Increased Groundwater Temperatures and Their Potential for Shallow Geothermal Use in Urban Areas
Creators: name: Tissen, Carolin
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Der globale Klimawandel und der Wärmeeintrag in den Untergrund durch anthropogene Aktivitäten beeinflussen und erhöhen Grundwassertemperaturen (GWT) weltweit. Lokation, Häufigkeit und Ursachen von GWT Anomalien sind jedoch nur unzureichend bekannt. Zwar haben erhöhte GWT negative Auswirkungen auf den chemischen und physikalischen Zustand des Grundwassers sowie die Grundwasser Fauna, jedoch bergen sie auch ein enormes Energiepotenzial für die nachhaltige Wärmeversorgung von Quartieren oder ganzen Städten. Wenn erhöhte GWT effizient genutzt werden kann zudem auch CO\ti{2} eingespart werden. Eine Möglichkeit das volle Potenzial dieser unterirdischen Energiequelle zu gewinnen und auszuschöpfen ist die oberflächennahe Geothermie. Bisher wurde jedoch noch keine detaillierte Analyse des räumlichen Zusammenhangs von geothermischem Potenzial und Wärmeeintrag zum Wärmebedarf durchgeführt. \\ In der ersten Studie werden die GWT Daten von 44.205 Brunnen in zehn mitteleuropäischen Ländern analysiert, um die extremsten, positiven Temperaturanomalien zu identifizieren. Die anthropogene Wärmeintensität (AHI), die Differenz der durchschnittlichen, unbeeinflussten GWT und einer lokal gemessenen GWT wird verwendet, um GWT Anomalien aufzuspüren. Anschließend werden diese AHIs kategorisiert und separat für die drei Landbedeckungsklassen "natürlich", "landwirtschaftlich" und "künstlich" untersucht. Da menschliche Einflüsse auf das Grundwasser hauptsächlich in Städten relevant sind und auch hier am häufigsten lokalisiert wurden, liegt das Augenmerk der Studie auf der Analyse von Temperaturanomalien im Zusammenhang mit künstlichen Oberflächen. Signifikante AHIs von 3~- 10~K in natürlichen und landwirtschaftlichen Gebieten resultieren von anthropogenen Quellen wie Deponien, Kläranlagen oder Bergbauaktivitäten. Brunnen, die von künstlichen Oberflächen umgeben sind, weisen AHIs von über 6~K auf. Diese hohen AHIs sind meist auf Wärmeeinträge aus Tiefgaragen, beheizten Kellern und Fernwärmeleitungen zurückzuführen. Diese GWT Anomalien überschreiten sogar die gesetzlichen Temperaturgrenzwerte, die zur Regulierung offener geothermischer Systeme angewendet werden. In der zweiten Studie wird die Menge an thermischer Energie, die von verschiedenen oberflächennahen geothermischen Systemen gewonnen werden kann, mit dem Energiebedarf für Raumheizung und Warmwasserbereitung eines Stadtviertels in Karlsruhe (Deutschland) verglichen. Die Verwendung mehrerer Szenarien mit unterschiedlichen gesetzlichen Regelungen, unterschiedlichem Raumangebot und hydro-/geologischen Randbedingungen, ermöglicht es den Einfluss einschränkender Parameter, wie z.B. einer lokalen Einschränkung der Bohrtiefe, zu bestimmen. Der Prozentsatz, zu dem der Wärmebedarf vor und nach einer Sanierung des Gebäudebestands gedeckt werden kann, wird als Wärmedeckungsgrad definiert. Der Wärmedeckungsgrad vor und nach der Sanierung erreicht jeweils bis zu 59\%, 152\% und 25\% für horizontale oder vertikale Erdwärmepumpen- bzw. Grundwasser-Wärmepumpenanlagen. Nach der Sanierung beträgt der Wärmedeckungsgrad dieser drei Systeme 125\%, 322\% und 54\%. Basierend auf dem Ansatz für die Berechnung des technischen geothermischen Potenzials aus der zweiten Studie wird in der finalen Studie das auf Python Programm GeoEnPy entwickelt. GeoEnPy berechnet, kombiniert und löst die räumliche Verteilung des Wärmedeckungsgrads und des theoretischen, nachhaltigen Potenzials auf, um Standorte für die oberflächennahe geothermische Nutzung in Wien, Österreich, zu identifizieren. Zu diesem Zweck wird die Menge an thermischer Energie, die durch verschiedene oberflächennahe geothermische Systeme gewonnen werden kann, sowie der jährliche anthropogene Wärmeeintrag in den Untergrund mit dem Energiebedarf für den derzeitigen Raumwärmebedarf Wiens verglichen, und auch für den Fall, dass alle Gebäude saniert werden. Aufgrund des geringeren Raumbedarfs erreichen Erdwärmesondenanlagen (BHE) einen höheren Versorgungsgrad als GWHP-Anlagen. Auf Stadtebene kann das technische geothermische Potenzial von BHEs den Wärmebedarf der unsanierten Gebäude Wiens für 63\% der Fläche decken. Auf Bezirksebene sind die östlichen und südlichen Bezirke Wiens die idealsten Standorte für geothermische Anwendungen. Hier könnte das durchschnittliche technische geothermische Potenzial der BHE-Anwendungen den aktuellen Wärmebedarf problemlos decken. Darüber hinaus könnten bis zu 58\% des Bedarfs nachhaltig durch den jährlichen anthropogenen Wärmeeintrag gedeckt werden.