Frostfreier Betrieb von Erdwärmesonden

Giulia Giannelli1, Braun Juergen1
1 IWS - VEGAS, Universität Stuttgart

O 4.5 in Geothermische Nutzung im Grundwasser: Auswirkungen, Qualitätssicherung, neue Techniken

22.03.2018, 12:30-12:45, 2

Oberflächennahe Geothermie zeichnet sich dadurch aus, dass sie den hohen Energiebedarf der Privathaushalte (Warmwasser, Raumwärme) während des gesamten Jahres gewährleisten kann. Der Geothermiebetrieb ist jedoch nicht frei von potenziellen Umweltauswirkungen, die daher berücksichtigt werden müssen, um eine nachhaltige und effiziente Nutzung zu erreichen.

 

Eine sorgfältige Abdichtung  des Bohrlochs gegen den anstehenden Untergrund (poröses Medium) mit geeignetem Hinterfüllmaterial ist Stand der Technik und muss bei allen erdenklichen Betriebsszenarien sichergestellt werden. Ziel ist es, einen hydraulischen Kurzschluss von Grundwasserleitern zu vermeiden, der zur Verlagerung von Schadstoffen oder zur Drainage von Aquiferen führen könnte.

 

Erdwärmesonden (EWS) werden oft aus ökonomischen Gründen mit einem Glykol-Wasser-Gemisch unter 0° C betrieben. Dies kann jedoch potentiell zu Frost-Tau-Wechsel während des Betriebs und somit zu Beschädigungen des EWS-Hinterfüllmaterials und des umgebenden porösen Mediums führen.

 

Der Einfluss der Frostwirkung auf das Hinterfüllmaterial von Erdwärmesonden wurde in mehreren Studien untersucht (Müller 2009; Anbergen et al., 2014).
Die detailliertesten Untersuchungen wurden von Reuss et al. (2012) durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Frostbildung und vor allem der erste Frost-Tau-Wechsel zu einer deutlichen Erhöhung der Systemdurchlässigkeit führen kann. Die Auswirkungen des Betriebs einer Erdwärmesonde im Frostbereich auf die Durchlässigkeit des anstehenden porösen Medium (Nahfeld der Sonde) wurden bisher nicht untersucht.

 

Um eine mögliche Frostbildung in einer EWS zu vermeiden, ist die minimale Eintrittstemperatur der EWS in den „Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden“ (LQS EWS 2015) in Baden-Württemberg auf minus 3° C beschränkt. Diese nach empirischen Erfahrungswerten definierte Minimaltemperatur wurde im Rahmen eines vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg geförderten  Forschungsvorhabens eingehend im Großmaßstab bei VEGAS experimentell untersucht.

 

Die Ergebnisse der großskaligen Versuche zeigen, dass die aktuell verwendete minus 3° C-Regel für diese spezifischen Randbedingungen an der Grenze zwischen frostsicher und nicht frostsicher liegt. Es wurden verschiedenste Lastszenarien untersucht und bewertet. Obwohl es trotz des großskaligen Experiments nicht möglich war, die Randbedingungen so nachzustellen, dass sie das Worst-Case-Szenario repräsentieren, das im Feld stattfinden kann, sind die erhaltenen Ergebnisse und ihre Abhängigkeit von verschiedenen Parametern signifikant. Diese Präsentation wird die Ergebnisse der großskaligen Versuche zusammenfassen um ihre Übertragbarkeit auf die tatsächliche Feldsituation zu diskutieren.

 



Reuß, M. et al. (2012): „Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden und Erdreichkollektoren“, Bayerisches Zentrum
für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern), FKZ 0327453A

Anbergen, H., Frank, J., Müller, L. & Sass, I. (2014): Freeze-Thaw-Cycles on Borehole Heat Exchanger Grouts:
Impact on the Hydraulic Properties, Geotechnical Testing Journal 37, Issue 4.

Müller, L. (2009): Frost-Tau-Wechselbeständigkeit von Hinterfüllbaustoffen für Erdwärmesonden; in: bbr
Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau; Ausgabe 07-08/2009; wvgw Wirtschafts- und
Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH; Bonn



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