Experimentelle und numerische Untersuchung des Wärmetransfers von Hochtemperatur-Erdwärmesonden in permeablen wassergesättigten porösen Medien

Erdsondenwärmespeicher werden in der Regel in gering permeablem oder wenig durch Grundwasser durchströmtem Untergrund betrieben. Unter ungünstigen Verhältnissen kann die Effizienz solcher Systeme jedoch z.B. durch permeable, wasserführende Zwischenschichten beeinträchtigt werden. Diese Studie kombiniert experimentelle Arbeiten und numerische Simulationen zur Untersuchung des Einflusses solcher Störfaktoren auf Betrieb und Leistung von Erdwärmesonden (EWS).

Anhand eines Laboranalogs einer Koaxial-EWS in einem wassergesättigten Sandmedium in einer zylindrischen Speicherzelle mit einem Volumen von 1.4 m³ wurde hierzu eine Reihe von Wärmespeicherversuchen im Temperaturbereich zwischen 30 bis 90°C unter Überwachung der räumlich-zeitlichen Entwicklung des Temperaturfeldes in der Speicherzelle durchgeführt und hinsichtlich der erzielbaren Wärmetransferraten der EWS ausgewertet. Die Versuche bestanden jeweils aus einer sechstägigen Beladungsphase bis zum Erreichen stationärer Beladungszustände und Temperaturverteilungen gefolgt von dreitägigen Entladungsphasen bis zur vollständigen Auskühlung der Speicherzelle.

Die beobachteten Temperaturverteilungen zeigten in allen Versuchen ein Erreichen stationärer Beladungszustände innerhalb von vier Tagen mit Wärmetransferraten der EWS zwischen 0.1 und 0.5 kW. Für Beladungstemperaturen von 50, 70 und 90°C wurde eine deutliche vertikale thermische Stratifizierung innerhalb der Speicherzelle mit vertikalen Temperaturgradienten zwischen 10 und 28 K/m beobachtet, während bei 30°C keine Stratifizierung erkennbar war. Die Rayleigh-Zahlen im stationären Zustand lagen bei 10.61, 28.35, 52.25 und 76.45 und deuten somit insbesondere für die Versuche bei 70 und 90°C auf einen deutlichen Beitrag dichtegetriebener konvektiver Strömung auf den Wärmetransport hin. Zu dessen Quantifizierung wurde mit Hilfe des Strömungs- und Wärmetransportsimulators OpenGeoSys ein numerisches Modell der Speicherzelle erstellt, anhand des 70°C-Versuchs kalibriert und anhand der anderen Experimente erfolgreich verifiziert. Die Simulationen erlaubten die Bestimmung mittlerer vertikaler Fließgeschwindigkeiten in der Speicherzelle zwischen 0.1 m/d für den 30°C-Versuch und 0.6 m/d für den 90°C-Versuch und zeigen somit eine klare Zunahme konvektiver Strömung mit der Beladungstemperatur. Anhand zusätzlicher Szenariensimulationen unter rein konduktiven Bedingungen konnten im Vergleich Beiträge der Konvektion auf den Wärmetransfer der EWS von nur ca. 6% bei 30°C und 29, 31 sowie 42% bei 50, 70 und 90°C abgeleitet werden. Thermisch induzierte Konvektion führt somit einerseits zu einer Steigerung der Wärmetransferleistung der EWS bei hohen Speichertemperaturen, die daraus resultierende thermische Stratifizierung beeinträchtigt jedoch die Wärmerückgewinnung.