Tunnel geothermics – A review. Issue 1 (17th February 2022) - Stemmle, Ruben; Menberg, Kathrin; Rybach, Ladislaus; Blum, Philipp
Abstract: Tunnelgeothermische Anlagen haben das Potenzial, zur Dekarbonisierung im Bereich der Gebäudeheizung und ‐kühlung beizutragen. Sie können in bestehende Infrastruktur integriert werden und sind damit nur mit geringen zusätzlichen Kosten verbunden. Zudem haben diese Systeme große Kontaktflächen mit dem Erdreich, was zu größeren Wärmeströmen führt. Tunnelgeothermie ist jedoch vergleichsweise unbekannt und wird bisher selten genutzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Überblick über die beiden wichtigsten Systeme in der Tunnelgeothermie sowie über deren Anwendungsmöglichkeiten und Potenziale zu geben. Offene hydrothermale Systeme nutzen das Tunneldrainagewasser als Wärmequelle, wohingegen geschlossene Absorbersysteme dem Untergrund und dem Tunnelinneren mittels Wärmetauscher thermische Energie entziehen. Eine Betrachtung der weltweit existierenden sowie geplanten Systeme für Tunnelgeothermie zeigt, dass sich gegenwärtig alle offenen Systeme in Gebirgsregionen mit mächtigen Gesteinsüberdeckungen befinden. Im Gegensatz dazu werden geschlossene Absorbersysteme vor allem in städtischen Tunnelkonstruktionen genutzt. Die räumliche Verteilung der tunnelgeothermischen Systeme hat einen Schwerpunkt in Mitteleuropa, wobei die meisten Systeme in der Schweiz, Deutschland und Österreich installiert sind. Die Studie gibt abschließend einen kurzen Überblick über bestehende Methoden zu Bestimmung des geothermischen Potenzials von Tunneln. Abstract: Tunnel geothermal systems hold the potential to promote decarbonization of the building heating and cooling sector. They can be integrated into existing infrastructure, resulting in low additional costs. In addition, these systems have large contact areas with the ground leading to larger heat fluxes. However, tunnel geothermics is relatively unknown and rarely used. Thus, the objective of this study is to provide an overview of the two primary tunnel geothermal system types as well as their application and potential. Open hydrothermal systems use the tunnel drainage water as a heat source, whereas closed absorber systems harness the heat flux from the subsoil and the warm tunnel interior via heat exchangers. The evaluation of the global application of existing and planned tunnel geothermal systems shows that all open systems are currently located in mountainous regions with a thick rock overburden. In contrast, closed absorber systems are mostly installed in urban tunnel infrastructures. The spatial distribution of geothermal tunnel systems has a focus in central Europe with Switzerland, Germany and Austria being the countries with the highest number of installed systems. Finally, this study also presents a brief summary of existing methods to determine the geothermal potential of tunnels.