EWS-tech: Projektübersicht und erste Ergebnisse zur Visualisierung des Verfüllvorgangs von Erdwärmesonden

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1 EWS-tech: Projektübersicht und erste Ergebnisse zur Visualisierung des Verfüllvorgangs von Erdwärmesonden Dipl.-Ing. Mathieu Riegger, M.Sc. Julian Rolker 13. OTTI Anwenderforum Oberflächennahe Geothermie am in Neumarkt i. d. OPf. Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Meitnerstr. 8 D Stuttgart

2 Das Forschungsprojekt EWS-tech 1. Ausgangssituation nach dem Forschungsprojekt EWSplus 2. Projektübersicht 3. Zielsetzung 4. Vorgehen 5. Planung der Technikumsversuche 6. Erste Ergebnisse zur Visualisierung des Verfüllvorgangs von Erdwärmesonden 7. Fazit nach der ersten Technikumsversuchsreihe und weiteres Vorgehen

3 1. Ausgangssituation nach dem Forschungsprojekt EWSplus Untersuchung von 20 Realmaßstabs- Erdwärmesonden hinsichtlich: Rohre zur Umwälzung des Wassers im Ringspalt Verlauf der Sondenrohre im Bohrloch Thermische Effizienz der Erdwärmesonden Verfüllqualität der Erdwärmesonden Eignung verschiedener Messverfahren zur Bestimmung der Verfüllqualität Erkenntnis: In zahlreichen der erstellten Erdwärmesonden war die Verfüllqualität nicht zufriedenstellend! 2-U-EWS (30 m) PE-Innenrohr Abfangschelle PVC-Außenrohr

4 2. Projektübersicht: Das Forschungsprojekt EWS-tech EWS-tech Weiterentwicklung der Erdwärmesonden-Technologie Projektpartner: Solites EIFER (European Institute for Energy Research) Institut für Angewandte Geowissenschaften Karlsruhe am KIT Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (MPA) Karlsruhe Industriepartner: Hersteller von Verfüllbaustoffen Hersteller von Misch- und Verpressanlagen Hersteller von Erdwärmesonden Regelmäßiger Einbezug des Arbeitskreis Baustoffe für Erdwärmesonden Projektstart: Projektlaufzeit: 2 Jahre Fördermittelgeber:

5 3. Zielsetzung Verständnis des Verfüllvorgangs und der Fehlstellenentstehung im Ringraum von Erdwärmesonden Mögliche Weiterentwicklung der eingesetzten Verfüllmaterialien und der eingesetzten Misch- und Verpresstechnik Handlungsempfehlungen zur qualitätsgesicherten Ausführung der Verfüllung von EWS Erarbeitung von allgemeinen Labor-Prüfbedingungen und -kriterien für Verfüllmaterialien Ermittlung von Verfüllsuspensions-Parametern, die auf der Baustelle überwacht werden können Vorschlag zur Festlegung der grundlegenden Informationen, die in allen Datenblättern der Verfüllmaterialhersteller enthalten sein müssen Wissenstransfer in die Praxis Ausarbeitung eines Systemdichtigkeitstests, der auch von Baustoffherstellern und anderen Prüflaboren (nicht nur AGW, EIFER und MPA) durchgeführt werden kann Grundlegende Erkenntnisse zur Langzeitstabilität von Verfüllbaustoffen unter dem Einfluss sulfataggressiver oder CO 2 -haltiger Grundwässer

6 4. Vorgehen in drei Stufen 1. Laboruntersuchungen Materialuntersuchungen u.a. der Frischmörtel und der ausgehärteten Baustoffe, die in den Stufen 2 und 3 eingesetzt werden. Untersuchungen zur Systemdurchlässigkeit insbesondere von EWS mit nichtsulfatbeständigem Zement bei sulfataggressivem bzw. CO 2 -haltigem Grundwasser 2. Technikumsversuche in einem oberirdischen, teilweise transparenten Prüfstand mit ca. 6 m Höhe (ca. 36 EWS) Visualisierung des Verpressvorgangs in einem transparenten Prüfstand Untersuchung einer großen Anzahl von Einflussfaktoren (vgl. folgende Folie) 3. Realmaßstabsversuche auf Basis einer Weiterentwicklung des Versuchsaufbaus aus dem Forschungsprojekt EWSplus (8 EWS) Vergleich der thermischen Effizienz von 2-U-Erdwärmesonden und von Koaxial- Erdwärmesonden Verifizierung der Erkenntnisse aus den Stufen 1 & 2 im Realmaßstab

7 4. Vorgehen Zur Erreichung der Ziele: Korrelation der Ergebnisse aus dreistufigem Vorgehen Als Ausgangsbasis für die Untersuchungen dienen die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt EWSplus Auswahl untersuchter Einflussfaktoren bei den Technikums-/Realmaßstabsversuchen: Art der Erdwärmesonde (2-U-Erdwärmesonde, Koaxial-Erdwärmesonde) Art des Verfüllmaterials Wasser-Feststoff-Verhältnis des Verfüllmaterials Verwendete Misch- und Verpressanlage Anmischzeit/-intensität Verpressdruck und -geschwindigkeit Gezogener/nicht gezogener Verpressschlauch Rauigkeit der Bohrlochwand

8 5. Planung der Technikumsversuche In Frage kommende transparente Rohrmaterialien: transparentes PVC Acrylglas (PMMA, Plexiglas ) Polycarbonat (PC) Ziel: Reduktion der Verbindungsstellenanzahl Schwierigkeit: Transparente Rohre sind in ausreichender Länge (6 m) nicht als Standardprodukt lieferbar Durchführung von Vorversuchen als Grundlage der Rohrauswahl am in Zusammenarbeit mit Firma Gertec und Firma HDG Umwelttechnik

9 Ablauf der Technikums-Vorversuche im PVC-Rohr 0 s 3 s 2 s 4 s

10 Visualisierung des Abbindevorgangs ist bei allen Rohren gut möglich! PMMA-Rohr PVC-Rohr PC-Rohr

11 Besandungsversuche Randbedingungen und Ergebnis: Test von drei verschiedenen Klebstoffen Verwendung von Quarzsand mit einer Körnung von 0,1 bis 0,5 mm Unabhängig vom Rohrmaterial: Beste Besandungsqualität mit 2-Kompenenten-Kleber (Epoxydharz und Härter) Fazit der Rohrauswahl: PMMA und PC sind auf Basis der Vorversuche gleichermaßen gut geeignet. PC weist bessere mechanische Eigenschaften auf, aber dessen Umwelteigenschaften werden kontrovers diskutiert. PMMA weist etwas bessere optische Eigenschaften auf. Daher: Verwendung von 6 m langen PMMA-Rohren der Maße 160 x 5 mm

12 6. Erste Ergebnisse zur Visualisierung des Verfüllvorgangs von Erdwärmesonden

13 Technikumsversuchsaufbau in der Versuchshalle des KIT

14 Visualisierung des Verfüllvorgangs von EWS 1-3

15 Volumenstrom [l/min] bzw. Temperatur [ C] Dichte [kg/l] bzw. Druck [bar] Datenerfassung während des Verfüllvorgangs von EWS ,0 70 3,5 60 3,0 50 2,5 40 2,0 30 1,5 20 1,0 Volumenstrom [l/min] 10 Temperatur [ C] Dichte [kg/l] 0,5 Druck [bar] 0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Zeit ab Verpressbeginn [min] Verpressdauer: 2,65 min Mittlere Mittlere Suspensionsdichte: 1,79 kg/l Suspensionstemperatur: 21,2 C Mittlerer Verpressvolumenstrom: 67,4 l/min Eingebrachtes Suspensionsvolumen:178 l

16 Visualisierung des Abbindevorgangs von EWS 1-4

17 Erfassung der Verfüllqualität (1)

18 Erfassung der Verfüllqualität (2)

19 Erfassung der Verfüllqualität (3)

20 7. Fazit nach der ersten Technikumsversuchsreihe Erfolgreiche Erstellung des Technikumsversuchsaufbaus in der Versuchshalle des KIT Der Versuchsablauf wurde erarbeitet und während eines Vorversuchs und der ersten Versuchsreihe erfolgreich getestet Optimierungspotenzial besteht insbesondere hinsichtlich der Datenerfassung während der Technikumsversuche Der Personalbedarf zur Durchführung der Versuche und gleichzeitigen Erfassung der Daten wurde anfangs unterschätzt. Die Ursache für die teilweise starken Schwankungen der von dem Coriolis- Messgerät gemessenen Verfüllsuspensions-Volumenströme ist zu klären. Es konnte gezeigt werden, dass Fehlstellen (wasser-/luftgefüllte Bereiche in der EWS-Verfüllung), die in dem Forschungsvorhaben EWSplus bei Realmaßstabsversuchen mit 30 m tiefen EWS beobachtet wurden, auch bei einer Verfüllstrecke von lediglich 6 m auftreten können.

21 7. Weiteres Vorgehen Korrelation der in den Technikumsversuchen festgestellten Verfüllqualitäten mit den Versuchsbedingungen (Art und W/F-Wert des Verfüllmaterials, Anmischzeit, Art der verwendeten Misch- und Verpressanlage, Verpressgeschwindigkeit, etc.), den visuellen Beobachtungen während des Verpressvorgangs und während des Abbindevorgangs, den während des Verpressvorgangs kontinuierlich (Verpressgeschwindigkeit, - druck, Dichte und Temperatur der Verfüllsuspension) und einmalig (Absetzmaß, Dichte und Marsh-Zeit der eingebrachten und austretenden Verfüllsuspension) erfassten Daten, den durch die MPA Karlsruhe bestimmten Verfüllsuspensionseigenschaften und den Ergebnissen der Realmaßstabsversuche. Erreichung der Ziele des Forschungsvorhabens (s.o.). Hierzu gehören u.a.: Erkenntnisse zur Fehlstellenentstehung im Ringraum von Erdwärmesonden Erarbeitung von Laborprüfkriterien und baustellentauglichen Prüfkriterien für Erdwärmesonden-Verfüllbaustoffe Handlungsempfehlungen zur qualitätsgesicherten Ausführung der Verfüllung von EWS

22 Weiteres Vorgehen: Vorläufiges Technikums-Versuchsprogramm VR 1 VR 2 VR 3 VR 4 VR 5 VR 6 VR 7 VR 8 Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 VB1, MA1, Koaxial-EWS opakes, innen besandetes VB1, MA1 VB1, MA1, Koaxial-EWS KG-Rohr VB1, MA1 opakes, innen besandetes KG-Rohr VB1, MA1 opakes, glattes KG-Rohr VB1, MA1 verkürzte Anmischzeit VB1, MA1 AH/ZH 1 m VB2, MA1 opakes, innen besandetes KG-Rohr VB2, MA1 opakes, glattes KG-Rohr VB2, MA1 verkürzte Anmischzeit VB3, MA1 VB1, MA1 gezogenes Verpressrohr VB1, MA1 verlängerte Anmischzeit VB1, MA1 trockenes Bohrloch VB2, MA1, Koaxial-EWS opakes, innen besandetes KG-Rohr VB2, MA1 gezogenes Verpressrohr VB2, MA1 verlängerte Anmischzeit VB3, MA1 W/F-Wert erhöht VB1, MA1 geringe Verpressgeschwindigkeit VB1, MA1 W/F-Wert erhöht VB1, MA2 VB2, MA1 VB2, MA1 hohe Verpressgeschwindigkeit VB2, MA2 VB3, MA2 VB1, MA1 hohe Verpressgeschwindigkeit VB1, MA1 W/F-Wert verringert (ggf. nicht verarbeitbar!) VB1, MA3 VB2, MA1, Koaxial-EWS VB2, MA1 W/F-Wert erhöht VB2, MA3 VB3, MA3 VR 9 VB4, MA1 VB4, MA2 VB5, MA1 VB5, MA2 VR: Versuchsreihe; VB: Verfüllbaustoff; MA: Mischanlage Konfiguration der Versuche (wenn nicht anders erwähnt): 2-U-EWS ohne Abstandshalter (AH) oder Zentrierhilfen (ZH); transparentes Hüllrohr mit glatter Bohrlochwand; Verpressung im Kontraktorverfahren im wassergefüllten Bohrloch mit mittlerer Verpressgeschwindigkeit; W/F-Wert und Anmischzeit des Verfüllmaterials nach Herstellerangaben

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!