Grundwasserzirkulationsbrunnen zur Geothermischen Nutzung und deren Auswirkungen auf die Grundwasserbeschaffenheit

Eva Dinkel1, Burga Braun2, Josephin Schröder2, Winfried Reul3, Moritz Muhrbeck3, Alexander Meeder3, Ulrich Szewzyk2, Traugott Scheytt1
1 Institut für Angewandte Geowissenschaften, Technische Universität Berlin
2 Fachgebiet Umweltmikrobiologie, Technische Universität Berlin
3 Geo-En Energy Technologies GmbH, Berlin

O 4.7 in Geothermal use of groundwater - consequences, quality control, new techniques

22.03.2018, 14:15-14:30, 2

Grundwasserzirkulationsbrunnen sind bisher vor allem für ihre Nutzung zu Sanierungszwecken bekannt (Mohrlok et al, 2002). Mittlerweile finden sie Anwendung als offenes, oberflächennahes Geothermiesystem zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Sie eignen sich insbesondere für eng bebaute Gebiete, bei denen der Platzbedarf für ein Dublettensystem nicht ausreicht. Dublettensysteme und deren Auswirkungen auf das Grundwasser wurden bereits in zahlreichen Publikationen beschrieben (u.a. Bonte et al., 2013, Possemiers et al., 2016). Grundwasserzirkulationssysteme hingegen sind weitaus geringer verbreitet als Dublettensysteme, da umfangreiche, wissenschaftliche Begleituntersuchungen zu ihren Auswirkungen auf die Grundwasserbeschaffenheit bislang fehlen. Das Forschungsprojekt „Hocheffiziente Nutzung geothermischer Energie: Die Integralsonde II“ (01LY1507B / BMBF „KMU-innovativ“) soll dazu beitragen, die Lücke an offenen wissenschaftlichen Fragestellungen zu schließen.

In einem Grundwasserzirkulationsbrunnen (GZB) liegen Vor- und Rücklauf vertikal übereinander im gleichen Bohrloch in verschiedenen Tiefen und sind hydraulisch voneinander getrennt. Über den Vorlauf wird Grundwasser zur Wärmepumpe gepumpt und im Heizbetrieb wird dem Wasser Wärme entzogen. Dieses abgekühlte Wasser wird über den Rücklauf wieder in den Grundwasserleiter injiziert. Bei Kühlbetrieb wird dementsprechend erwärmtes Grundwasser wieder eingeleitet. Die bisher vorgegebene maximale Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf beträgt in Berlin 3 Kelvin.

Um Verockerungen, Mineralausfällungen und –lösung, Partikelmobilisierung, Ausgasung und Ausflockungen vorzubeugen, ist es äußerst wichtig, die Vermischung von Redoxzonen im Grundwasser zu verhindern. Hohe Gehalte an gelöstem Eisen und Mangan werden gewöhnlich als Ausschlusskriterien für die Errichtung offener Geothermiesysteme angesehen, da eine erhöhte Verockerungswahrscheinlichkeit vorliegt. GZB könnten eine geeignete Technik darstellen, um die Vermischung von Redoxzonen zu verhindern und damit Standorte, die bisher als ungeeignet für die Nutzung offener Systeme galten, nutzbar zu machen.

Die Ergebnisse unserer bisherigen Untersuchungen zeigen, dass Redoxzonen im Bereich eines neu errichteten GZB durch den getakteten Betrieb nicht verändert werden. Ununterbrochenes Pumpen über mehrere Tage bis zu Wochen verändert jedoch die bakterielle Zusammensetzung im geförderten Wasser. Inwiefern dies zu Leistungseinbußen des Systems führen kann, muss jedoch noch an weiteren Standorten und über einen längeren Zeitraum hinweg untersucht werden.



MOHRLOK, U.; WEBER, O.; JIRKA, G.H. & SCHOLZ, M. (2002): Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (GZB) zur In-Situ-Grundwassersanierung. – In: Grundwasser, 1/2003, 13-22; Heidelberg.

BONTE, M., VAN BREUKELEN, B. M., & STUYFZAND, P. J. (2013). Environmental impacts of aquifer thermal energy storage investigated by field and laboratory experiments. Journal of Water and Climate Change, 4(2), 77-89; London.

POSSEMIERS, M., HUYSMANS, M., ANIBAS, C., BATELAAN, O., & VAN STEENWINKEL, J. (2016). Reactive transport modeling of redox processes to assess Fe(OH)3 precipitation around aquifer thermal energy storage wells in phreatic aquifers. Environmental Earth Sciences, 75(8), 1-17, Heidelberg.



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