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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
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
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
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
Sachstand
Norbert Klaas: in-situ MessungenVEGAS-Kolloquium, Stuttgart, 06.10.2011 3
• 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
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
Projektverbund „geomatrix.bw“
Norbert Klaas: in-situ MessungenVEGAS-Kolloquium, Stuttgart, 06.10.2011 4
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.
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
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Projektverbund „geomatrix.bw“
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
Kopplung Nahfeld-Fernfeld
Kopplung Fernfeld-Nahfeld
Räum
liche Auslegung Messfeld
Nahbereich, Anforderungen an
Datendichte
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(T, Fließrichtung,Fließgeschwindigkeit)
AnalyseAnalyse
Geo
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AquiferAnlagen-
betrieb
VEGASVersuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung
„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
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Auswahlkriterien Feldstandorte
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• 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)
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Feldstandorte
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Kilchberg
Stuttgart (VEGAS)
Schwanau
Bad Wurzach
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Temperaturmessung
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Probennahme und Analytik
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Probennahme mittels Minidruckpumpen
Analysenparameter:
p/m-WertKationenAnionenGC-ScreeningSchwermetalleTOC/TIC
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Standort Schwanau
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- geschlossenes System- Porengrundwasserleiter- 30 EWS
- Temperatur-Sensoren eingebaut- Verhandlung mit Eigentümer wg. Verbleib
Messstellen bislang ergebnislos- Standort „auf Eis“
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Standort Kilchberg
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Referenzbohrung
E6 E7E5
Gru
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wasserströ
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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
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Standort Bad Wurzach
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- Molasse
- GW-Stauer bei 21m
- geschlossenes System
- eingebaute EWS –Betrieb seit ca. 2,5 a
- Firmengelände von Geothermie-Bohrfirma
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Temperaturausbreitung Bad Wurzach
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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
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Geochemie Bad Wurzach
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Längerer Beobachtungszeitraum notwendig!
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VEGAS-Großbehälter
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- bekannte Geometrie- Hydraulische Parameter bekannt- Gradient der GW-Strömung
präzise kontrollierbar- Heizen und Kühlen Möglichkeit zur genauen und
flexiblen Kalibrierung der numerischen Modelle
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Schichtaufbau VEGAS-Behälter
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~1 m/d
Seitenansicht
Draufsicht
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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
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Bewegung der Wärmefront
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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)
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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
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Danke für die Aufmerksamkeit!
www.vegas.uni-stuttgart.denorbert.klaas@iws.uni-stuttgart.de
Fragen?gefördert durch
das Umweltministerium Baden-Württemberg
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