Thermische Nutzung von Bodenseewasser Bodensee-Richtlinie und Grundlagen - Thomas Wolf1 und Heinz Ehmann2

Thermische Nutzung von Bodenseewasser
  Bodensee-Richtlinie und Grundlagen

          Thomas Wolf1 und Heinz Ehmann2

          1 - Institut für Seenforschung der LUBW

        2 - Amt für Umwelt, Kanton Thurgau, Schweiz

Thermische Nutzung von Bodenseewasser
Bodensee-Richtlinie und Grundlagen

   Kurzer Rückblick 2011
   IGKB – Beschlussfassungen zur thermischen Nutzung
   Grundlagen
   Neufassung IGKB-Richtlinien Kapitel 5
   Planungswerkzeuge
   Fazit

Das Jahr 2011 – der umweltpolitische Kontext

   Zeitliche Rahmenbedingungen : Ausstieg aus der Atomenergie; IPCC-
    Sonderbericht Erneuerbare Energien
    Nutzung regenerativer Energiequellen

   Energiewende  2010 Energiekonzept der Bundesregierung (EV-20%;
    EE-18%; TE 40%  2020)
   Baden-Württemberg  Energiewende 50-80-90 ( 2050)

Diskussionen und Beschlussfassungen der IGKB
   57. Kommissionstagung (2011)
    Thematik Bodenseewasser zu Kühl- und Heizzwecken wird aufgegriffen
    Auftrag an den Sachverständigenkreis
      Bestehende Liste der Anlagen zu aktualisieren
      fachliche Erörterung Prüfung Überarbeitung von Kap. 5
    Konstituierung einer Arbeitsgemeinschaft „Thermische Nutzung
    von Bodenseewasser“

Einzigartiger Naturraum Bodensee
•       Ökolog. Gewässerzustand des Bodensees nach EU-WRRL  gut
•       Einzigartiger Naturraum mit komplexen Ökosystem

         Mittlere Tiefe   100 m
         Maximale Tiefe   251,14 m
         Fläche           536 km2
         Volumen          48 km3

        Bodensee volumenmäßig zweitgrößter See Mitteleuropas
         Trinkwasserversorgung für 4.5 Millionen Menschen
        Tourismus – 17.5 Millionen Übernachtungsgäste

IGKB-Arbeitsgemeinschaft Thermische Nutzung

   Internationale Arbeitsgruppe – Österreich, Schweiz, Deutschland
   Mitglieder aus Verwaltung, Fachbehörden und Wissenschaft

   Ziele der Arbeitsgruppe :
      Ausarbeitung neuer Rahmenbedingungen
      Einbezug von wissenschaftlich neuesten Erkenntnissen
          KLIWA-Berichte 11 und 13

          Spezifische Teilprojekte in INTERREG-Projekt Klimawandel im Bodensee KLIMBO

       Entwurf für eine Neufassung des Kapitels 5 „Thermische Nutzungen von
       Bodenseewasser“ der IGKB-Bodenseerichtlinien

Leitgedanke der IGKB-Beschlussfassung

   „Der Bodensee ist ein hoch komplexes und empfindliches Ökosystem, das
    auch über ein großes energetisches Potential verfügt. Die Wärme- und
    Kältegewinnung aus Bodenseewasser soll unter dem Aspekt der
    Förderung erneuerbarer Energien jedoch möglich sein.
   Ökologische und andere Schutzaspekte (z. B. Trinkwasserentnahmen)
    sind dabei mit oberster Priorität zu berücksichtigen.“ (IGKB, 2012)

    … Konzept der Nutzungszonen

Konzept der Nutzungszonen des Sees - Tiefenstufen

   Konzept zur Unterteilung in Nutzungszonen erstmals am Zürichsee (starke
    wärmetechnische Nutzung von Seewasser) angewendet

   Problematik : Schutz des Gewässers bei gleichzeitig hohem
    Nutzungsdruck (u.a. auch durch Wärme-Kältenutzung) gewährleisten

Nutzungszonen im Bodensee

Ziel :
   Weitgehende Entkopplung verschiedener Nutzungen
   Vorsorgender Gewässerschutz und nachhaltige Trinkwasserversorgung

Nutzungszonen am Bodensee
   0 – 20 m      Freizeitnutzung (> 15 m, Siedlungsentwässerung)
   20 - 40 m     Thermische Nutzung (Rückgabe des Wassers)
   > 40 m        Trinkwassernutzung

Wärmeflüsse natürlich vs anthropogen

   Natürlicher Wärmefluss : 35 GW für den gesamten Bodensee
   Thermische Nutzungszone (20 – 40 m)
      Temperaturänderungen < 1 °C
       theoretisches Nutzungspotential 2,2 GW

                    (Bernd Wahl, KLIWA Bericht 13)

Aktueller Stand thermische Nutzungen im Bodensee
 Aktualisierte Erfassung der thermischen Nutzungen von
  Bodenseewasser

     Wärmeeintrag (Kühlung) : 15 Anlagen
     Wärmeentzug (Heizung) : 13 Anlagen

          Thermische Nutzungen von Bodenseewasser (IGKB, BOWIS)

Wärmeflüsse durch anthropogene Nutzung

   Wärmeeintrag                       0,036 GW        1.7%
   Wärmeentnahme                      0,00375 GW      0.17%
   gereinigtes Abwasser               0,15 GW
   nutzbares Potential (dT

Klimawandel und thermische Nutzung
    mittlere Oberflächentemperatur des Bodensees bei einer Wärmenutzung von -5 bis +5 GW

     IPCC-A1B-Szenario : starkes Wachstum, schneller technologischer Fortschritt

                   wassertemperatur [°C]                               Klima:
                   Mittlere Oberflächen-

                                                                       A1B 2070-2099

                                                                       A1B 2045-2074

                                                                       A1B 2020-2049
                                                                       Gemessen1984-2011

                                                   1 GW                     Status quo –
                                                       0                    Ist-Zustand
                                           Wärmeentzug/-Eintrag [GW]
                                                                                           (Fink et.al., KLIMBO)

    Fazit : Die Auswirkungen der Wärmenutzung auf die mittlere Wassertemperatur
    sind minimal. Die Effekte des Klimawandels übersteigen die Effekte der
    Wärmenutzung bei Weitem. (Ehmann et.al.)

    Bevorzugt : Kopplung von Kälte- und Wärmenutzungen

Neufassung IGKB-Richtlinien – Thermische Nutzung
von Bodenseewasser
Kombination aus Regulierung wo nötig und Flexibilität soweit möglich
Prioritäres Schutzziel : Schutz Ökosystem und Trinkwasser

Wissenschaftliche Grundlagen
   Klimaveränderung und Wasserwirtschaft KLIWA – Berichte 11 und 13
       www.kliwa.de
   Klimawandel im Bodensee KLIMBO
      TP 3 „Modelluntersuchungen zu Klimaeinflüssen auf
       Wasseraustauschprozesse und Wasserqualität“ IG KuP
      TP 4 „Modelluntersuchungen zum Wärmehaushalt und zu Auswirkungen von
       Wärmenutzungen im Bodensee“ EAWAG
       http://www.igkb.org/aktuelles/klimbo

Neufassung IGKB-Richtlinien – Thermische Nutzung
von Bodenseewasser
   Die Entnahmetiefe ist zwischen 0 bis 40 Meter frei wählbar.
   Die Rückgabe des thermisch veränderten Wassers ist so zu wählen,
    dass die Einschichtung in einer Tiefe zwischen 20 und 40 Meter erfolgt
   Die Rückgabetemperatur darf höchstens 20 °C betragen.

                                                0m

                                                          Entnahmetiefe
                                                20 m
                                                                  Rückgabe
                                                                  thermisch
                                                40 m              verändertes
                                                                  Wasser

                                                                  Tmax < 20°C

Konzept der Mischungszone
 Schutz des Sees und seines Ökosystems in Gesamtheit, regional,
  lokal

 Mischungszone – virtuelle Wasserbox 20 x 20 x 10 m

 Temperaturänderung ausserhalb Mischungszone < 1 °C

                                                  Mischungszone – in der
                                                  Tiefenstufe 20-40 m

Weitere Anforderungen - Summationseffekte

 Thermische Summationseffekte benachbarter Anlagen dürfen nicht
  dazu führen, dass sich das Wasser außerhalb der jeweiligen
  Mischungszonen um mehr als 1°C verändert.

                            dT < 1 °C

Besonderes Schutzgut - Trinkwasserversorgung

   Bodensee  Trinkwasserversorgung für 4,5 Millionen Menschen
      Baden-Württemberg 4 Millionen
    besondere Anforderungen an den Schutz des Sees und die Sicherung
    einer nachhaltigen Trinkwasserversorgung

Schutzzonen Trinkwasserversorgung

Schutzzonen von Trinkwasserentnahmen

   Anlage < 2.5 MW  Schutzzone 500 m

   Anlage bis 5 MW  Schutzzone 1000 m

    Einzelfallprüfung - Absprache mit Trinkwasserversorger

                                                 Trinkwasserentnahme

                                                          500m

                                                               1000m

Planungsverfahren

   Unterscheidung in vereinfachte Planungsverfahren und Einzelfallprüfung

                Anlagen zur thermischen Nutzung von
                          Bodenseewasser

                              Anlagen < 5 MW
 Anlagen < 200 KW                                       Anlagen > 5 MW
                               Vereinfachtes
… sind zu vermeiden                                     Einzelfallprüfung
                                 Verfahren

Beispiel für Einzelfallprüfung  Arbon und Friedrichshafen

   Simulation der Ausbreitungsprozesse des eingeleiteten Wassers
   Einleitungen : Arbon und vor Friedrichshafen
      Jeweils in 30 m Tiefe
      Genutztes Volumen: 240 / 360 / 480 / 1800 / 3600 l/s (FN: nur 360 l/s)

   Ziel : Abschätzung der Fernfeldwirkung  Impakt Trinkwasserentnahmen
   Hochaufgelöste 3-dim hydrodynamische Simulation
       Modellstudie : Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner (KuP)

Hydrodynamische Simulation  Einzelfallprüfung
    Modellstudie : Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner (KuP)
   3-dim hydrodynamische Modelle - hochaufgelöste Modellgitter
      Numerisch aufwändig
    Detaillierte Informationen zu Transportwegen und Mischungsprozessen
                     (KuP)

Fernfeldzone - Simulationsergebnisse

   Horizontale Ausbreitung des thermisch genutzten Wassers:
   Maximale Konzentration im gesamten Zeitraum 1 (27. 02. – 07. 03.)
   in beliebiger Tiefe bei 360 l/s

                     (KuP)

Abgrenzung Impaktzonen – Schutz Trinkwasserentnahme

  Maximale horizontale Reichweite von 0.1% thermisch genutztem Wasser
  innerhalb von 3, 5 oder 7 Tagen

            (KuP)

Vereinfachtes Verfahren für Anlagen < 5 MW

    Anforderungen der IGKB-Richtlinien gelten gleichermaßen !

   IGKB hat Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner mit Erstellung
    eines Planungswerkzeugs beauftragt
   Dieses wird kostenlos für Planung und Bemessung auf der Webseite der
    IGKB bereitgestellt

    http://www.igkb.org
    http://193.197.158.229/igkb_therm/igkb_therm_jet.php

Planungswerkzeug - Simulation der Nahfeldzone

   Hydrodynamisch komplexe Modellierung mit Randwerten der
    technischen Anlage
   Räumliche Skala – etwa [100]m
   Mathematisch-numerisches Modell des Impulsstrahls / Auftriebsstrahls

                                                                  Online

Bemessungswerkzeug der IGKB

   Effizientes Planungstool
   Abbildung der komplexen hydrodynamischen Vorgänge
   Intuitive Handhabung

    Hilfestellung der IGKB für Antragsverfahren (vereinfachtes
    Planungsverfahren)

… Was ist mit dem Untersee ?
   Spezielle hydro- und thermodynamische Bedingungen
   Besondere Morphologie

    im Regelfall Einzelfallprüfung notwendig

Mittlere Tiefe   13 m    (100 m)
Maximale Tiefe   45 m    (251 m)
Fläche           62 km 2

Volumen          0,8 km3

Ausblick und künftige Entwicklungen

   Seeweites Anlagenregister  Regelmäßige Erfassung aller thermischen
    Nutzungen

   Periodische Evaluation  hinsichtlich des Leitgedankens und der
    allgemeinen Grundsätze und Schutzziele der IGKB

Fazit
   Neufassung der IGKB-Richtlinien Kapitel 5 Thermische Nutzungen von
    Bodenseewasser regelt die Nutzung des thermischen Potentials des
    Bodensee
   Oberste Priorität : vorsorgender Gewässerschutz und nachhaltige
    Trinkwasserversorgung
   Einleitungen entsprechend den Nutzungszonen des Bodensees
      Thermische Nutzung 20 … 40 m

   Anlagen < 200 KW sind zu vermeiden
   Anlagen < 5 MW  vereinfachtes Planungsverfahren; Planungs- und
    Bemessungstool der IGKB
   Anlagen > 5 MW  Einzellfallprüfung

   Der Bodensee verfügt über ein großes energetisches Potential, dass
    im Einklang mit den Schutzzielen der IGKB genutzt werden kann.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Vielen Dank an die Mitglieder der Arbeitsgruppe !

   Heinz Ehmann (Leiter der AG)
   Hubert Bramberger
   Karoline Brandl
   Michael Eugster
   Ulrich Lang
   Beat Müller
   Iris Steger
   Petra Teiber-Siessegger
   Lucia Walser
   Thomas Wolf
   Johny Wuest