Geothermie aus Tunneln – Beispiel Gotthardbasistunnel Prüfungsvortrag 27.07.2010 Geothermie aus Tunneln – Beispiel Gotthardbasistunnel Vorlesung: Geothermie Prof. Dr. Koch

Gliederung Tunnel und Geothermie Geologische Grundlagen Vorreiter Schweiz Nutzungsvarianten - Tunnelwasser - Absorber Projekt: Gotthard Basistunnel - Wärmedargebot - Einleitbedingungen - Wärmenutzung: Beispiel Bahnhof Erstfeld Fazit & Ausblick 2

Bauwerke mit Bodenkontakt, geringer Zusatzaufwand, hoher Zusatznutze 1. Tunnel und Geothermie 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 3

2. Geologische Grundlagen Geothermischer Gradient Im Mittel ΔT=3,3 K/100m Geologisch und tektonisch bedingte Schwankungen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapizität des Baugrundes Entscheidend für die dauerhafte mögliche Leistungsabgabe 4

2. Geologische Grundlagen Geothermische Prognose Auslegung der Belüftung und Klimatisierung Abschätzung geothermischer Potentiale Simulation durch FRACTure (ETH Zürich, 3D-Finite-Elemente) Gotthardbasistunnel Piora-Zone (Sedimente und Sedimentgestein Aufteilung eines 75 x 15 x 50 km Gebietes in 200.000 Elemente, 5° isotherme Schichten in der Darstellung 5

3. Vorreiter Schweiz Über 700 Straßen- und Eisenbahntunnel Topologie bedingte hohe Überlagerungen Untersuchung 15 ausgewählter Standorte 6 umgesetzte Projekte St. Bernard *cooling down to 6°C 6

4. Nutzungsvarianten - Tunnelwasser 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 7

4. Nutzungsvarianten - Absorber 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 8

5. Projekt: Gotthard Basistunnel Eisenbahntunnel Bohrbeginn: 2002 Fertigstellung: 2017 Streckenlänge 57 km (152 km Stollen) 2 Portale und 2 Zugänge Betrachtung des Nordportal Erstfeld Bergwassernutzung ab 2011 möglich 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) 9

5. Projekt: Gotthard Basistunnel 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 10

5. Projekt: Gotthard Basistunnel 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..) 11

5. Projekt: Gotthard Basistunnel Wärmeversogung Gemeinde Erstfeld 12

5. Projekt: Gotthard Basistunnel 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) 13

6. Fazit & Ausblick Fazit Ausblick 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 14

7. Quellen 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 15

Fragen Zeit für Fragen! 16

Gestein/Material [W/m K] cp [J/kg K] Sandstein 3,2 710 Steinkohle 0,26 1260 Wasser 0,59 4200