Beständigkeit von zementgebundenen Thermoverfüllbaustoffen in Wärmespeichern und deren geochemische Wechselwirkungen mit dem Grundwasser in Abhängigkeit der Temperatur

Kerstin Meier zu Beerentrup1, Andreas Dahmke1
1 Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

O 19.12 in Young Hydrogeologists forum

21.03.2018, 15:30-15:45, 3

Wärmespeicher können den zeitlichen Versatz zwischen Wärmeproduktion und -bedarf auf verschiedenen Skalen überbrücken und so einen wichtigen Beitrag zum Erfolg der Energiewende im Wärmesektor leisten. Eine Möglichkeit zur Speicherung von Wärme bietet der Einbau von zementgebundenen Thermoverfüllbaustoffen (TVB) in ungenutzte Hohlräume im Untergrund. Dies ermöglicht einen flexibel skalierbaren, an das Wärmeangebot und den -bedarf angepassten Speicher. Die geringe Permeabilität der TVB beschränkt Interaktionen mit der Umwelt weitestgehend auf die TVB-Oberfläche. Das Ziel der hier vorgestellten experimentellen Studie lag in der Quantifizierung der temperaturabhängigen Wechselwirkungen zwischen zwei untersuchten TVB und dem Grundwasser. Der Fokus wurde hierbei auf eine mögliche temperaturabhängige Freisetzung umweltrelevanter Stoffe in das Grundwasser und auf mögliche Veränderungen in der Beständigkeit der TVB gelegt. Hierfür wurden Standtests bei 10°C, 23°C, 40°C und 70°C durchgeführt, in denen die TVB in einem Oberflächen-Flüssigkeit-Verhältnis von 1 cm² : 8 cm³ als monolithische Körper für 114 Tage mit Grundwasser in Kontakt gebracht wurden. Das mit den TVB-Körpern in Kontakt stehende Wasser wurde in regelmäßigen Abständen ausgetauscht und auf pH, Hauptkat- und Anionen analysiert. Analysen für die gelösten Konzentrationen 20 relevanter Schwermetalle und Spurenelemente stehen noch aus. Die thermische Beständigkeit der TVB wird am Ende der Versuche mit Mikrosondenanalysen bewertet.

Die Analyseergebnisse der gelösten Hauptkomponenten im mit dem TVB in Kontakt stehenden Wasser zeigen hauptsächlich eine Festlegung von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (ICdiss) sowie von Calciumionen (Ca2+) und eine Freisetzung von Hydroxidionen (OH-). Bei 23°C Versuchstemperatur ist die durchschnittliche Gesamtfestlegung bzw. -freisetzung (En) nach 114 Tagen in einer ähnlichen Größenordnung wie bei 10°C (En [ICdiss] 10°C: -310 mmol/m², 23°C: -340 mmol/m²; En [Ca2+] 10°C: -170 mmol/m², 23°C: -200 mmol/m²; En [OH-] 10°C: 1 mmol/m², 23°C: 2 mmol/m²). Bei 70°C wurde hingegen eine deutlich stärkere Festlegung bzw. Freisetzung gemessen (En [ICdiss] 70°C: -930 mmol/m²; En [Ca2+] 70°C: -260 mmol/m²; En [OH-] 70°C: 530 mmol/m²). Vorversuche hinsichtlich der Schwermetallfreisetzung deuten auf verstärkte Chromfreisetzung aus TVB bei einer Temperaturerhöhung hin. Inwieweit diese umweltrelevant sein könnte, kann erst nach Analyse der Standtests bewertet werden. Hinsichtlich des Hauptelementchemismus wird es bei einer Temperaturerhöhung, wie hier für zwei TVB gezeigt, hauptsächlich zu Ca(OH)2-Lösung und CaCO3-Fällung kommen.

Die vollständige Bewertung der Relevanz der verstärkten Interaktionen zwischen TVB und Grundwasser bei höheren Temperaturen für die Prognose möglicher Folgen einer Wärmespeicherung in TVB ist allerdings erst nach den noch ausstehenden Analysen möglich.

Die präsentierte Arbeit ist Teil des IGLU-Projekts (BMWi, 0325547B).



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