Verfahrens- und Komponentenentwicklung zur Planung von Tunnelthermie®-Anlagen

Abstract

Im Zuge der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Planung und Implementierung von Anlagen zur Erdwärmenutzung auf Niedertemperaturniveau mittels statisch-konstruktiver Bauteile an Tunnelbauwerken, insbesondere Eisenbahntunneln, vorgestellt. Dabei wird einerseits die Planung und Umsetzung einer solchen Erdwärme-Anlage aus verkehrs- und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten betrachtet, andererseits wird ein neues Absorberelement, der so genannte "Energieanker" entwickelt und von der Konzeption bis zum Einbau des Prototypen für einen Testbetrieb begleitet.<br />Einleitend befasst sich die Arbeit mit energiepolitischen Hintergründen, den theoretischen Grundlagen und den Berechnungsverfahren, welche die Erdwärmenutzung betreffen. Die Berechnung der mittels der Absorberelemente umsetzbaren Leistung ist auf der Grund der teils komplexen Geometrien nur mit numerischen Methoden möglich. Zusätzlich lassen jedoch analytische Vergleichsberechnungen eine Plausibilitätsprüfung der numerischen Ergebnisse zu. Für die Bemessung einer Erdwärmeanlage sind neben der thermischen Leistung der Absorberbauteile vor allem die Art des Anlagenbetriebes und das Verbraucherverhalten maßgeblich. Es wird ein auf FEMLAB/SIMULINK basierendes Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe der Energieverbrauch der Wärmepumpenanlage im bivalenten Heiz- und Kühlbetrieb in Abhängigkeit von den geologisch-geotechnischen und meteorologischen Randbedingungen sowie des Verbraucherverhaltens errechnet werden kann.<br />Der Hauptteil der Arbeit umfasst eine Unternehmenssimulation für den Anlagenbetreiber. Aus Sicht des Infrastrukturbetreibers ist vor allem die Amortisationsdauer der Anlage von Interesse. Im Rahmen der Unternehmenssimulation werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt und eine aus wirtschaftlicher Hinsicht optimale Anlagenkonfiguration ermittelt. Die Aspekte des Anlagenbetriebes fließen in die Wirtschaftlichkeitsberechnung mit ein. An Hand einiger ausgewählter und in der Planung beeinflussbarer Parameter kann ein direkter Vergleich der Energiekosten einer Erdwärmeanlage mit konventionellen Heizsystemen wie Öl, Gas oder Fernwärme durchgeführt werden. Unter Berücksichtigung der Energiepreise zum gegenwärtigen Zeitpunkt und einer möglichen Preissteigerung in der Zukunft können sowohl der erzielbare Verkaufspreis für Wärme- und Kühlenergie als auch die Amortisationszeit der Investition für den Infrastrukturbetreiber errechnet werden. Auch für den Erdwärmeplaner ist es wichtig, einen möglichen Kostenrahmen für zukünftige Bauteilentwicklungen zu ermitteln. Unter den heutigen technischen Voraussetzungen und aktuellen Herstellungs- und Energiekosten scheint eine Amortisationszeit von etwa 20 Jahren wahrscheinlich.<br />Eine Neuentwicklung für den Tunnelbau stellt der Energieanker dar, der nicht nur theoretisch im Zuge der Simulationen diskutiert, sondern auch in technologischer Hinsicht entworfen, ein Prototyp erzeugt und im Labor erprobt wurde. Mit Hilfe der zu Beginn der Arbeit beschriebe-nen Berechnungsmethoden wird das hydraulische und das thermische Verhalten des Absorberelementes simuliert bzw. optimiert. Dazu werden mögliche Entzugsleistungen für verschiedene Klimazonen der Welt errechnet. Es ist je nach klimatischen Bedingungen mit Leistungswerten von 5 - 25 W/lfm Energieanker zu rechnen. Die abschließenden Kapitel beschäftigen sich mit der praktischen Umsetzung des Prototypen in einer Testanlage. Die aus der Testanlage erhaltenen Messergebnisse stimmen mit den Werten aus der Berechnung weitgehend überein. Für eine Marktreife muss der Energieanker jedoch vor allem in baubetrieblicher Hinsicht optimiert werden, um erfolgreich Anwendung im Fels- und Grundbau finden zu können!

The scope of the present thesis is to find a methodology to design and implement geothermal absorbers into structural elements for tunneling, e.g. railway tunnels. On the one hand the design and implementation of a geothermal device is studied from the point of view of transport and business economics. On the other hand a new absorber element, the so-called "energy anchor" is developed and examined in a field test.<br />In the beginning, the thesis is dealing with the energy economical background, the theoretical basis and methods of calculation considering geothermal energy utilization. The calculation of the thermal power resulting from absorber elements is, due to complex geometry, only possible by the means of numerical methods. Analytical calculations can, however, help to check numerical results. For the design of a geothermal energy device not only the maximum thermal power output is important, but also the user's preferences and the schedule of plant operation. A simulation model is developed by the means of FEMLAB/SIMULINK. The model can help to evaluate the energy consumption of the heat pump during the period of heating and cooling, depending on the geological and geotechnical as well as meteorological circumstances and the preferences of the plant's operator.<br />The main part of the thesis concentrates on a simulation of an enterprise operating the geothermal energy system. The analysis is done from the point of view of business econom-ics. The operating company is mainly interested in the period of amortization of the plant. During the simulation, a sensitivity analysis is carried out in order to receive an economically optimal configuration of the device. All the aspects of plant operation have to be considered in the calculation. By the means of a few chosen parameters, which can be adapted in the design process, a direct comparison of the energy consumption of a geothermal plant to conventional heating systems like oil, gas or district heating is possible. Considering the current costs of energy consumption and their possible development in the future, the sales price for heating or cooling energy as well as the period of amortization can be calculated.<br />Also for the plant's designer it is important to know possible market prices for newly developed products like absorber elements. Depending on the current technical possibilities and costs of construction and energy a period of amortization of about 20 years seems possible.<br />A new product development for tunneling is the "energy anchor", which is not only simulated by theoretical calculations but also developed from the technological point of view. A prototype was constructed and tested in the laboratory. By the help of the methods explained in the beginning of the thesis, the hydraulic and thermal behaviour of the absorber element was simulated and optimized. Furthermore, the possible thermal power of these elements is calculated for several climatic zones of the earth. Depending on the site and the climatic circumstances, a thermal power ranging from 5 to 25 W/m can be extracted from the ground. The final chapters deal with the field test of the prototype. The results of the field measure-ments correspond to the values obtained by the numerical calculations. In order to be able to succeed on the energy market and to become a successful product applicable to rock and soil engineering constructions, the energy anchor has to be optimized from a logistical point of view to be successfully implemented in the supply chain of a construction site.