Increased Groundwater Temperatures and Their Potential for Shallow Geothermal Use in Urban Areas

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

Meeting the demand: geothermal heat supply rates for an urban quarter in Germany

Abstract Thermal energy for space heating and for domestic hot water use represents about a third of the overall energy demand in Germany. An alternative to non-renewable energy-based heat supply is the implementation of closed and open shallow geothermal systems, such as horizontal ground source heat pump systems, vertical ground source heat pump (vGSHP) systems and groundwater heat pump systems. Based on existing regulations and local hydrogeological conditions, the optimal site-specific system for heat supply has to be identified. In the presented technical feasibility study, various analytical solutions are tested for an urban quarter before and after building refurbishment. Geothermal heat supply rates are evaluated by providing information on the optimal system and the specific shortcomings. Our results show that standard vGSHP systems are even applicable in older and non-refurbished residential areas with a high heat demand using a borehole heat exchanger with a length of 100 m or in conjunction with multiple boreholes. After refurbishment, all studied shallow geothermal systems are able to cover the lowered heat demand. The presented analysis also demonstrates that ideally, various technological variants of geothermal systems should be evaluated for finding the optimal solution for existing, refurbished and newly developed residential areas

Groundwater temperature anomalies in Central Europe

As groundwater is competitively used for drinking, irrigation, industrial and geothermal applications, the focus on elevated groundwater temperature (GWT) affecting the sustainable use of this resource increases. Hence, in this study GWT anomalies and their heat sources are identified. The anthropogenic heat intensity (AHI), defined as the difference between GWT at the well location and the median of surrounding rural background GWTs, is evaluated in over 10 000 wells in ten European countries. Wells within the upper three percentiles of the AHI are investigated for each of the three major land cover classes (natural, agricultural and artificial). Extreme GWTs ranging between 25 °C and 47 °C are attributed to natural hot springs. In contrast, AHIs from 3 to 10 K for both natural and agricultural surfaces are due to anthropogenic sources such as landfills, wastewater treatment plants or mining. Two-thirds of all anomalies beneath artificial surfaces have an AHI > 6 K and are related to underground car parks, heated basements and district heating systems. In some wells, the GWT exceeds current threshold values for open geothermal systems. Consequently, a holistic management of groundwater, addressing a multitude of different heat sources, is required to balance the conflict between groundwater quality for drinking and groundwater as an energy source or storage media for geothermal systems

Heat supply by shallow geothermal energy in Karlsruhe

By employing shallow geothermal systems, heat is extracted from the subsurface and utilized for space heating and domestic hot water (DHW). In built-up areas the available thermal energy is even larger, if the subsurface urban heat island (UHI) effect is also considered. Increased surface temperatures combined with underground anthropogenic heat sources, such as basements and sewage systems, can raise urban groundwater temperatures by 3 K to 7 K above those in rural areas. Previous studies calculated the annual average anthropogenic heat flux into the ground by means of a spatially resolved heat transport model (Benz et al., 2015). In this study, the geothermal potential is compared to the energy demand for space heating as well as DHW for the urban quarter “Rintheimer Feld” in Karlsruhe, Germany. In this quarter the housing association (Volkswohnung GmbH) is proprietor of 30 multifamily-houses with about 70,000 m² of living space. These houses were built in the 1950/60s and meanwhile have been refurbished (Rink and Kuklinski, 2015). The calculation is based on the consumption data of space heating and DHW of all buildings before and after the refurbishment. By merging the anthropogenic heat flux and the energy stored underground we obtain the geothermal potential. Based on these results and considering space availability as well as (hydro)geological boundary conditions, we determine the required number of open and closed geothermal systems. Furthermore, we determine how much of the energy demand – before and after refurbishment, respectively – can be covered by one of the three following geothermal systems: (1) horizontal ground heat exchangers (HBHE), (2) ground source heat pump (GSHP) systems with vertical borehole heat exchangers (BHE) and (3) ground water heat pump (GWHP) systems. Our results show that energy supplied by the HBHE is not sufficient, since the area required for the system installation is too small. Totally 90% of the heating energy demand can be covered. Assuming a BHE length of 100 m and a spacing of 5 m, the energy demand before and after refurbishment can be fully covered by GSHP systems. GWHP systems can only partly cover the demand, due to the higher space demand, which is required to avoid thermal interaction between the wells. In case of a conservative assumption (1 K plume isotherm), 6% of the energy demand can be obtained before and 13% covered after refurbishment. Assuming a 3 K plume isotherm, an entire coverage of the demand is possible after and at 76% before refurbishment. To conclude, GSHP systems can cover the energy demand before and after refurbishment in the “Rintheimer Feld” and are therefore also the preferred geothermal system varian

GEO.Cool : Kühlung mit oberflächennaher Geothermie - Möglichkeiten, Grenzen, Innovation -

Das Verbundprojekt GEO.Cool von Partnern im Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) hat zum Ziel, Möglichkeiten sowie Grenzen der Kühlung mit oberflächennaher Geothermie in interdisziplinärer Arbeit zu erheben und daraus Impulse für Innovationen in diesem Bereich zu gewinnen. Das Vorhaben ist in die folgenden sechs Arbeitspakete (AP) gegliedert: AP 1: Bedarfe und Systemaspekte AP 2: Systemtechnik und Planung von Anlagen zur Kühlung mit oberflächennaher Ge-othermie AP 3: Analyse von Best-Practice-Beispielen AP 4: Thermisches und hydrogeologisches Verhalten des Untergrunds AP 5: Genehmigungspraxis und Grenzwerte AP 6: Synopse, Innovationspotenzial und Transfer. Das Projekt hat eine Laufzeit vom 23.01.2017 bis zum 30.09.2019 (Förderzeitraum für alle Arbeitspakete und Projektpartner)

GEO.Cool : Kühlung mit oberflächennaher Geothermie - Möglichkeiten, Grenzen, Innovation -

In dem durchgeführten Verbundvorhaben arbeiteten zum einen die Fachgebiete Geologie/Geothermie sowie Anlagen- und Systemtechnik von geothermischer Kältegewinnung und Kältenutzung der Projektpartner interdisziplinär zusammen, um den aktuellen Wissensstand der Kühlung mittels oberflächennaher Geothermie fachübergreifend zu erfassen, zu bewerten und Schnittstellenprobleme zu bearbeiten. Aus dieser interdisziplinären Betrachtungsweise wurden ganzheitliche Hinweise zur Optimierung des geothermischen Kühlpotenzials sowie Anstöße für technische und planerische Innovationen für die Praxis entwickelt und in diese transferiert. Zu folgenden Zielen wurden Beiträge erarbeitet: - Steigerung der Energieeffizienz der Kühlung und Kältebereitstellung - Nutzung regenerativer Energien zur Kühlung und Kältebereitstellung - Begrenzung der thermischen Belastung des Untergrunds und des Grundwassers - Minimierung der Schäden und Risiken durch den Eingriff in den Untergrun