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.: 25201091] Florian Herbert [Master Umweltingenieurwesen, Matr.-Nr.: 29100981] 22.10.2009

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 22.10.2009

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 21.000 km Länge → 1.500 €/km pro Winter 22.10.2009 3

1. Ausgangssituation hohe Umwelt- und Gewässerbelastung durch Einsatz von Auftausalz (in NRW 115.000 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 Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 Alternative zu Taumitteleinsatz: oberflächennahe Geothermie Enteisung ohne zeitliche Verzögerung von Brücken, Rampen etc. Reduzierung der CO2-Emissionen Schonung der Ressourcen und der Umwelt geringe Betriebskosten, langfristig kostengünstige Lösung 22.10.2009 4

1. Ausgangssituation Verkehrsflächen mit besonderem Enteisungsbedarf: Fahrbahnen von Brücken Rampen, Steilstrecken, Zufahrten Parkplätze, Bahnsteige Start- und Landebahnen von Flughäfen Hubschrauberlandeplätze Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 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 1.000 m² beheizter Fläche und 800 h Betriebszeit ergeben sich 240.000 kWh / Winter 22.10.2009 5

2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.1 Erdwärmesonden (EWS) und -sondenfelder 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, 2005 22.10.2009 6

2. Geothermische Anlagenkonzepte 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. Quelle: Eugster, 2007 22.10.2009 7

2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.2 Wärmequelle Grundwasser 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 GW Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 22.10.2009 8

2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.3 Tiefe Erdwärmesonden (TEWS) geschlossenes Koaxialsystem mit Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit Ausbau Bohrung bis 3.000 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 22.10.2009 9

2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.4 Direktverdampfung 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, 2005 22.10.2009 10

2. Geothermische Anlagenkonzepte 2.5 Heat Pipes geschlossenes System vertikale EWS mit flüssigem CO2 als Wärmeträgermedium Verdampfung des CO2 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, 2005 22.10.2009 11

3. Verkehrswege Asphaltbauweise Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Asphaltbauweise Konventionelle Ausführungen der Fahrbahndecke: Lage der Befestigung im Gelände: Asphaltbeton (AC) Damm Splittmastix-asphalt (SMA) Einschnitt Gussasphalt (MA) Quelle: Straßenbautechnik, Prof. Dr.-Ing. Steffen Riedl, FH Erfurt Quelle: www.jrs.de 22.10.2009 12

Dimensionierung von Fahrbahnen 3. Verkehrswege Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Betonbauweise Dimensionierung von Fahrbahnen RStO: „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen“ Betondecke mit Tragschicht aus hydraulischem Bindemittel (HGT: hydraulisch gebundene Tragschicht) Für Asphaltfahrbahnen Alternativ: „dicke“ Betondecke mit Tragschicht ohne Bindemittel Für Betonfahrbahnen Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 13

3. Verkehrswege Brückenbauwerk Ausführung und Konzipierung von Bauwerkstypen im Straßenbau Brückenbauwerk zur Überwindung von Verkehrswegen, Flüssen oder Tälern überwiegend in Asphaltbauweise mit einer Dichtungsschicht aus Bitumenschweißbahn reduzierter Belagsaufbau vollständige Abdichtung Regelbelagdicke von 8 cm Brückenquerschnitt Querschnitt Fahrbahnbelag Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 14

3. Verkehrswege Asphaltbauweise Betonbauweise Auswirkung des Temperatureinfluss Asphaltbauweise 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, … Betonbauweise Temperaturschwankungen bewirken Biege- und Trennrisse und Oberflächenrisse Hauptproblem: Massive Beeinträchtigung der Lebensdauer 22.10.2009 15

4. Ausgewählte Referenzprojekte 4.1 Japan – Aomori City nördlichste Großstadt Japans (300.000 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 Klimadaten und Lageplan Aomori City Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 16

4.1 Japan – Aomori City Aufbau und Kenndaten des Schnee-Schmelze-System Gaia Im Sommer wird auftreffende Solarenergie im Untergrund gespeichert Im Winter wird die geothermische und (zuvor) gespeicherte Energie zur Beheizung des Gehweges genutzt 7 cm Schlauchsystem 7 cm unterhalb der Decke Gehwegaufbau Koaxiale Erdwärmesonde im Winter- und Sommerbetrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 17

4. Ausgewählte Referenzprojekte Weiteres Beispiel Ninohe (Japan) Schnee-Schmelzende-System Installation an einer abschüssigen (9%) kurvenreichen Straßen zur Entschärfung des Unfallschwerpunktes Aufbau des Schnee-Schmelze-System Gaia Gaia-Snow-Melting-System in Betrieb Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 18

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 22.10.2009 19

4.2 Schweiz – Därlingen SERSO – Prinzip / Heizsystem Fahrbahnaufbau / Heizsystem Detail Kappenquerschnitt 10 cm stark, zur Reduzierung der Wärmeverluste nach unten im Winter Einbau eines speziellen Stahlrohrregisters unter einer 1.300 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 Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 20

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 ≈ 55.000 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 22.10.2009 21

4.2 Schweiz – Därlingen Kenndaten und Ergebnisse des SERSO-Projekt 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 Ergebnis SERSO Brücke Infrarot Wärmebild SERSO Brücke Verlauf der Belagstemperatur über ein Jahr 22.10.2009 Quelle: GeoVerSi 22

5. Lebensdauer, Wartung und Betrieb 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 Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 weltweit weisen vorhandene Anlagen auch nach vielen Jahrzehnten Betrieb eine einwandfreie Funktionalität auf 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 22.10.2009 23

6. Investitions- und Betriebskosten 6.1 Kostenvergleich Anlagenkonzepte Quelle: eigene Darstellung 22.10.2009 24

6. Investitions- und Betriebskosten 6.2 Kostengruppen der Investitionskosten Quelle: GeoVerSi, NRW, 2005 Quelle: Eigene Darstellung Für die Realisierung eines weiteren Projektes gleicher Bauart wird eine Halbierung der Investitionskosten erwartet. 22.10.2009 25

7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Winterdienst Verstärkter / verbesserter Winterdienst intensivere Streueinsätze (erste Streuumläufe vor Eintritt von prognostizierten Winterereignissen) Vermeidung von max. 18 % der winterbedingten Verkehrsstauung Restlichen 82 % unvermeidbar, durch hohes Verkehrsaufkommen Alternative 1: Taumittelsprühanlagen Automatisierte Realisierung des präventiven Winterdienstes Salzmenge deutlich gegenüber Streufahrzeugen reduziert  Salz bleibt aber trotzdem notwendig Restlichen 82 % unvermeidbar, aufgrund hohen Verkehrsaufkommens und erschwerter Zufahrt zum Einsatzbereich Alternative 2:benötigte Energien zur Wahrung der Funktionsfähigkeit müssen nicht mehr bereitgestellt, sondern nur einmalig erschlossen werden Alternative 2: Beheizungssysteme Umweltschonend und umweltverträglich Einmalige Erschließung der Energie Funktionsfähigkeit unabhängig von der Verkehrssituation Einsparungen erst bei flächendeckender Verfügbarkeit realisierbar Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 26

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 15-18 Jahre (empirisch ermittelt) Reduktion der Temperaturbeanspruchung vermindert Materialversprödung Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 27

7. Einsparungs- und Nutzungspotentiale Volkswirtschaftlicher Nutzen Wirkungsbereiche zur Kosteneinsparung durch ferngesteuerte, automatische Winterdienste: Verkehrssicherheit 33,8 Mrd.€/a volkswirtschaftliche Kosten durch Unfälle Nachweislich weniger Unfälle Reduzierung der Aquaplaning- und Eisglättegefahr Sichere und störungsfreie Verkehrsabläufe Vermeidung winterlicher Stauungen und Reduzierung von Reiszeitverlusten Verringerung von Betriebskosten und –stoffen Reduzierung von Fahrbahnerneuerungen durch verlängerte Lebensdauer Umweltschutz Reduzierung der Schadstoff-Emissionen und Treibstoffverbrauchs Verminderung von Salz als Taumittel durch Beheizungssysteme Gesundheit Durch nachhaltigen Umweltschutz und Nutzung umweltverträglicher Energien Reisezeitverluste durch verringerte Geschwindigkeiten Quelle: GeoVerSi 22.10.2009 28

8. Zusammenfassung und Ausblick Möglichkeit des Grundwasserschutzes und CO2-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 22.10.2009 29

Geothermie SS 2009 Quellenangaben 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, http://www.stoltenberg-energie.de/erdwaermesonden.html, letzter Zugriff am 14.10.2009 22.10.2009 30 30