Urban Heat Island in the Subsurface and Geothermal Potential in Urban Areas

Abstract

Urbanization during the last hundred years has led to both environmental and thermal impacts on the subsurface. The urban heat island (UHI) effect is mostly described as an atmospheric phenomenon, where the measured aboveground temperatures in cities are elevated in comparison to undisturbed rural regions. However, UHIs can be found below, as well as above ground. A large amount of anthropogenic heat migrates into the urban subsurface, raises the ground temperature and permanently changes the thermal conditions in shallow aquifers, which are attractive thermal energy reservoirs. Meanwhile, geothermal energy has become increasingly popular, because it offers a number of advantages over traditional energy sources based on fossil fuels. As a renewable energy source, it is clean and safe for the surrounding environment, and it also contributes to reduction of CO2 emissions. Therefore, to estimate the regional potential geothermal energy content in densely populated urban areas is necessary. This PhD study presents extensive field studies in the city of Cologne, Germany. The results reveal high subsurface temperature distributions in the city center and indicate a warming trend of up to 5 °C. The case-specific potential heat content in urban aquifers and available capacities for space heating are quantified. The results show, for example, that by decreasing the 20 m thick urban aquifer’s temperature by 2 °C, the amount of extractable geothermal energy beneath Cologne could be used for residential heating of the whole city for at least 2.5 years. The geothermal potential in other cities such as Shanghai and Tokyo is shown to supply heating demand even for decades. In this study, different types of shallow geothermal systems that could be used to extract the geothermal energy in urban aquifers are also discussed. In order to study the effects of urbanization and groundwater flow on subsurface temperature evolution in Cologne, and to improve our understanding of the dynamics of subsurface energy fluxes in urban hear island, two and three-dimensional coupled numerical flow and heat transport models were developed. The simulation results indicate that the main thermal transport mechanisms are long-term vertical diffusive heat input, horizontal advection and transversal dispersion. Instead of groundwater recharge, the influence of horizontal flow on heat transport needs to be addressed. Vertical transverse dispersion causes additional vertical heat fluxes, and thermal anomalies have migrated into the local urban aquifer system and they reach a depth of about 120 m. The results also show that groundwater temperature-depth profiles in urban aquifers are strongly related to the relative distance and location (upstream or downstream) to the anthropogenic heat source. In this context, the influence of the regional groundwater flow on the subsurface heat transport and the necessity of long-term temperature development assessment are comprehensively discussed. Our findings will contribute to strategic and more sustainable geothermal use in urban areas.

Die Urbanisierung der letzten hundert Jahre führte zu Veränderungen der Umwelt, wie zum Beispiel die Temperatur des Untergrundes. Die Entwicklung des Stadtklimas wurde bisher hauptsächlich als Atmosphären verursacht betrachtet. Dabei wurden bei Messungen der Oberflächentemperaturen häufig ein Anstieg der Untergrundstemperatur in städtischen Regionen verglichen zu ländlichen Regionen festgestellt. Allerdings beeinflussen nicht nur Faktoren auf der Erdoberfläche das Stadtklima, sondern auch Faktoren des Untergrundes. Der größte Teil der anthropogenen Wärme gelangt in den städtischen Untergrund, wodurch die Temperatur des Untergrundes und somit auch des Grundwasserleiters steigt. Beide sind geeignete thermische Speicher. In der jetzigen Zeit stellt sich die geothermische Energie als zunehmend populär heraus, weil es eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlicher fossiler Energieresourcen gibt. Als erneuerbare Energiequelle bietet die geothermische Energie eine saubere und sichere Form dar, die zusätzlich zur Reduktion von CO2 Emissionen beiträgt. Daher ist eine Bestimmung des Potenzials der geothermischen Energie in dicht besiedelten städtischen Regionen notwendig. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurde in Köln, Deutschland, eine umfassende Feldstudie durchgeführt. Die Ergebnisse weisen auf eine Erhöhung der Bodentemperaturverteilung im Stadtkern um bis zu 5 °C hin. Die Fallspezifische Wärmemenge in städtischen Grundwasserleitern und verfügbaren Kapazitäten der Raumerwärmung wurden quantifiziert. Anhand der Ergebnisse kann gezeigt werden, dass beispielsweise durch ein Absenken der Temperatur des 20 m dicken Grundwasserleiters um 2 °C ein Plus an geothermischer Energie gewonnen werden kann, mit dem die Stadt Köln für 2,5 Jahre beheizt werden kann. Daneben wird nachgewiesen, dass das geothermische Potential anderer Städte, wie Shanghai oder Tokio, den Wärmebedarf für Jahrzehnte bereitstellen könnte. In dieser Studie werden verschiedene Arten von oberflächennaher Geothermie-Systemen vorgestellt, mit welchen die geothermische Energie in städtischen Grundwasserleitern gewonnen werden kann. Um sowohl die Effekte der Urbanisierung und des Grundwasserflusses auf die Temperatur-entwicklung des Kölner Untergrundes zu untersuchen als auch unser Verständnis der Dynamik von UHI verursachten Energieflüssen zu verbessern, wurden zwei und drei dimensionale numerische Model mit gekoppelten Grundwasserfluss und Wärmetransport entwickelt. Die Simulationsergebnisse deuten an, dass die wichtigsten thermischen Transportparameter folgende sind: Der langzeitliche vertikale und diffusive Wärmeeintrag, horizontale Advektion und transversale Dispersion. Anstatt der Grundwasserneubildung muss der Einfluss des horizontalen Grundwasserflusses auf den Wärmetransport untersucht werden. Vertikale Transversaldispersion verursacht zusätzlichen vertikalen Wärmetransport. Thermische Anomalien sind bis in eine Tiefe von 120 m in das urbane Untergrund eingedrungen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass Grundwassertemperaturprofile von urbanen Aquiferen stark von ihrer relativen Distanz und Entfernung (Abstrom oder Zustrom) zu der antrophogenen Wärmequelle beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss des regionalen Grundwasserflusses auf den unterirdischen Wärmetransport und die Temperaturentwicklung ausführlich diskutiert. Unsere Studienresultate werden beitragen zu einer strategischeren und nachhaltigeren Nutzung der geothermischen Energie im urbanen Raum.