DE10337693A1 - Geothermal power production for use in underground road or railway tunnel, involves circulating fluid through heating and cooling pipelines built below track bed or roadway or within ceiling of tunnel and through heat exchangers - Google Patents

Abstract

The method involves circulating fluid through heating and cooling pipelines (1,2) built below track bed or roadway (9) or within ceiling of a tunnel and through heat exchangers (12) connected to pipelines. Circulated fluid exchanges heat with e.g. mountain heat, exhaust gas emissions, in each heat exchanger, emitting geothermal heat to be utilized in the tunnel.

Description

Anwendungsgebiet:Field of use:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erschließung geothermischer Energie in Tunnelanlagen und zur Erhöhung der Sicherheit in Tunnelanlagen.The The invention relates to a method for developing geothermal energy in tunnels and for elevation security in tunnel systems.

Die Nutzung von Erdwärme zur Energiegewinnung ist seit langem bekannt. Als regenerative Energie erfährt sie zudem seit April 2000 Förderung durch die deutschen Gesetze. Die Gewinnung geothermischer Energie basiert heute auf den Techniken der oberflächennahen, bis in 400 m Tiefe reichenden Geothermie in Form von Energiepfählen, Erdwärmekollektoren, etc. und der Tiefengeothermie, die durch das Niederbringen von Bohrungen erschlossen wird. Auch die Nutzung von warmen Grubenwässern aus Bergwerken wird auf einer stillgelegten Steinkohlenzeche im Ruhrgebiet seit bereits zwei Jahrzehnten betrieben [10]¹.The use of geothermal energy to generate energy has long been known. Since April 2000, it has also been supported by German law as renewable energy. The extraction of geothermal energy today is based on the techniques of near-surface geothermal energy, reaching to a depth of 400 m, in the form of energy piles, geothermal heat collectors, etc. and deep geothermal energy, which is developed by drilling wells. The use of warm mine water from mines has also been used on a disused coal mine in the Ruhr area for two decades [10] ¹ .

Des weiteren findet in der benachbarten Schweiz die Verwendung und energetische Verwertung anfallender Tunnelwässer statt, mit dem ganze Ortschaften (Airolo am Gotthard-Tunnel) beheizt werden können [6]. Eine energetische Verwertung der mit den Wässern verbundenen Wärme machen die hohen Felstemperaturen im Inneren der Tunnel möglich. Erfahrungen, die vom Bau des Simplon- und des Gotthard-Tunnels stammen, besagen, dass die Tunneltemperaturen nicht nur proportional mit der Überlagerung zur Gebirgsoberfläche steigen, sondern weit höhere Werte erreichen können. Die für den Simplon-Tunnel von den Geologen berechnete Temperatur von 40 – 42 °C wurde erheblich überschritten [5].Of others are used in neighboring Switzerland and are energetic Utilization of tunnel water with which entire towns (Airolo at the Gotthard tunnel) are heated can [6]. Make an energetic use of the heat associated with the water the high rock temperatures inside the tunnels are possible. Experience, that originate from the construction of the Simplon and Gotthard tunnels, that the tunnel temperatures are not only proportional to the overlay to the mountain surface rise, but far higher Can reach values. The for the Simplon tunnel calculated by geologists temperature of 40 - 42 ° C was exceeded significantly [5].

Nachteile des Standes der Technik:Disadvantages of the stand of the technique:

Eine Nutzung oberflächennaher Geothermie ist bei den geringen Temperaturdifferenzen zwischen Boden- und Oberflächentemperatur nur mit Hilfe einer Wärmepumpe möglich, um die zu geringen Temperaturen für Heizzwecke von Wohn-, Betriebs- oder Geschäftsräumen aufzunehmen und auf das erforderliche Temperaturniveau zwischen 35 und 55 °C anzuheben [10]. Zu deren Betrieb ist jedoch ein hoher Energieeinsatz erforderlich, der heute meist von konventionellen und folglich emissionsreichen Energieträgern bereitgestellt wird. Weiterhin muss das Erdreich für die entsprechende Technik geeignet sein, um die Wärme aus der Erde abzugreifen. Eine Nutzung in dicht besiedelten Wohngebieten, d.h. eine Gewinnung geothermischer Energie auf mehreren benachbarten Grundstücken hat die Folge, aufgrund des gegenseitigen Wärmeentzuges nur geringe geothermische Wärmeleistung bereitzustellen [7]. Wegen des begrenzten Wärmevolumens in den oberflächennahen Schichten finden Verfahren der tagesnahen Geothermie, verbunden mit Wärmepumpen, meist nur für die Beheizung gut gedämmter und kleiner Flächen Verwendung, beispielsweise in privaten Neubaugebieten oder in Altbauten nach Grundsanierungen. Das Gebäudesystem und ihr Wärmekonzept werden oft erst beim Neubau auf eine optimale geothermische Nutzung ausgerichtet.A Use close to the surface Geothermal energy is due to the small temperature differences between and surface temperature only with the help of a heat pump possible, To prevent temperatures that are too low for heating purposes in residential, or take up business premises and raise to the required temperature level between 35 and 55 ° C [10]. However, a high amount of energy is required to operate them, today mostly conventional and consequently high-emission fuels provided. Furthermore, the soil needs to be appropriate Technology may be appropriate to heat to tap out of the earth. Use in densely populated residential areas, i.e. extraction of geothermal energy on several neighboring ones land has the consequence, due to the mutual heat extraction, only slight geothermal heat output to be provided [7]. Because of the limited heat volume in the near surface Layers find processes of near-day geothermal energy, connected with heat pumps, mostly only for heating well insulated and small areas Use, for example in private new construction areas or in old buildings after basic renovations. The building system and become their heat concept often only geared towards optimal geothermal use when building a new building.

Auch die Gewinnung von geothermischer Energie aus Tiefenbohrungen ist meist mit hohem und kostenintensivem Aufwand verbunden. Mit Ausnahme der Nutzung von Tunnelwässern bedarf es teurer Bohrungen. Ein energetischer Nutzen zur Erzeugung von Strom aus Geothermie² liegt erst in tiefen, thermisch aktiven Schichten vor, die Temperaturen größer 150 °C besitzen. Um Temperaturen von 50 °C und mehr zur Wärmegewinnung nutzen zu können, sind Bohrungen – basierend auf einer mittleren Oberflächentemperatur von 10 °C und auf der geothermischen Tiefenstufe von 3,3 °C/100 m – von 1.300 m erforderlich. Die Amortisationsdauer einer derartigen Bohrung und der anschließenden Anlage für die geothermische Nutzung liegt bei 12 und mehr Jahren [8].The extraction of geothermal energy from deep wells is usually associated with a high and cost-intensive effort. With the exception of the use of tunnel water, expensive drilling is required. An energetic benefit for the generation of electricity from geothermal energy ² is only available in deep, thermally active layers that have temperatures above 150 ° C. In order to be able to use temperatures of 50 ° C and more for heat generation, drilling - based on an average surface temperature of 10 ° C and at the geothermal depth of 3.3 ° C / 100 m - of 1,300 m is required. The payback period for such a well and the subsequent plant for geothermal use is 12 and more years [8].

Zudem bestehen meist Probleme bei den Tiefbohrungen mit aggressiven Wässern, die durch die eingebrachte Bohr-Verrohrung an die Tagesoberfläche gesaugt werden und durch den Wärmetauscher strömen. Aufgrund des hohen Mineralienanteils verockern die Leitungen. Die Folge ist eine Querschnittsverengung der Leitung und damit eine zunehmende Verringerung der Wärmeleistung des Systems. Folglich fallen lange Wartungszeiten an. Weiterhin sind die Bohrungen eines HDR- und Doublettenverfahren mit Fündigkeitsrisiko behaftet. So besteht keine Sicherheit für das Antreffen eines wasserdurchlässigen Horizontes an der erzielten Bohrendtiefe sowie für die Wegsamkeit zwischen den beiden Bohrungen.moreover there are usually problems with deep drilling with aggressive water that sucked to the surface of the day through the drill pipe and through the heat exchanger stream. Due to the high proportion of minerals, the pipes become blocked. The The consequence is a narrowing of the cross-section of the line and thus an increasing Reduction in thermal output of the system. As a result, long maintenance times are involved. Farther are the wells of an HDR and duplicate process with discovery risk afflicted. So there is no security for encountering a water-permeable horizon at the final drilling depth achieved and for the mobility between the two holes.

Diese Nachteile werden nur mit einem geschlossenen, von Fremdeinwirkungen isolierten System, beispielsweise mit dem Sondenverfahren, umgangen.This Disadvantages are only with a closed, from external influences isolated system, for example by using the probe method.

Die Verwertung von Gruben- und Sümpfungswässer aus Bergbaubetrieben steckt noch in der Entwicklung. Auch findet sie sich erst in wenigen Offenlegungsschriften wieder [11], [12]. Für die geothermische Nutzung aus Bergwerken wurden erst vor ca. zwei Jahren Arbeits- und Forschungskreise unter Beteiligung aktiver Bergbaugesellschaften und montaner Forschungseinrichtungen konstituiert.The Recycling of pit and swamp water Mining companies are still in development. She also finds only in a few publications [11], [12]. For the geothermal Mines were only used about two years ago. and research circles with the participation of active mining companies and Montaner research institutions.

Im deutschen Ruhrgebiet ist eine geothermische Nutzung von Grubenwässern aus stillgelegten Steinkohlenzechen aufgrund der noch aktiven Zechen kaum möglich, da sich das ansteigende Wasser in den tiefer liegenden, in Betrieb befindlichen Abbaubetrieben sammeln würde. Bei dem bisher einzigen Steinkohlenbergwerk („Heinrich" in Essen), das die Grubenwässer energetisch nutzt, werden die Wässer aus 450 m Tiefe gehoben, um die nördlichen aktiven Kohlengewinnungsbetriebe wasserfrei zu halten [10]. In den vergangenen Jahren traten bei der Hebung Probleme mit den aggressiven Grubenwässern auf, die auch zukünftig anfallen und die Wasserhebung stark beeinflussen werden. Weiterhin sind neben Instandhaltungs- und Wartungsmaßnahmen hohe Kosten mit dem Heben und Verbringen der Grubenwässer in Ruhr und Emscher verbunden.In the German Ruhr area, geothermal use of mine water from decommissioned Hard coal mines are hardly possible due to the still active mines, since the rising water would collect in the lower-lying, operating mining operations. At the only hard coal mine ("Heinrich" in Essen), which uses the mine water for energy, the water is raised from a depth of 450 m in order to keep the northern active coal mining companies free of water [10]. In recent years, problems have arisen during the extraction aggressive pit water, which will continue to occur in the future and will have a major impact on water lifting. In addition to maintenance and repair measures, there are high costs associated with lifting and moving the pit water in the Ruhr and Emscher.

Auch die direkte Nutzung der Wässer aus Tunnel birgt Nachteile. Wie die Grubenwässer weisen die Tunnelwässer meist aggressive Substanzen auf, die eine Verockerung zur Folge haben und eine langjährige Nutzung des Wassers nur unter hohem technischen Aufwand und zusätzlichen Kosten erlauben. Ebenso ist eine Gewinnung von aus Geothermie stammender Energie nur dort möglich, wo zum einen eine ausreichend anfallende Wassermenge und zum anderen eine gegenüber der Gebirgsoberfläche erhöhte Temperaturumgebung zur Verfügung steht.Also the direct use of water there are disadvantages to tunnels. Like the mine waters, the tunnel waters mostly show aggressive substances that result in loosening and a long time Use of the water only with great technical effort and additional Allow costs. There is also a production of geothermal energy Energy only possible there where on the one hand a sufficient amount of water and on the other one opposite the mountain surface increased Temperature environment available stands.

Stehen jedoch hohe von der Gebirgsüberlagerung ausgehende Temperaturen bei der Durchörterung eines Tunnels an, ermöglichen sie zwar die Nutzung des geothermischen Potentials, stellen aber einen Nachteil für die Verkehrsnutzung des Tunnels dar. Die Felstemperaturen beeinflussen die Auslegung der Tunnelbelüftung und -klimatisierung. So tragen die Systeme zur Belüftung bis zu 30 % der Gesamtkosten des Tunnelbaues bei, bezogen auf die Lebensdauer von bis zu 100 Jahren [6].Stand however high from the mountain overlay outgoing temperatures when crossing a tunnel they use the geothermal potential, but provide one Disadvantage for represents the traffic use of the tunnel. Influence the rock temperatures the design of the tunnel ventilation and air conditioning. So the ventilation systems carry up to to 30% of the total costs of tunnel construction, based on the service life up to 100 years [6].

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Gewinnung geothermischer Energien mit Hilfe bereits bestehender oder aber im Bau befindlicher Tunnelanlagen zu schaffen, die auf einem kostengünstigen und dennoch hochenergetischen Verfahren basiert. Dabei werden die aufgezeigten Nachteile minimiert und erhalten im dargestellten Verfahren einen positiven Charakter.task The invention is a simple extraction of geothermal energy with the help of existing or under construction tunnel systems to create that on an inexpensive yet high energy Process based. The disadvantages shown are minimized and get a positive character in the presented method.

Lösung der Aufgabe:Solution of the task:

Vorbemerkung:Preamble:

In Deutschland, Österreich und der Schweiz existieren 3.150 km Tunnel, die einerseits von Eisenbahnen, andererseits vom Straßenverkehr benutzt werden.In Germany, Austria and Switzerland, there are 3,150 km of tunnels, on the one hand by railways, on the other hand from road traffic to be used.

Alleine die Planungsmaßnahmen für Tunnelbauwerke in der Alpenregion sehen die Erstellung von 300 km vor, einschließlich der geplanten Tunnel für den Ausbau der Hochgeschwindigkeitsnetze [1], [2], [3], [13].Alone the planning measures for tunnel structures in the Alpine region, 300 km, including the planned tunnel for the expansion of the high-speed networks [1], [2], [3], [13].

Aufgrund der zahlreichen Unfälle innerhalb der letzten Jahre (Eurotunnel 11/1996; Gotthard 11/1997, 10/2001; Montblanc 03/1999; Tauern 05/1999; ...) sollen die Sicherheitsmaßnahmen in Tunnelanlagen überprüft und verstärkt werden. In manchen Fällen setzt dies auch eine Sanierung der Tunnel voraus. Folglich ist mit Sanierungsarbeiten eine Nachrüstung hinsichtlich nachstehend beschriebener Erfindung möglich.by virtue of of the numerous accidents within the last few years (Eurotunnel 11/1996; Gotthard 11/1997, 10/2001; Montblanc 03/1999; Tauern 05/1999; ...) should the security measures be checked and reinforced in tunnel systems. In some cases this also requires renovation of the tunnels. Hence, with Refurbishment work a retrofit possible with regard to the invention described below.

Lösung:Solution:

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch (1) gelöst.The The object of the invention is achieved by a method with the features solved according to claim (1).

Aufgrund hoher Gebirgstemperaturen in Tunnel, die von den Emissionen der Schienen- und Straßen-Fahrzeuge zusätzlich genährt werden, lassen sich in einem oder mehreren Leitungen geführte Flüssigkeiten erwärmen. Die erforderlichen Rohre werden (a) in den Fahrbahnaufbau bzw. unter das Gleisbett integriert oder (b) unter die Tunneldecke befestigt.by virtue of high mountain temperatures in tunnels, which are affected by the emissions of the Rail and road vehicles additionally nourished liquids can be carried in one or more lines heat. The required pipes are (a) in the roadway structure or under integrated the track bed or (b) attached under the tunnel ceiling.

zu (a)to (a)

Die unter die Fahrbahn verlegten Rohrleitungen an den Tunnelportalen liegen so tief unter der Erdoberfläche, dass die Frostsicherheit der Flüssigkeiten gewährleistet werden kann. Innerhalb eines Straßentunnels befinden sich die im Fahrbahnaufbau integrierten Leitungen möglichst nahe unter der Asphaltdecke, um neben der Wärme aus dem umgebenden Gestein auch die Abgaswärme auffangen zu können. Des weiteren gibt aufgrund der Reibungsenergie von Fahrzeugen auch die Asphaltdecke des Tunnels Wärme an die Flüssigkeit ab. Die Fließrichtung der Flüssigkeiten verläuft in Fahrtrichtung der Züge und Fahrzeuge.The Pipelines laid under the carriageway at the tunnel portals lie so deep below the surface of the earth that frost protection of liquids guaranteed can be. They are located within a road tunnel Lines integrated in the roadway structure as close as possible under the asphalt surface, to next to the heat to be able to collect the exhaust gas heat from the surrounding rock. Furthermore gives the asphalt surface due to the frictional energy of vehicles the tunnel's warmth to the liquid from. The flow direction of liquids extends in the direction of the trains and vehicles.

zu (b)to (b)

Bei dem unter der Tunneldecke befestigten Leitungssystem liegen die Röhren innerhalb des Ablufthorizontes. Die auf die Tunnellänge zunehmende Wärme des Tunnelklimas infolge der Emissionen wird auf die in den Leitungen befindliche Flüssigkeit übertragen. Sie wird mit der gewonnenen Wärme und der ausblasenden Emissionsluft in Fahrtrichtung der Verkehrsmittel zum Tunnelportal transportiert.at the pipe system fastened under the tunnel ceiling are located roar within the exhaust air horizon. The increasing heat of the tunnel length Tunnel climates as a result of emissions will affect those in the pipes transfer the liquid. It becomes with the heat gained and the exhaust air emitted in the direction of travel of the means of transport transported to the tunnel portal.

In beiden dargelegten Fällen wird die gewonnene Wärme an den Tunnelportalen mit Hilfe von Wärmetauschern an ein zweites Medium abgegeben, beispielsweise Heizungswasser, und somit auf direktem oder indirektem Weg an den Nutzer übergeben.In both cases, the heat gained is transferred to a second medium at the tunnel portals with the help of heat exchangers ben, for example heating water, and thus handed over to the user in a direct or indirect way.

Ab dem Umkehrpunkt, an dem die Summe aus Gebirgs-, Emissions- und Reibungstemperatur ihr Maximum erreicht hat, ist das Leitungssystem zu isolieren, um den Abtransport der maximal erwärmte Flüssigkeit sichern und am Tunnelausgang nutzen zu können.From the point of reversal at which the sum of the mountain, emission and friction temperature Has reached the maximum, the pipe system must be insulated in order to Removal of the maximum heated liquid secure and use at the tunnel exit.

Bei langen Tunnelbauwerken, die heute meist mit Zwischenangriffen errichtet werden, um Bauzeiten zu verringern, besteht zudem die Möglichkeit, die geothermische Energie auch an den jeweiligen Zugangsstollen zu nutzen. Der Vorteil liegt darin, dass die Flüssigkeit nicht unter hohen und damit kostenintensiven Drücken durch die Leitungen gepresst werden muss, sondern bereits nach wenigen Kilometern genutzt werden kann. Folglich können bei diesem Szenario mehrere Stellen mit geothermischer Energie versorgt und eine höhere Ausbeute des geothermischen Potentials erreicht werden.at long tunnel structures, which today are mostly built with intermediate attacks to reduce construction times, there is also the possibility the geothermal energy also at the respective access tunnels to use. The advantage is that the liquid is not too high and therefore costly pressures must be pressed through the lines, but after just a few Kilometers can be used. Hence, in this scenario, several Provided with geothermal energy and a higher yield of the geothermal potential can be achieved.

Die Erwärmung der Flüssigkeit ist (a) vom vorhandenen Röhrensystem, (b) vom verwendeten Lüftungssystem und (c) von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig.The warming the liquid is (a) from the existing tube system, (b) the ventilation system used and (c) the flow rate dependent.

zu (a)to (a)

Stehen zwei getrennte Tunnelröhren zur Verfügung, die jeweils nur in einer Fahrtrichtung betrieben werden, durchlaufen die Leitungen und die darin befindliche Flüssigkeit beide Tunnelröhren in Fahrtrichtung. Eine hohe energetische Ausbeute ist an den Tunnelportalen möglich, da keine der Leitungen die andere direkt beeinflusst. Wegen der nur in eine Fahrtrichtung verlaufenden Verkehrsführung sind höhere Temperaturen erreichbar, die durch eine natürliche oder längsseitige Belüftung weiterhin unterstützt werden. Auch bei mehrspurigen, in beide Fahrtrichtungen betriebenen Tunnel ist an allen Tunnelportalen eine Nutzung der geothermischen Wärme möglich. Jedoch ist ein Einfluss der kälteren, zurückströmenden Flüssigkeit auf die wärmere, kurz vor der Nutzung stehenden Flüssigkeit denkbar.Stand two separate tunnel tubes to disposal, which are only operated in one direction the pipes and the liquid in them both tunnel tubes in Direction of travel. There is a high energy yield at the tunnel portals possible, because none of the lines directly affects the other. Because of the only in one direction of traffic are higher temperatures attainable by a natural or lengthwise ventilation continue to be supported. Even in multi-lane tunnels operated in both directions geothermal heat can be used on all tunnel portals. however is an influence of the colder, backflowing liquid on the warmer, liquid standing just before use is conceivable.

Um bei einem zirkulierenden, in sich geschlossenen Leitungssystem eine Beeinflussung zweier, in Gegenrichtungen verlaufender Flüssigkeiten zu vermeiden, ist die wärmere der beiden Leitungen an dem oben genannten Wendepunkt (Summe aus Gebirgs-, Emissions- und Reibungstemperatur – Temperatureinfluss der benachbarten Leitung = maximale Temperatur) zu isolieren.Around in the case of a circulating, self-contained line system, a Influencing two liquids running in opposite directions to avoid is the warmer of the two lines at the turning point mentioned above (sum of Mountain, emission and friction temperature - temperature influence of neighboring Line = maximum temperature).

zu (b)to (b)

Die An der Tunnellüftung übt einen zusätzlichen Einfluss auf das kommunizierende Röhrensystem aus. Bei einer Lüftung mittels eines Schachtes, der sich meist in der Mitte des Tunnellänge befindet, die Emissionen von beiden Tunnelseiten absaugt und am Schachtkopf an die Atmosphäre abgibt, können die Emissionstemperaturen nur geringfügig von der Flüssigkeit aufgenommen werden. Eine höhere Energieausbeute hingegen hat die Wärmegewinnung durch einen in einer Fahrtrichtung betriebenen Tunnel mit natürlicher Lüftung oder Längslüftung, die sich auf das Temperaturgefälle zwischen den Portalen stützt.The Practice at the tunnel ventilation additional Influence on the communicating tube system. With ventilation by a shaft, which is usually in the middle of the tunnel length, the Extracts emissions from both sides of the tunnel and at the shaft head the atmosphere issues, can the emission temperatures only slightly from the liquid be included. A higher energy yield on the other hand has heat recovery through a tunnel running in one direction with natural ventilation or longitudinal ventilation on the temperature gradient between the portals.

zu (c)to (c)

Die Strömungsgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit von aufnehmbarer Wärme bezogen auf die Leitungslänge und den Leitungsdurchmesser zu wählen. Der Energiegewinn wird zudem von der Dauer des Wärmeaustausches an das Übergabe- bzw. Nutzungsmedium bestimmt.The flow rate is dependent of absorbable heat based on the cable length and choose the cable diameter. The energy gain is also dependent on the duration of the heat exchange to the handover or usage medium.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Es findet ein isoliertes Röhrensystem Verwendung, in das weder aggressive Tunnelwässer eingeleitet noch aus dem wärmetragende Flüssigkeiten ausfließen werden. Ein Stoffaustausch mit dem umgebenden Gebirge wird vermieden. Folglich können keine Keime in das System eindringen und die Leitungen zusetzen. Somit ist die Korrosionsbeständigkeit des Systems gewährleistet. Ein großer Vorteil liegt daher in der Betriebssicherheit und den geringen Betriebskosten aufgrund des wartungsarmen Leitungssystems.It finds an isolated tube system Use in which neither aggressive tunnel waters are discharged nor from which heat carrying liquids flow out become. An exchange of substances with the surrounding mountains is avoided. Hence can no germs enter the system and block the lines. So the corrosion resistance of the system guaranteed. A large The advantage therefore lies in operational reliability and low operating costs due to the low-maintenance pipe system.

Des weiteren bedarf das Einbringen eines Leitungssystems in einen im Bau befindlichen Tunnel keineswegs einen größeren Querschnitt und folglich keine höheren Investitionskosten. Bei den heutigen Tunnelbauten wird der Hohlraum mit einem Sohlgewölbe erstellt, in den die Bergwassersammelleitung, die Tunnellängsentwässerung, die Hydrantenleitung und Leerrohre verlegt werden und der anschließend verfüllt wird. Daher bietet das Sohlgewölbe weiterhin Platz für das vorgestellte Röhrensystem zur Gewinnung geothermischer Wärme. So ist die Verlegung einer bzw. mehrerer Leitungen zur Erschließung von Erdwärme bis zu DN600 möglich.Of further requires the introduction of a piping system in an im The tunnel under construction is by no means a larger cross-section and consequently none higher Investment costs. In today's tunnels, the cavity becomes with a sole vault created, in which the mountain water collecting line, the longitudinal tunnel drainage, the hydrant line and empty pipes are laid and which is then filled. Therefore the vault offers still room for the tube system presented for the generation of geothermal heat. So is the laying of one or more lines to tap geothermal energy possible for DN600.

Die Installation eines Leitungssystems unterhalb der Tunneldecke weist weitere Vorteile auf. So können Tunnel nachträglich mit diesem System ausgerüstet werden. Hoher Aufwand der Bauarbeiten und lange Stillstandszeiten liegen bei längsbelüfteten Tunnel nicht vor. Jedoch sind die Leitungsdurchmesser und -volumina auf die Be- und Entlüftungsvolumina abzustimmen, um auch in (Brand-)Notfällen den geregelten und schnellen Abzug entstehender Emissionen sicherzustellen.The Installation of a piping system below the tunnel ceiling points further advantages. So can Subsequent tunnel equipped with this system become. High construction work and long downtimes are located in longitudinally ventilated tunnels not before. However, the pipe diameters and volumes are open the ventilation volumes to coordinate in order to ensure the regulated and fast, even in (fire) emergencies Ensure that emissions are deducted.

Ein weiterer Vorteil der dargestellten Erfindung findet sich bei Verkehrsstauungen in Tunnelröhren wieder. Mit Nutzung der Wärme wird ein künstliches Klimagefälle zwischen den Tunnelportalen erzeugt, was sich auch günstig auf die Belüftung des Tunnels auswirkt. Der dadurch entstehende Sog trägt zur Belüftung des Tunnels bei und minimiert die Kosten für die Lüfteranlagen.On Another advantage of the illustrated invention is found in traffic congestion in tunnel tubes again. Using heat becomes an artificial one air gap generated between the tunnel portals, which is also convenient on the ventilation of the tunnel. The resulting suction contributes to the ventilation of the Tunnels and minimizes the costs for the fan systems.

Neben dem Belüftungssystem unterstützt das zur Erdwärmegewinnung genutzte und zu den Tunnelportalen auslaufende Leitungssystem die Sogwirkung auf die Abgaswärme und CO₂-Emissionen, die von stehenden bzw. anfahrenden Fahrzeugen in erhöhtem Maße erzeugt werden. Durch die Nutzung und das Austragen der Wärme aus dem Tunnel trägt das eingebrachte Leitungssystem zu einem künstlichen Klimagefälle bei. Somit können Kosten für eingebaute Lüfteranlagen minimiert werden, die bis zu 30 % des Tunnelbaues betragen können [9].In addition to the ventilation system, the pipe system used to generate geothermal energy and which runs out to the tunnel portals supports the suction effect on the exhaust gas heat and CO ₂ emissions, which are generated to a greater extent by stationary or moving vehicles. By using and discharging the heat from the tunnel, the introduced pipe system contributes to an artificial climate gradient. This means that costs for built-in fan systems can be minimized, which can amount to up to 30% of tunnel construction [9].

Die Gewinnung von Erdwärme ist nicht nur auf Gebirgstunnel beschränkt, die sich durch hohe Gebirgstemperaturen aufgrund hoher Überlagerung auszeichnen. Eine Nutzung ist auch in U-Bahn- und Stadtbahn-Tunnel möglich. Zwar weisen sie keine hohen Temperaturen auf, die vom umgebenden Gebirge ausgehen. Emissions- und Reibungstemperaturen herrschen jedoch auch in dieser Umgebung vor. Untersuchungen zeigen, dass aufgrund der großen und untertägig abgeschlossenen Verkehrssysteme höhere Temperaturen innerhalb der Tunnel vorherrschen als an der nahen Oberfläche [4]. Folglich ist auch hier ein geothermisches Potential vorhanden, dass mit Hilfe des aufgezeigten Verfahrens genutzt werden kann.The Extraction of geothermal energy is not only limited to mountain tunnels, which are characterized by high mountain temperatures stand out due to high overlap. It can also be used in underground and light rail tunnels. Though they do not have high temperatures from the surrounding mountains out. However, emission and friction temperatures also prevail in this environment. Research shows that due to the huge and underground closed traffic systems higher temperatures inside the tunnel predominate than on the near surface [4]. Hence, too here a geothermal potential exists that with the help of the method shown can be used.

Beschreibung von Ausführbeispielen:Description of examples:

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit Hilfe von Zeichnungen erläutert und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die 1–3 schematisch das Verfahren zur Erschließung geothermischer Energie aus Tunnelanlagen sowohl im Grundriss als auch im Schnittriss.Exemplary embodiments of the invention are explained with the aid of drawings and are described in more detail below. They show 1 - 3 schematically the process for tapping geothermal energy from tunnel systems in both the floor plan and the sectional view.

11

Leitung mit kühler Flüssigkeitmanagement with cooler liquid

22

Leitung mir erwärmter Flüssigkeitmanagement warmed me up liquid

33

Isolationisolation

44

Sohlgewölbeinvert arch

55

BergwassersammelleitungMountain water manifold

66

TunnellängsentwässerungTunnel longitudinal drainage

77

Hydrantenleitunghydrant line

88th

LeerrohreDuctwork

99

Fahrbahn bzw. Gleisbettroadway or track bed

1010

Schutzrinneprotection channel

1111

umgebendes Gebirgesurrounding mountains

1212

Wärmetauscherheat exchangers

1313

Tunnelröhretunnel

1414

TunnelportalTunnelportal

Innerhalb einer Tunnelröhre (13) verläuft im Sohlgewölbe (4) neben Bergwassersammelleitung (5), Tunnellängsentwässerung (6), Hydrantenleitung (7), Schlitzrinne (10) und weiteren Leerrohren (8) ein Leitungssystem zur Nutzung der vom umgebenden Gebirge (11) ausgehenden Temperatur. Die Verlegung des Leitungssystems ist von der Durchörterung des Gebirges abhängig.Inside a tunnel tube ( 13 ) runs in the bottom vault ( 4 ) next to mountain water collection line ( 5 ), Longitudinal tunnel drainage ( 6 ), Hydrant line ( 7 ), Slot channel ( 10 ) and other empty pipes ( 8th ) a pipeline system for the use of the surrounding mountains ( 11 ) outgoing temperature. The routing of the pipeline system depends on the thinning of the mountains.

Bei einem aus zwei Röhren bestehenden Tunnelsystem (1) durchläuft das in die Fahrbahn/in das Gleisbett (9) oder in die unter der Firste (Decke) befindliche Belüftung integrierte Rohrsystem mit Fließrichtung in Fahrt- bzw. Lüftungsrichtung. Die Flüssigkeit (1) erwärmt sich mit dem Transport zum ausgehenden Tunnelportal (14) durch die umliegende Gebirgstemperatur, die von den Fahrzeugen und zur Fahrbahn hin ausgestoßenen Emissionen und die entstehenden Reibungs- und Abriebstemperaturen. Ab dem Punkt, an dem die Temperatur in der Flüssigkeit die auf die Leitung einwirkende Temperatur übersteigt, wird die Leitung isoliert (3), um die gewonnene Energie zu erhalten und zu speichern. Die aus dem Tunnel austretende Leitung mit der erwärmten Flüssigkeit (2) führt die gewonnene Wärme einem Wärmetauscher (12) zu. Die abgekühlte Flüssigkeit (1) läuft daraufhin durch die zweite Tunnelröhre zurück, in der sie sich erneut erwärmt. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich in der zweiten Tunnelröhre. Das dargestellte Röhrensystem stellt ein in sich geschlossenes System dar, so dass weder die Arbeitsflüssigkeit nach außen noch Fremdkörper in das Leitungssystem nach innen treten können.In the case of a tunnel system consisting of two tubes ( 1 ) this goes into the carriageway / into the track bed ( 9 ) or pipe system integrated in the ventilation under the roof (ceiling) with flow in the direction of travel or ventilation. The liquid ( 1 ) warms up with the transport to the outgoing tunnel portal ( 14 ) due to the surrounding mountain temperature, the emissions emitted by the vehicles and to the road and the resulting friction and abrasion temperatures. From the point at which the temperature in the liquid exceeds the temperature acting on the line, the line is isolated ( 3 ) to maintain and save the energy gained. The pipe coming out of the tunnel with the heated liquid ( 2 ) the heat gained leads to a heat exchanger ( 12 ) too. The cooled liquid ( 1 ) then runs back through the second tunnel tube, in which it heats up again. The process described is repeated in the second tunnel tube. The tube system shown is a self-contained system, so that neither the working fluid nor foreign bodies can enter the pipe system inside.

Steht nur eine Tunnelröhre (2) zur Verfügung, durchlaufen im Sohlgewölbe beide Leitungen mit möglichst großem vertikalen Abstand voneinander den Tunnel. Ähnlich 1 versorgen beide Leitungen an den Tunnelportalen (14) Wärmetauscher (12), die die gewonnene Wärme abnehmen, und die abgekühlte Flüssigkeit in der anderen Leitung zurückführen.Is there only one tunnel tube ( 2 ) are available, both lines run through the tunnel with the greatest possible vertical distance from one another in the base vault. Similar 1 supply both lines at the tunnel portals ( 14 ) Heat exchanger ( 12 ), which take off the heat gained and return the cooled liquid in the other line.

Eine Ausnahme stellt das in eine Querlüftung integrierte Leitungssystem innerhalb einer Tunnelröhre (3) dar. Die unter der Decke verlaufenden Rohre durchlaufen lediglich einen Wärmetauscher. Ursache bildet die in eine Richtung verlaufende Zuluft, die zur Kühlung des Tunnels dient und an den Tunnelseiten in den Tunnel geblasen wird. Die die Zuluft durchlaufende Leitung (1) nimmt aufgrund des geringen Temperaturgefälles nur geringfügig Wärme auf und wird am Ende des Tunnel durch die absaugenden Fahrzeugemissionen direkt in die die Abluft durchlaufende Leitung (2) eingespeist. Dort erwärmt sich die Flüssigkeit auf dem Weg zum Tunnelportal und zum Wärmetauscher. Zwar steht somit nicht an allen Tunnelportalen Wärme zur Verfügung. Jedoch wird die durch die heißen Emissionen laufende Flüssigkeit weitaus höhere Temperaturen aufweisen als eine vergleichbare, im Sohlgewölbe (4) vorhandene Leitung. Auch kann auf eine Isolation verzichtet werden, wenn die Abgasemissionen mit der Leitung bis zum Tunnelportal verlaufen. Die Leitungswende erfolgt noch innerhalb der Tunnelröhre in der Nähe des Tunnelportals, an dem keine Nutzung stattfindet, um die Flüssigkeit durch außerhalb des Tunnel vorherrschende Temperaturen nicht tiefer abzukühlen und vor dem Einfrieren bei Tunnel in Hochgebirgslagen zu schützen.An exception is the duct system integrated in a cross ventilation within a tunnel tube ( 3 ). The pipes running under the ceiling only pass through a heat exchanger. The cause is the supply air running in one direction, which is used to cool the tunnel and is blown into the tunnel on the sides of the tunnel. The the Air supply line ( 1 ) absorbs only a small amount of heat due to the low temperature gradient and is exhausted at the end of the tunnel by the exhausting vehicle emissions directly into the duct passing through the exhaust air ( 2 ) fed. There, the liquid warms up on the way to the tunnel portal and the heat exchanger. This means that heat is not available at all tunnel portals. However, the liquid running through the hot emissions will have much higher temperatures than a comparable one in the vault ( 4 ) existing line. Isolation can also be dispensed with if the exhaust gas emissions run along the line to the tunnel portal. The pipeline is still turned inside the tunnel near the tunnel portal, where there is no use so that the liquid does not cool down due to the temperatures prevailing outside the tunnel and to protect it from freezing in tunnels in high mountain locations.

Aufgrund der höheren Temperaturen ist eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Tunnellänge und Leitungsdurchmesser möglich, um so eine größere Effizienz der Anlage zu erzielen.by virtue of the higher Temperatures is an increase the flow velocity dependent on of tunnel length and cable diameter possible, all the more efficiency to achieve the plant.

Literaturverzeichnisbibliography

• [1] Gerlicher: Bundesministerium für Verkehr, Robert-Schumann-Platz 1; D-53175 Bonn, Tel. 0228/300 – 5251, persönliche Mitteilung vom 21.09.2001[1] Gerlicher: Federal Ministry of Transport, Robert-Schumann-Platz 1; D-53175 Bonn, Tel. 0228/300 - 5251, personal Communication dated September 21, 2001
• [2] Göbl:, Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Stubenring 1, A-12 Wien, Tel.: 0043-1/877 52 82, persönliche Mitteilung vom 02.10.2001[2] Göbl :, Federal Ministry of Business and Labor, Stubenring 1, A-12 Vienna, Tel .: 0043-1 / 877 52 82, personal Communication dated 02.10.2001
• [3] Prof. Dr.-Ing. Haack, Tunnelbau in Deutschland – Statistik (2000/2001), Analyse und Ausblick – Internetdokument: http://www.stuva.de/de/s00-01.pdf[3] Prof. Dr.-Ing. Haack, Tunneling in Germany - Statistics (2000/2001), analysis and outlook - Internet document: http://www.stuva.de/de/s00-01.pdf
• [4] Haerter, Dr.: Tunnellüftungssysteme mit geringen Abluftimmissionen, aus: Tunnel-Planung, Bau, Betrieb und Umweltschutz (Verfasser: Stuva), Vorträge der Stuva-Tagung 1979 in München, Köln 1979; Seiten 182–188[4] Haerter, Dr .: tunnel ventilation systems with low exhaust air emissions, from: tunnel planning, construction, operation and environmental protection (Author: Stuva), lectures by Stuva conference 1979 in Munich, Cologne 1979; Pages 182-188
• [5] Internet-Dokument: Eisenbahn-Alpentransversale „Reutte-Bergamo"; http://homepage.uibk.ac.at/~c71610/RB/RB_alles_d.html[5] Internet document: Railway crossings "Reutte-Bergamo"; http://homepage.uibk.ac.at/~c71610/RB/RB_alles_e.html
• [6] Internet-Dokument: Nutzung des Warmwassers im Gotthardtunnel; http://www.geothermie.de/geothermie_ch/nr24/gÉothermie_ch_Nutzung%20des%20 Warmwassers%20im%20Gotthardtunnel.htm[6] Internet document: Use of hot water in the Gotthard tunnel; http://www.geothermie.de/geothermie_ch/nr24/gÉothermie_ch_Nutzung%20des%20 Hot water 20FINALLY%% 20Gotthardtunnel.htm
• [7] Internet-Dokument: Wärmepumpen als Heiz-Alternative?; http://www.kabatnik.de/vbz.htm[7] Internet document: heat pumps as a heating alternative ?; http://www.kabatnik.de/vbz.htm
• [8] Kaltschmitt, Huenges, Wolff Energie aus Erdwärme; Deutscher Verlag Grundstoffindustrie, Leipzig 1999 (ISBN 334 200 68 54)[8] Kaltschmitt, Huenges, Wolff Energy from geothermal energy; German Verlag Grundstoffindustrie, Leipzig 1999 (ISBN 334 200 68 54)
• [9] Kolymbas: Geotechnik – Tunnelbau & Tunnelmechanik; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1998 (ISBN 3-540-62805-3)[9] Kolymbas: Geotechnical engineering - tunnel construction & tunnel mechanics; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1998 (ISBN 3-540-62805-3)
• [10] Landesinitiative Zukunftsenergien NRW: Innovation & Energie, Heft 2/2001; MWMEV Düsseldorf [10] State Initiative Future Energies NRW: Innovation & Energy, Issue 2/2001; MWMEV Düsseldorf
• [11] Offenlegungsschrift: Erdwärmegewinnung aus Bergwerken zur Einspeisung in Fernwärmenetze ( DE 14 27 161 A1 ), Anmelder: Heinz-Bert Weber, 5210 Troisdorf, Anmeldetag 16.08.1991, Aktenzeichen: P41 27 161.0[11] Disclosure: geothermal energy from mines for feeding into district heating networks ( DE 14 27 161 A1 ), Applicant: Heinz-Bert Weber, 5210 Troisdorf, filing date August 16, 1991, file number: P41 27 161.0
• [12] Offenlegungsschrift: Wärmegewinnung und Wärmespeicherung auf stillgelegten Bergwerken und Braunkohlengruben ( DE 42 34 367 A1 ), Anmelder: Heinz-Bert Weber, 5210 Troisdorf, Anmeldetag 12.10.1992, Aktenzeichen: P42 34 367.4[12] Disclosure: Heat generation and heat storage on disused mines and lignite mines ( DE 42 34 367 A1 ), Applicant: Heinz-Bert Weber, 5210 Troisdorf, filing date October 12, 1992, file number: P42 34 367.4
• [13] Schäfer: Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.V., Mathias-Brüggen-Straße 41, D-50827 Köln, Tel. 02 21/59 79 5 – 0, persönliche Mitteilung vom 21.09.2001[13] Shepherd: Study society for underground traffic facilities e.V., Mathias-Brüggen-Straße 41, D-50827 Cologne, Tel. 02 21/59 79 5 - 0, personal Communication dated September 21, 2001

Claims (3)

Verfahren zur Erschließung geothermischer Energie in Tunnelanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß mit in Zirkulation befindlicher Flüssigkeit gefüllte Rohrleitungen durch ein Tunnelbauwerk unter der Fahrbahndecke, dem Gleisbett und/oder der Firste (Decke) eingebracht werden, die zur Gewinnung der aus vorrangig dem Gebirge, aus Abgasemissionen, Abrieb und Reibung stammenden Wärme ein oder mehrere Wärmetauscher durchläuft, welche an den Tunnelportalen durch das geschlossene Leitungssystem versorgt werden und die gewonnene Energie auf direktem oder indirektem Weg an den Nutzer weitergeben.Method for tapping geothermal energy in tunnel systems, characterized in that pipelines filled with circulating liquid are introduced through a tunnel structure under the road surface, the track bed and / or the roof (roof), which are used to obtain the primarily from the mountains, from exhaust gas emissions , Abrasion and friction heat passes through one or more heat exchangers, which are supplied to the tunnel portals by the closed pipe system and pass the energy obtained directly or indirectly to the user. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung mit Beginn des Wärmeentzuges im temperaturabnehmenden Tunnelteil gegenüber der Umgebung thermisch isoliert geführt wirdA method according to claim 1, characterized in that the Pipe with the start of heat extraction in the temperature-reducing tunnel part thermally compared to the environment run in isolation becomes Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossenes Rohrleitungssystem durch die Tunnelabluftkanäle verläuftA method according to claim 1, characterized in the existence closed pipe system runs through the tunnel exhaust air ducts