachhaltige Analysen von Konzepten, Kosten, Betrieb und Auswirkungen auf Mensch und Umwelt für Effizienzsteigerung flächendeckende Nutzung notwendig

30 30 Quellenangaben Geothermie SS 2009 GeoVerSi Geothermie sorgt für Verkehrssicherheit, Ministerium für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen NRW, Düsseldorf, 2005 Eugster, Road and Bridge Heating Using Geothermal Energy. Overview and Examples. Polydynamics Engineering, Zürich, 2007 Stoltenberg Energie GmbH, energie.de/erdwaermesonden.html, letzter Zugriff am


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