In-situ-Mess- und Monitoringtechniken bei Geothermieanlagen · TP3: Kosteneffiziente Messsysteme...

VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung

In-situ-Mess- und Monitoringtechniken bei Geothermieanlagen

VEGAS-Kolloquium „Flache Geothermie“

Stuttgart, 06. Oktober 2011

Norbert Klaas, Gerhard Bisch, Jürgen Braun


Risiken durch Geothermie?

Norbert Klaas: in-situ MessungenVEGAS-Kolloquium, Stuttgart, 06.10.2011 2

Brielmann et al. (2011)

Risiken durch Bohrungen Risiken für Aquifere

http://www.wdr.de/Fotostrecken/wdrde/Wissen/2009/11/geothermie.jsp


Sachstand


• Auswirkungen von Geothermieanlagen auf den Aquifer werden üblicherweise auf Grund von numerischen Modellrechungen abgeschätzt

• Tatsächliche Messwerte zur Temperaturausbreitung liegen kaum vor

• Es liegen auch kaum Felddaten vor zu Auswirkungen auf Geochemie und Mikrobiologie


Projektverbund „geomatrix.bw“


TP1: Ganzjährige Nutzung von Geothermie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden

Anlagenbau und Nahfeldbetrachtung der Energieübertragung zwischen Sonde und Aquifer (HFT Stuttgart, ZAFH)

TP2: Prozessmodellierung und Chancenanalyse oberflächennaher Erdwärme in Baden-Württemberg

Betrachtung der Einflüsse von Wärmesonden auf das Fernfeld: Nachhaltigkeit, gegenseitiger Einfluss von Sonden, Einfluss von Leakagen auf das Grundwasser (Uni Tübingen, ZAG KIT, Karlsruhe)

TP3: Kosteneffiziente Messsysteme und Konzepte zur Überwachung oberflächennaher Erdwärmenutzung

Bereitstellung von Messtechnik und Messkonzepten zur Validierung und Verifizierung der numerischen Modelle (Uni Stuttgart, VEGAS)

Interdisziplinäre Untersuchung ausgewählter „flacher“ Erdwärmeanlagen, um sowohl die Effizienz des Wärmeübergangs in den Sonden als auch die Auswirkung von solchen Anlagen auf den Aquifer zu beschreiben.



Projektverbund „geomatrix.bw“


Kopplung Nahfeld-Fernfeld

Kopplung Fernfeld-Nahfeld

Räum

liche Auslegung Messfeld

Nahbereich, Anforderungen an

Datendichte

Räu

mlic

he A

usle

gung

Mes

sfel

d

Fern

bere

ich,

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(T, F

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Flie

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indi

gkei

t)Modell-Eingangsdaten N

ahbereich

(T, Fließrichtung,Fließgeschwindigkeit)

AnalyseAnalyse

Geo

chem

ie

AquiferAnlagen-

betrieb


„geomatrix.bw“ - Ziele

– Wissenschaftliche Begleitung von Geothermieanlagen

– Standortauswahl anhand geohydrologischer Gegebenheiten,Absicht: möglichst verschiedene Anlagentypen

– Von TP1 und TP2 zu entwickelnden numerischen Modelle werden durchdie Ergebnisse der begleitenden Messtechnik (TP3) validiert und verifiziert

– Erarbeitung von Monitoringkonzepten

– Gewinnung eines erweiterten Prozessverständnisses für Einrichtungund Betrieb geothermischer Anlagen

– Minimierung des potentiellen Risikos der Erdwärmenutzung

– Verbesserung der Einsatzmöglichkeiten



Auswahlkriterien Feldstandorte


• Bereitschaft des Betreibers zur Kooperation

• Möglichst Abdeckung aller Varianten und geologischer Situationen

• Zeitliche Synchronisation mit Projektlaufzeit

• Vorerkundung ausreichend

• Klärung rechtlicher Fragen

– Verbleib der Einbauten nach Projektlaufzeit

– Probleme mit Stiftungsrecht (Datenweitergabe)

• Anforderungen aus modelltechnischer Sicht (exakte Lage der EWS)


Feldstandorte


Kilchberg

Stuttgart (VEGAS)

Schwanau

Bad Wurzach


Temperaturmessung



Probennahme und Analytik


Probennahme mittels Minidruckpumpen

Analysenparameter:

p/m-WertKationenAnionenGC-ScreeningSchwermetalleTOC/TIC


Standort Schwanau


- geschlossenes System- Porengrundwasserleiter- 30 EWS

- Temperatur-Sensoren eingebaut- Verhandlung mit Eigentümer wg. Verbleib

Messstellen bislang ergebnislos- Standort „auf Eis“


Standort Kilchberg


Referenzbohrung

E6 E7E5

Gru

nd

wasserströ

mu

ng

srichtu

ng

Gru

nd

was

ser

.-st

röm

un

gs

ric

htu

ng

E3 E2

8x Pt-1000

8x Pt-1000

8x Pt-1000

8x Pt-1000

E4

• Private Anlage

• Offenes System

• Aquifer von 2 - 8m, wassererfüllt von 5 - 8m

• Strömungsrichtung schwankt evtl. wg. Stauwerk

• Standort wird wegen schwankender Grundwasserfließrichtung im Moment nicht betreut

N


Standort Bad Wurzach


- Molasse

- GW-Stauer bei 21m

- geschlossenes System

- eingebaute EWS –Betrieb seit ca. 2,5 a

- Firmengelände von Geothermie-Bohrfirma


Temperaturausbreitung Bad Wurzach


01.01.11 01.02.1110.11.10 01.12.10

Geologie

04.03.11 08.04.1118.05.11 01.06.11

Umschaltung von Gebäude Heizung auf Kühlung Ende Mai

01.09.11 01.10.11


Geochemie Bad Wurzach


Längerer Beobachtungszeitraum notwendig!


VEGAS-Großbehälter


- bekannte Geometrie- Hydraulische Parameter bekannt- Gradient der GW-Strömung

präzise kontrollierbar- Heizen und Kühlen Möglichkeit zur genauen und

flexiblen Kalibrierung der numerischen Modelle


Schichtaufbau VEGAS-Behälter


~1 m/d

Seitenansicht

Draufsicht


Norbert Klaas: Temperaturausbreitung im Grundwasserleiterfortbildungsverbund BW, Stuttgart, 11.5.2011 18

Bewegung der Wärmefront

QEWS : 750 L/h )T : 0,9 K Tzu : 35 °C



Bewegung der Wärmefront



Bewegung der Wärmefront - Modellrechnung

2D Temperaturfeld

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 12 24 36 48 60x [m]

y [m]

3 K Isotherme 4 K Isotherme 5 K Isotherme

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

6,5

-8,75 -5,2 -1,7 1,8 5,3 8,8

y [m]

∆T

[°C

]

x = 8 m (5K)

x = 10 m (4K)

x = 11 m (3K)

Temperaturprofil bei y = 0 m nach 18 Tagen

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

6,5

0 3 6 9 12 15

x [m]

∆T

[°C

]

Berechnung mit dem Programm: Grundwasserwärmepumpen (GWP-SF_09.05)



Zusammenfassung

• Es gibt wenige echte Messdaten aus Aquiferen bei Geothermieanwendungen, meist werden die Auswirkungen durch numerische Modelle abgeschätzt (und überschätzt?)

• Der Projektverbund „geomatrix.bw“ versucht durch die Kombination von Messprogrammen und auf die Standorte abgestimmten Modellrechnungen die Kenntnisse zu verbessern

• Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von Monitoring-Strategien für größere Messfelder

• Die Auswahl von geeigneten Testfeldern war und ist schwierig, esmussten rechtliche Fragen geklärt werden

• Nach den bislang vorliegenden Erkenntnissen sind die Temperaturfahnen deutlich kürzer als 50 m

• Veränderungen im Grundwasserchemismus können erst nach der nächsten Heizperiode beurteilt werden


Danke für die Aufmerksamkeit!

[email protected]

Fragen?gefördert durch

das Umweltministerium Baden-Württemberg


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