KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Abteilung Ingenieurgeologie

www.kit.edu

Elevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Dipl.-Geol. Kathrin Menberg

EnergieCampus 2013

EnergieCampus 2013

14.11.2013

2 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Urbaner Wärmeinseleffekt im Untergrund

21.11.2013

Natürliche und anthropogene Wärmequellen

Mögliche Beeinflussung der Grundwasserqualität

Grundwassertemperatur entscheidend für geothermische Nutzung

Menberg et al. (2013a)

EnergieCampus 2013

14.11.2013

3 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Ziele und Vorgehensweise

21.11.2013

Entwicklung eines Prozessverständnisses

Grundlagen für ein nachhaltiges Nutzungskonzeptes

Analyse der räumlichen Verteilung von Grundwassertemperaturen

in mehreren deutschen Städten

Identifizierung der möglichen Wärmequellen und

Einflussfaktoren

Berechnung der Wärmeeinträge in den

urbanen Untergrund

EnergieCampus 2013

14.11.2013

4 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Urbane Wärmeinseln im Untergrund

21.11.2013

Grundwassertemperaturen in 10 - 20 m Tiefe

Menberg et al. (2013a)

EnergieCampus 2013

14.11.2013

5 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Urbane Wärmequellen

21.11.2013

Dominante Wärmequellen in den untersuchten Städten

Menberg et al. (2013a)

EnergieCampus 2013

14.11.2013

6 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Wärmetransportmodell für Karlsruhe

21.11.2013

Betrachtung der wichtigsten Wärmequellen

EnergieCampus 2013

14.11.2013

7 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Wärmetransportmodell für Karlsruhe

21.11.2013

Betrachtung der wichtigsten Wärmequellen

Konduktiver Wärmeeintrag

EnergieCampus 2013

14.11.2013

8 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Wärmetransportmodell für Karlsruhe

21.11.2013

Betrachtung der wichtigsten Wärmequellen

Konduktiver Wärmeeintrag

Energieeintrag

EnergieCampus 2013

14.11.2013

9 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Urbane Wärmeeinträge in Karlsruhe 2011

21.11.2013

Menberg et al. (2013b)

Monte-Carlo Simulation mit Wertebereichen für Einga ngsparameter

EnergieCampus 2013

14.11.2013

10 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Urbane Wärmeeinträge in Karlsruhe 2011

21.11.2013

Menberg et al. (2013b)

Monte-Carlo Simulation mit Wertebereichen für Einga ngsparameter

Summe aller urbanen Wärmeeinträge: Ø 1.5 ×××× 1015 J

geothermischer Wärmestrom: ca. 1.6 ×××× 1014 J

EnergieCampus 2013

14.11.2013

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Geothermische Nutzung

Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Geothermisches Potential der urbanen Wärmeinsel [s. Zhu et al. 2010, ERL]

Fläche [km²]

AquiferMächtig-keit [m]

AquiferMaterial

Potentiel-ler Wärme-inhalt [PJ]

Heiz-bedarf [PJ pro Jahr]

Geotherm-ischesPotential [Jahre]

Berlin 891 30 - 50 Sand, Ton

140 - 780 25 5,6 – 31,2

München 518 5 - 20 Kies, Sand

14 - 180 11 1,3 – 16,4

Köln 405 10 - 30 Kies, Sand

20 - 200 7,8 2,6 – 25,6

Karlsruhe 174 10 - 50 Sand, Kies

2,9 - 50 2,3 1,3 – 21,7

21.11.2013

EnergieCampus 2013

14.11.2013

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Geothermische Nutzung

Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

21.11.2013

Nachhaltige Nutzung der urbanen Wärmeinsel im Unterg rund

EnergieCampus 2013

14.11.2013

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Geothermische Nutzung

Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

21.11.2013

Nachhaltige Nutzung der urbanen Wärmeinsel im Unterg rund

Technisches Potential ?

Ökonomisches Potential ?

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14.11.2013

14 Dipl.-Geol. Kathrin MenbergElevated temperatures beneath cities: A sustainable energy source

Zusammenfassung

Ausgeprägte positive Temperaturanomalien mit bis zu 18°C im Grundwasser

unter allen untersuchten Städten.

Die Überlagerung vieler lokaler Wärmequellen führt langfristig zu einer

flächenhaften Temperaturerhöhung.

Der urbanen Wärmeeintrag in das Grundwasser von Karlsruhe beträgt rund 1,5

PJ.

Die Abschätzung des geothermischen Potentials ergab eine mögliche Deckung

des Heizbedarfs von mehreren Jahren.

Nachhaltig lässt sich maximal ca. die Hälfte des Heizbedarfs in Karlsruhe decken.

21.11.2013

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Abteilung Ingenieurgeologie

www.kit.edu

• S. Reimer, F. Fischer & A. März, Stadt Karlsruhe

• S. Rumohr, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

• A. Limberg & T. Schneider, Senatsverwaltung Berlin

• R. Rinke, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, KIT

• F. Dohr, Referat für Gesundheit und Umwelt, München

Referenzen: Menberg, K., Bayer, P., Zosseder, K., Rumohr, S. & Blum, P.: Subsurface urban heat islands in German cities. Science of the Total Environment 442, 123-133 (2013a).Menberg, K., Blum, P., Schaffitel, A., Bayer, P.: Long Term Evolution of Anthropogenic Heat Fluxes into a Subsurface Urban Heat Island. Environmental Science & Technology (2013b).

Danke an:

• Philipp Blum (KIT) & Peter Bayer (ETH Zürich)

• Axel Schaffitel, Stephan Jung & Luisa Laier (KIT)