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Geothermisches Potenzial - spezifische Wärmeleitfähigkeit und spezifische Entzugsleistung 2017

Methode

Ausgehend von der Bohrungsdatenbank der Arbeitsgruppe Landesgeologie der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz erfolgte die Zuordnung der Gesteinsbeschreibungen der einzelnen rd. 250.000 Schichten der Bohrungen und Interpretationsprofile zusammenfassend zu zehn Gesteinsklassen mit zugehöriger spezifischer Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität (Tab. 1).

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Tab. 1: Gesteinsklassen mit zugeordneter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität
Bild: Umweltatlas Berlin

Zur Bestimmung der spezifischen Entzugsleistungen der zehn Gesteinsklassen wurde ein Modellansatz mittels Earth Energy Designer (EED, Version 3.16) herangezogen. Hierfür wurde ein anwendungsnaher energetischer Lastfall eines Einfamilienhauses für jede Gesteinsklasse mit identischen Randbedingungen berechnet. Lediglich die gesteinsspezifischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität) sind angepasst worden. Somit konnte für jede Gesteinsklasse die spezifische Entzugsleistung bestimmt werden.

Randbedingungen für die Ermittlung der spezifischen Entzugsleistung

1. Randbedingungen Standort/Wärmebedarf:

  • Mittlere Temperatur an der Erdoberfläche: 9 °C
  • Sondenanordnung: 2 Sonden à 100 m Länge, 6 m Abstand
  • Bohrdurchmesser: 180 mm
  • Volumenstrom/Sonde: 0,5 l/min (Untergrenze turbulente Strömung im Fluid)
  • Sonde: Doppel-U, PE DN 32 PN 10
  • Mittenabstand: 0,07 m
  • Leitfähigkeit Hinterfüllung: 1,5 W/(m\*K)
  • Kältemittel: Monoethylenglykol 25%
  • Bohrlochwiderstand: entsprechend o. g. Ausbau
  • Simulationszeitraum: 25 Jahre
  • Jahresarbeitszahl: 4,3 (Förderrichtlinie des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, BAFA)
  • untere Temperaturrandbedingung des Fluids: 1,5 °C

2. Randbedingungen Grundwasser / Untergrundtemperatur:

  • Grundwasserfluss: wird nicht berücksichtigt
  • Untergrundtemperatur: konstant = mittlere Temperatur Berlin (9 °C)

3. Gültigkeit:

  • gilt nur für kleine Sondenanlagen (2 Sonden)
  • bei größeren Anlagen mit mehr als 2 Sonden (auch unter 30 kW) müssen entsprechend Abschläge vorgenommen werden, denn die Einflussnahme der Sonden untereinander nimmt mit steigender Anzahl zu

Jahresbetriebsstunden

Die Berechnung der Entzugsleistung erfolgte für die Heizarbeit ohne Warmwasserbereitung mit 1.800 Betriebsstunden pro Jahr der Wärmepumpe (Karten 02.18.5-8) sowie für die Heizarbeit mit Warmwasserbereitung mit 2.400 Betriebsstunden pro Jahr der Wärmepumpe (Karten 02.18.9-12).

Die Variationen in der jährlichen Heizlastenverteilung sind für 1.800 und 2.400 Betriebsstunden in den Abbildungen 2 und 3 ersichtlich. Der Anteil der Warmwasserbereitung ist konstant, die Heizarbeit unterscheidet sich im Jahresverlauf.

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Abb. 2: Jährliche Heizlastverteilung für 1.800 Betriebsstunden
Bild: Umweltatlas Berlin
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Abb. 3: Jährliche Heizlastverteilung für 2.400 Betriebsstunden
Bild: Umweltatlas Berlin

Im Ergebnis sind in Tab. 2 die spezifischen Entzugsleistungen für Heizung ohne Warmwasseraufbereitung (1.800 h/a) und mit Warmwasseraufbereitung (2.400 h/a) für die einzelnen Gesteinsklassen jeweils für den gesättigten und ungesättigten Bereich dargestellt.

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Tab. 2: Spezifische Entzugsleistung für die einzelnen Gesteinsklassen
Bild: Umweltatlas Berlin

Die mittlere spezifische Wärmeleitfähigkeit und die mittlere spezifische Entzugsleistung für die gesamte Bohrung wurde durch gewichtete Mittelung der einzelnen, schichtbezogenen Wärmeleitfähigkeiten bzw. Entzugsleistungen für die ausgewählten Tiefenabschnitte (0 – 40 m, 0 – 60 m, 0 – 80 m und 0 – 100 m) berechnet.

Da insbesondere für die Erstellung der Karten mit der Tiefe 100 m nur noch 1.500 Bohrungen zur Verfügung standen, wurden zur Verdichtung virtuelle Bohrungen anhand der geologischen Schnitte mit einem Abstand von 500 m erstellt. Die Zuordnung der Wärmeleitfähigkeiten und der zugehörigen Entzugsleistungen erfolgte für diese Stützstellen anhand gemittelter Werte der petrographischen Eigenschaften des umliegenden Gesteins. Insgesamt wurden zusätzlich ca. 1.900 virtuelle Bohrungen verwendet.

Für die Erstellung der Karten wurden die für alle Bohrungen und Stützstellen berechneten Werte für die spezifische Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Entzugsleistung anschließend per IDW (Inverse Distanzwichtung) interpoliert.