Dimensionierung und thermische Auswirkungen von Erdsondewärmespeichern

Anke Boockmeyer1, Sebastian Bauer1
1 Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

O 7.4 in Groundwater temperatures in urban areas - monitoring, managing and understanding anthropogenic influences

23.03.2018, 12:15-12:30, 3

Für die verstärkte Nutzung fluktuierender erneuerbare Energien zur Energie- und Wärmeversorgung werden neue Methoden zur Energiespeicherung benötigt. Dafür bieten sich insbesondere oberflächennahe Erdsondenwärmespeicher im geologischen Untergrund an, in denen Wärme aus Solarthermie, industrielle Abwärme oder überschüssige Energie der Stromgewinnung aus erneuerbaren Energien im großen Maßstab gespeichert und zur Wärmeversorgung von Wohnhäuser bzw. –siedlungen verwendet werden kann (Bauer et al., 2013). Um die bei der Wärmespeicherung induzierten Speicherprozesse und Auswirkungen prognostizieren und bewerten zu können, müssen die im Speicher und im Speicherumfeld ablaufenden gekoppelten Prozesse untersucht und quantifiziert werden.

In dieser Arbeit werden die Speichercharakteristika und Temperaturauswirkungen unterschiedlich großer Speicher mit identischer Sondenzahl anhand numerischer Szenariensimulation eines synthetischen oberflächennahen Erdsondenwärmespeichers im typischen norddeutschen Lockergesteins-Untergrund untersucht. Durch Variation von Speicherbetrieb, thermischen Eigenschaften des Untergrunds und Abstand der Erdwärmesonden wird der Einfluss dieser Parameter auf die Speicherkapazität, die Speicherraten sowie das Temperaturniveau im Speicher und die Temperaturausbreitung untersucht. Anhand eines vereinfacht vorgegebenen saisonalen Speicherbetriebs konnten so optimale Sondenabstände für eine typische Spannweite von thermischen Untergrundeigenschaften ermittelt werden. Zur effizienten numerischen Prozesssimulation werden dabei Methoden nach Boockmeyer und Bauer (2016) eingesetzt.

Es zeigt sich, dass die Speichertemperaturen in Speichern mit einem geringen Sondenabstand von 2 m während der Wärmeeinspeicherung schneller und auf höhere Werte ansteigen als in Speichern mit Sondenabständen von 5 m. Daher sinkt die Einspeicherrate für geringe Sondenabstände vergleichsweise schneller ab und die erreichbare Wärmekapazität ist vergleichsweise geringer. Zusätzlich ist der Wärmeverlust aufgrund des größeren Oberfläche-Volumen-Verhältnisses vergleichsweise höher und der Rückgewinnungsgrad dadurch geringer. Für große Sondenabstände von 8 m hingegen sind die Speichertemperaturen vergleichsweise geringer und die Einspeicherrate nimmt langsamer ab, wodurch mehr Wärme eingespeichert werden kann. Jedoch verbleibt auch aufgrund der größeren Sondenabstände mehr Wärme im Untergrund, sodass die erreichbare Wärmekapazität und der Wärmerückgewinnungsgrad kleiner sind als im Fall geringerer Sondenabstände.

Aufgrund der unterschiedlichen Sondenabstände werden auch unterschiedlich große räumliche Bereiche im Untergrund durch den Wärmespeicher genutzt bzw. von der Temperaturerhöhung durch die Verlustwärme beeinflusst. Mit zunehmendem Sondenabstand nehmen die Ausdehnungen von Nutzungs- sowie Auswirkungsraum demnach zu. Da jedoch das Oberfläche-Volumen-Verhältnis mit zunehmendem Sondenabstand abnimmt, nimmt damit auch das Verhältnis von Auswirkungs- zu Nutzungsraum ab.  



Bauer S, Beyer C, Dethlefsen F, Dietrich P, Duttmann R, Ebert M, Feeser V, Görke U, Köber R, Kolditz O, Rabbel W, Schanz T, Schäfer D, Würdemann H, Dahmke A (2013).  Impacts of the use of the geological subsurface for energy storage: An investigation concept. Environ Earth Sci 70(8), 3935–3943, DOI 10.1007/s12665-013-2883-0.

Boockmeyer, A., Bauer, S. (2016). Efficient simulation of multiple borehole heat exchanger storage sites. Environmental Earth Sciences, 75:1021. doi: 10.1007/s12665-016-5773-4.



Export as iCal: Export iCal