Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Nutzung von Seen als offenen Latent-Wärmespeicher. Dies erfolgt durch eine Machbarkeitsstudie anhand des Bergsees Obersee in Arosa, Kanton Graubünden. Da in der Schweiz Energie verhältnismässig günstig ist, ist es für Betreiber von Energie-Infrastrukturen wie Kraftwerke oder Leitungen schwierig, ihre Anlagen zu amortisieren. Aus diesem Kontext soll ein neuer Weg gegangen und ein Mehrfachnutzen generiert werden. Wird der Obersee im Winter als Eisspeicher genutzt, kann man daraus einerseits Heizwärme gewinnen und andererseits kann die Eisfläche im Winter touristisch genutzt werden. Mangels stabiler Eisdecke kommt es immer wieder vor, dass der Obersee nicht zur Begehung freigegeben werden kann. Die Klimaerwärmung weist auch in Zukunft nicht auf Besserung.
Zu Beginn der Arbeit wird das offene, natürliche System «Obersee» abgegrenzt und die saisonalen Energieflüsse au Grundlage der meteorologischen CH2018-Modelldaten betrachtet. Diese natürlichen Energieflüsse werden mit Matlab simuliert, woraus unter anderem Eis- und Schneeverlauf ersichtlich sind. Auf Grundlage dessen soll das Wärmepotenzial des Obersees heute und in Zukunft abgeschätzt werden. Es werden mehrere Möglichkeiten zur technischen Umsetzung diskutiert. Der Fokus liegt dabei auf geschlossenen Primärkreisläufen, bei welchen die Wärmeübertragung im See über einen Solekreislauf stattfindet. Schlussendlich wird auf den Nutzen und Aufwand des Projekts aus Sicht von allen betroffenen Parteien hingewiesen und eine Empfehlung zur Realisierung abgegeben.
Der Obersee hat ein Wärmepotenzial von ungefähr 3 MW und ist für eine Niedertemperatur-Anwendung geeignet. Mit der thermischen Nutzung kann auch in Zukunft, sicherlich bis Ende des Jahrhunderts, eine begehfähige Eisschicht sichergestellt werden. Eine technische Umsetzung mittels geschlossenem Primärkreislauf ist jedoch unrealistisch. Das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen steht in keinem Verhältnis, da sich bereits die Materialkosten für den Primärkreislauf auf mehrere Millionen Franken belaufen. Die nötige Wärmeübertragungsfläche und der Druckverlust der Soleströmung werden sehr hoch. Denkbar ist eine Umsetzung mittels offenem Primärkreislauf, ähnlich der bereits bekannten, thermischen Nutzung von Seen im sensiblen Bereich. Dabei würde das Seewasser direkt zur Wärmepumpe gepumpt und die Wärme dort auf den Verdampfer übertragen. Durch den Wassereinlauf in der obersten Schicht des Sees entsteht eine erzwungene Konvektion, deren Einfluss auf die Eisbildung unklar ist. Dies muss in einem nächsten Schritt abgeklärt werden.
The bachelor thesis deals with the thermal use of lakes as open latent heat storages. This is done by means of
a feasibility study on the mountain lake Obersee in Arosa, canton Graubünden (Switzerland). Since energy is
relatively cheap in Switzerland, it is difficult for operators of energy infrastructures such as power plants or
pipelines to amortize their facilities. From this context, a new path should be taken and multiple benefits
generated. If the Obersee is used as an ice storage in winter, it can be used to generate heat on the one hand
and the ice surface can be used for tourism in winter on the other. Due to the lack of a stable ice cover, it
happens again and again that the Obersee cannot be opened for walking. Global warming will not improve in
the future either.
At the beginning of the work, the open, natural system "Obersee" is delimited and the seasonal energy flows
are considered on the basis of the meteorological CH2018 model data. These natural energy flows are
simulated with Matlab, which shows, among other things, the course of ice and snow. On the basis of this, the
heat potential of the Obersee is to be estimated today and in the future. Several possibilities for technical
implementation will be discussed. The focus here is on closed primary cycles in which the heat transfer in the
lake takes place via a brine cycle. Finally, the benefits and costs of the project from the point of view of all
parties concerned will be pointed out and a recommendation for implementation will be made.
Obersee has a heat potential of approximately 3 MW and is suitable for low-temperature applications.
Thermal utilisation will also ensure a walk-in ice layer in the future, certainly by the end of the century.
However, a technical implementation by means of a closed primary circuit is unrealistic. The cost-benefit
ratio is disproportionate, as the material costs for the primary circuit already amount to several million francs.
The required heat transfer area and the pressure loss of the brine flow become very high. An implementation
by means of an open primary cycle is conceivable, similar to the already known thermal use of lakes in
sensitive areas. The lake water would be pumped directly to the heat pump and the heat would be transferred
to the evaporator. The water inlet in the uppermost layer of the lake causes forced convection, the influence
of which on ice formation is unclear. This must be clarified in a next step.
Urheberrechtshinweis
Püntener Patrizia, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur