Numerische Simulationen des Ausbreitungsverhaltens von Wärmeträgerfluid-Inhaltsstoffen im Grundwasser für den Fall einer Erdwärmesonden-Leckage

Janine Struß1, Dirk Schäfer1, Andreas Dahmke1, Ralf Köber1
1 Angewandte Geologie, Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

O 4.3 in Geothermal use of groundwater - consequences, quality control, new techniques

22.03.2018, 12:00-12:15, 2

Im Rahmen der Energiewende und angesichts des steigenden Wärmebedarfs urbaner Räume gewinnen eine nachhaltige Wärmeversorgung und saisonale Wärmespeicherung im geologischen Untergrund zunehmend an Bedeutung. Eine effiziente Nutzung des Untergrundes zur Wärmegewinnung und –speicherung ist mithilfe von Erdwärmesonden möglich, die jedoch aus Gründen des vorbeugenden Grundwasserschutzes erst in einem Umkreis von mehr als 1000 m um eine Trinkwassergewinnungsanlage bzw. ab der Wasserschutzzone IIIB je nach den Richtlinien der Bundesländer genehmigungsfähig sein können. Um im Fall einer Leckage eine Grundwasser- und Bodenverschmutzung zu vermeiden oder möglichst gering zu halten, sollten Wärmeträgerfluide in Eigenschaften und Konzentration so gewählt werden, dass diese nicht wassergefährdend sind. Bisher erfolgten zwar Einschätzungen zum Gefährdungspotential von Wärmeträgerfluiden hinsichtlich ihrer Einsatzhäufigkeit und ihres Umweltverhaltens, jedoch keine Konkretisierung in Bezug auf die räumliche und zeitliche Ausbreitung. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, anhand von numerischen Simulationen das Ausbreitungsverhalten  von gängigen Wärmeträgerfluid-Inhaltsstoffen unter Betrachtung der Auswirkungen von Verdünnung und Abbauprozessen auf die Konzentrationsverläufe in einem Trinkwasserentnahmebrunnen zur Bewertung der Relevanz von Erdwärmesonden-Leckagen zu quantifizieren.

Dazu wurde anhand von exemplarischen Modellsimulationen die Ausbreitung von häufig verwendeten Wärmeträgerfluid-Inhaltsstoffen unter verschiedenen Redoxbedingungen, sowie vergleichsweise auch zum konservativen Transport untersucht. Das Modell bildet häufig auftretende Randbedingungen eines norddeutschen Aquifers ab, wozu ein Durchlässigkeitsbeiwert von 5∙10-4 m/s, ein effektiver Porenanteil von 20 % und ein natürlicher hydraulischer Gradient von 2∙10-3 gewählt wurde. Die Trinkwasserentnahme erfolgte mit einer Gesamtentnahmerate von 1.000.000 m3/a über drei Brunnen. Für die Erdwärmesonden-Leckage wurde ein Worst-Case-Szenario angenommen, bei dem die gesamte Wärmträgerfluidmenge von 212 L mit einer Leckagerate von 200 mL/h aus einer 100 m langen Doppel-U-Rohr-Sonde austritt.

Die numerischen Simulationen zeigten, dass die Maximalkonzentrationen im Brunnen bereits bei konservativem Transport und einem Abstand von nur 100 m zwischen Erdwärmesonde und Trinkwasserbrunnen aufgrund des hohen Verdünnungseffektes bei den meisten gebräuchlichen Wärmeträgerfluid-Inhaltsstoffen mit einem Faktor >10 und unter Berücksichtigung von Redoxprozessen größtenteils mit einem Faktor > 30 unterhalb von Geringfügigkeitsschwellenwerten bzw. predicted no effect concentrations (PNEC) lagen.

Anerkennung: Die präsentierte Arbeit ist Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten ANGUS+ Projektes (03EK3022A).



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