Monitoring und geothermische Potenzialanalyse einer urbanen Wärmeinsel des oberflächennahen Untergrundes

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-01-30
Issue Year
2023
Authors
Schweighofer, Julian
Editor
Abstract

The energy transition in Germany and the associated expansion of renewable energies, as well as the renunciation from fossil fuels, in particular oil, gas and coal, are currently perceived by society as one of the major challenges facing the country for further decades. Cities and municipalities can play a crucial part in achieving a successful energy turnaround. For this purpose, the so-called urban heat island effect caused by urbanization can be used, which is expressed as a positive temperature anomaly in the soil layers close to the surface and in the groundwater. The urban subsurface thus offers a unique potential as a heat reservoir that can be exploited for energy production by means of near-surface geothermal energy. The use of shallow geothermal energy as a green technology makes a significant contribution to climate protection and to a CO2-neutral heat supply. In addition, the decentralized and consumer-oriented installation of geothermal systems promotes the independence of the Federal Republic of Germany from energy imports. This research work evaluates the urban heat island of the city of Nürnberg with a main focus on its temperature and energy anomalies in the subsurface. For this purpose, a high-resolution spatial model of the urban heat island is generated based on a groundwater temperature monitoring. In addition, a 2.5D-hydrogeological subsurface model of Nuremberg is developed for the first time to calculate the heat-energy potential of this temperature anomaly using a GIS analysis. The data base for this hydrogeological multi-layer model is provided by layer inventories of drill cores as well as measured values of groundwater levels. The evaluation of the temperature profiles revealed a very heterogeneous temperature distribution for the subsurface of Nürnberg, with local groundwater hotspots of up to more than 16 °C being detectable. Based on the average anthropogenic temperature shift of +1.8 Kelvin and the layer-based subsurface model, a thermal energy excess of 1.63 x 10^10 MJ was determined for the soil layers of the first 20 m below ground level. Geothermal tapping of this outstanding energy excess can thus make a significant contribution to the urban local heating supply. Subsequently, this work evaluates the long-term temperature development of the heat island in the shallow soil layers over the period from 2015 to 2020. As a result of different anthropogenic heat sources as well as the increasing energetic use of groundwater, the temperature anomaly is constantly developing. Temperature profiles were recorded at selected groundwater monitoring wells to quantitatively determine these changes in geothermal potential. Furthermore, the influence of urbanization on the temperature change is comprehensively evaluated by coupling the degree of land surface sealing with the temperature change of the corresponding monitoring site. The results reveal that within this five-year period, warming trends have occurred almost exclusively (35 of 38 groundwater monitoring wells = 92 %) in the near-surface aquifer with an average increase 0.07 Kelvin per year. It has been observed that the subsurface has experienced strong warming rates under highly sealed land surfaces (0.08 K/yr at 60 – 100 % surface sealing). In contrast, measurement sites in areas with low sealed land surfaces show low temperature increases and even decreases (0.03 K/a at 0 – 30 % surface sealing). Based on these analyses, it can be concluded that the urban heat island was still in a progressive stage over this study period and the temperature peak has not yet been reached. As a result of these temperature shifts, the near-surface soil layers and the near-surface aquifer within the city stored about 3.6 x 10^8 MJ of additional heat energy per year over the investigation period from 2015 – 2020. For spatial modeling of aquifer temperatures classical interpolation methods prove to be of limited use when the spatial distances between the individual observation wells are too large. Therefore, a model for estimating groundwater temperatures based on a linear multiple regression and two status maps reflecting the land surface information of tree density and sealing density is built. Validation of the results shows that groundwater temperatures can be determined with a remarkable accuracy (RMSE root mean square error) of about 1.1 K. This method can also provide indications of other, previously undetected temperature anomalies, which can be further verified by subsequent in-situ measurements. In this way, the heat potential of the shallow soil layers can be exploited even more effectively by means of geothermal systems by specifically using the anthropogenic hotspots for local heat supply. With the research presented here, the urban heat island and heat potential of the city of Nürnberg can be represented with unprecedented temporal and spatial accuracy. This thesis therefore provides an outstanding basis for the sustainable and environmentally friendly management of the limited resources groundwater and thermal energy, particularly in urban areas. Hence, our research results can contribute decisively to the major challenges of a successful green, decentralized energy transition and urban energy autonomy.

Abstract

Die Energiewende in Deutschland und der damit verbundene Ausbau der erneuerbaren Energien, sowie die Abkehr von fossilen Brennstoffen, insbesondere Öl, Gas und Kohle, werden gesellschaftlich aktuell als eine der größten Herausforderungen des Landes wahrgenommen. Städte und Kommunen können dabei selbst einen entscheidenden Baustein zur erfolgreichen Energiewende legen. Hierzu kann der durch die Urbanisierung entstandene, sogenannte „urbane Wärmeinsel-Effekt“ genutzt werden, der sich als positive Temperaturanomalie in den oberflächennahen Bodenschichten und im Grundwasser darstellt. Der städtische Untergrund als Wärmereservoir bietet dadurch ein besonderes Potenzial, das mittels geothermischer Systeme energiewirtschaftlich erschlossen werden kann. Der Ausbau der oberflächennahen Geothermie als „grüne“ Technologie leistet dabei bedeutsame Beiträge zum Klimaschutz und zu einer CO2-neutralen Wärmeversorgung. Darüber hinaus fördert die dezentrale und verbrauchernahe Installation geothermischer Anlagen die Unabhängigkeit der Bundesrepublik von Energieimporten. Im Zuge dieser Forschungsarbeit wird die urbane Wärmeinsel der Stadt Nürnberg mit dem Fokus auf ihre Temperatur- und Energieanomalien im Untergrund evaluiert. Hierfür wird auf Basis eines eigens dafür durchgeführten Grundwassertemperatur-Monitoringprogrammes ein hochauflösendes räumliches Modell der urbanen Wärmeinsel erstellt. Zudem wird erstmalig ein hydrogeologisches 2,5D-Untergrundmodell von Nürnberg entwickelt, um das wärmeenergetische Potenzial dieser Temperaturanomalie mittels einer GIS-Analyse quantitativ darzustellen. Die Datenbasis für dieses hydrogeologische Multi-Layer-Modell bilden Schichtenverzeichnisse von Bohrkernen sowie Messdaten von Grundwasserstandshöhen. Die Auswertung der Temperaturprofile ergibt dabei eine sehr heterogene Temperaturverteilung für den Untergrund von Nürnberg, wobei Grundwassererwärmungen von punktuell bis über 16 °C nachweisbar sind. Auf Grundlage der anthropogen bedingten Temperaturverschiebung von durchschnittlich +1,8 Kelvin und des Layer-basierten Untergrundmodells wurde für die Bodenschichten der ersten 20 m unter Geländeoberkante ein hoher wärmeenergetischer Überschuss von 1,63 x 10^10 MJ ermittelt. Die geothermische Erschließung dieses herausragenden Energieüberschusses kann dadurch einen signifikanten Beitrag zur städtischen Nahwärmeversorgung leisten. Anschließend werden in dieser Arbeit die langzeitlichen Temperaturtrends der Wärmeinsel in den oberflächennahen Bodenschichten über den Zeitraum der Jahre 2015 bis 2020 evaluiert. Durch unterschiedliche anthropogene Wärmequellen sowie der zunehmenden energetischen Nutzung des Grundwassers entwickelt sich die Temperaturanomalie stetig weiter. Deshalb wurden an ausgewählten Grundwassermessstellen Temperaturprofile aufgezeichnet, um diese Veränderungen des geothermischen Potenzials quantitativ zu bestimmen. Weiterführend wurde der Anteil der Landoberflächenversiegelung mit den Temperaturänderungen der korrespondieren Messstellen gekoppelt, um den Einfluss der Urbanisierung auf die Temperaturänderung umfassend zu evaluieren. Die Ergebnisse belegen, dass es innerhalb dieses fünfjährigen Zeitraumes fast ausschließlich zu Erwärmungstrends (35 von 38 Messstellen = 92 %) im oberflächennahen Aquifer gekommen ist, die pro Jahr im Mittel 0,07 Kelvin betragen. Es ist zu beobachten, dass der Untergrund starke Erwärmungs-raten unter hoch versiegelten Landoberflächen (0,08 K/a bei 60 – 100 % Flächenversiegelung) erfahren hat. Hingegen zeigen Messstellen in Bereichen mit gering versiegelten Landoberflächen niedrige Temperaturerhöhungen oder Temperaturrückgänge (0,03 K/a bei 0 – 30 % Flächenversie-gelung). Aus diesen Analysen lässt sich folgern, dass sich die städtische Wärmeinsel über diesen Untersuchungszeitraum noch in einem fortschreitenden Prozess befunden hat und der Tempera-turpeak noch nicht erreicht worden ist. Resultierend aus diesen Temperaturänderungen nahmen die oberflächennahen Bodenschichten und der oberflächennahe Aquifer über den Untersuchungs-zeitraum von 2015 – 2020 innerstädtisch jährlich ca. 3,6 x 10^8 MJ an zusätzlicher Wärmeenergie auf. Bei der räumlichen Darstellung von Aquifertemperaturen erweisen sich klassische Interpolationsverfahren bei zu großen räumlichen Abständen zwischen den einzelnen Messpunkten lediglich als bedingt geeignet. Infolgedessen wird im letzten Teil dieser Arbeit ein Modell zum Abschätzen von Grundwassertemperaturen auf Basis einer Mehrfachregression und zweier Statuskarten, welche die Landoberflächeninformationen der Baumdichte und der Versiegelungsdichte wiedergeben, erstellt. Die Validierung der Modellergebnisse ergibt, dass Grundwassertemperaturen mit einer bemerkenswerten Genauigkeit (RMSE root mean square error) von etwa 1,1 K bestimmt werden können. Damit ist nicht nur ein neuer Blick auf die räumliche Ausprägung der urbanen Wärmeinsel möglich. Mit dieser Methode lassen sich zudem auch Hinweise auf andere, bisher unentdeckte Temperatur-anomalien finden, die im Weiterführenden durch anschließende in-situ-Messungen verifiziert werden können. Dadurch kann zuletzt das Wärmepotenzial der oberflächennahen Bodenschichten mittels geothermischer Systeme noch effektiver ausgeschöpft werden, indem gezielt die anthropogen bedingten Hotspots zur Nahwärmeversorgung genutzt werden. Mit den hier vorgestellten Untersuchungen kann die urbane Wärmeinsel und das Wärmepotenzial der Stadt Nürnberg mit einer bislang unerreichten zeitlichen und räumlichen Genauigkeit dargestellt werden. Diese hier präsentierte Forschungsarbeit bietet deswegen eine herausragende Basis für die nachhaltige und umweltverträgliche Bewirtschaftung der limitierten Ressourcen Grundwasser und Wärmeenergie, insbesondere im urbanen Raum. Somit können unsere Studienergebnisse entscheidend zu den großen Herausforderungen einer erfolgreichen grünen, dezentralen Energiewende und einer städtischen Energieautonomie beitragen.

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs