Uni-Bayreuth

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Hydraulische Charakterisierung von Aquiferen über den Thermal Response Test: Validierung in Tank- und Feldexperimenten

Valentin Wagner1, Philipp Blum1, Gerhard Bisch2, Kübert Markus3, Peter Bayer4
1 Karlsruher Institut für Technologie (Institut für Angewandte Geowissenschaften)
2 ARCADIS Deutschland GmbH
3 tewag Technologie - Erdwärmeanlagen - Umweltschutz GmbH
4 ETH Zürich (Geologisches Institut)

O 8.2 in Geothermie und Geocooling

29.05.2014, 10:20-10:40, H18, NW II

Der Thermal Response Test (TRT) ist einer der am weitesten verbreiteten Feldversuche in der Geothermie. Das Ziel eines TRTs ist es, die Interaktion zwischen einer Erdwärmesonde (EWS) und dem Untergrund zu bestimmen. Dabei wird mit einer EWS Wärme in den Untergrund eingebracht. Die Wärmeträgerfluidtemperatur wird standardisiert mit der Kelvinschen Linienquellentheorie ausgewertet, um die effektive thermische Leitfähigkeit des Untergrundes und den Bohrlochwiderstand der EWS zu bestimmen. Bei dieser Auswertung wird angenommen, dass sich Wärme rein konduktiv ausbreitet. In Grundwassergebieten kann zur Konduktion die Advektion als Transportprozess hinzukommen. Da der zusätzliche advektive Beitrag jedoch bei der Standardauswertung nicht aufgelöst wird, spiegeln sich signifikante Grundwasserfließgeschwindigkeiten in einer Überschätzung der eigentlichen thermischen Leitfähigkeit durch die effektive thermische Leitfähigkeit wider.

Wird nun die „Moving line source“ auf die gemessenen Temperaturen angepasst, kann auf die Grundwasserfließgeschwindigkeit rückgeschlossen werden. Trotzdem reicht eine einfache Parameteranpassung nicht aus, um einen korrekten Geschwindigkeit zu bestimmen. Dies liegt am hydraulischen Einfluss der EWS-Hinterfüllung, die eine deutlich geringere hydraulische Durchlässigkeit als der Aquifer besitzt. Um dies zu berücksichtigen, entwickelten wir unter Verwendung von numerischen Modellen einen Korrekturterm zur Anpassung der mit der „Moving line source“ bestimmten Ergebnisse. Da sich plausible Werte für die thermischen Parameter generell innerhalb von kleinen Spannen bewegen, lässt sich am Modell zeigen, dass der Wert der Filtergeschwindigkeit gut bestimmbar ist. Das heisst, das eigentlich geothermische Felderkundungsverfahren TRT kann bei Kenntnis des hydraulischen Gradienten dafür herangezogen werden, um eine tiefengemittelte hydraulische Leitfähigkeit des Untergrunds zu bestimmen.

Um die Auswertemethode zu validieren, werden zwei advektiv beeinflusste TRT-Datensätze herangezogen. Von beiden Standorten ist die hydraulische Durchlässigkeit bekannt. Ziel ist nun, diese Werte mit jenen der neuen TRT Auswertung zu vergleichen. Für den ersten TRT wird ein Tankversuch gewählt. In diesem Tankexperiment wurde ein geschichteter Aquifer nachgebildet (Abb. 1a). Der hydraulische Gradient kann in diesem Tank eingestellt werden. Der Standort des zweiten Experiments befindet sich in Schwanau (Baden Württemberg). Für die Durchführung dieses TRTs wurde eine 100 m tiefe EWS verwendet, die einen 68 m mächtigen Aquifer durchteuft (Abb. 1b). Die neue TRT-Auswertung ergibt jeweils hydraulische Durchlässigkeiten, die sich mit den Wertebereichen der hydraulischen Vergleichsmessungen decken. Die erfolgreiche Validierung zeigt, dass grundwasserbeeinflusste TRT-Datensätze nun verlässlich ausgewertet werden. Für viele der mehr als 1500 in Deutschland bisher durchgeführten TRTs ist es nun möglich, zusätzlich Grundwasserfließgeschwindigkeiten zu quantifizieren.

Schematischer Überblick über die beiden Experimente, die zur Validierung der neuen Auswertemethode verwendet wurden. a) TRT in einem geothermischer Großtankversuch; b) TRT an einer realen Erdwärmesonde (nach Wagner et al. (2014)).
Schematischer Überblick über die beiden Experimente, die zur Validierung der neuen Auswertemethode verwendet wurden. a) TRT in einem geothermischer Großtankversuch; b) TRT an einer realen Erdwärmesonde (nach Wagner et al. (2014)).



Wagner, V., P. Blum, M. Kübert, and P. Bayer (2013), Analytical approach to groundwater-influenced thermal response tests of grouted borehole heat exchangers, Geothermics, 46(0), 22-31, doi: 10.1016/j.geothermics.2012.10.005.

Wagner, V., P. Bayer, G. Bisch, M. Kübert, and P. Blum (2014), Hydraulic characterization of aquifers by thermal response testing: validation by large scale tank and field experiments, Water Resources Research, eingereicht.



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Letzte Änderung 31.10.2013