Praxiserfahrungen mit der Auswertung des Geothermal Response Tests

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1 Symposium 1 Jahre TRT in Deutschland Göttingen,.9.9 Praxiserfahrungen mit der Auswertung des Geothermal Response Tests Dipl.-Geol. Marc Sauer, Dipl.-Geol. Edgar Grundmann UBeG Dr. Mands & Sauer GbR Umwelt - Baugrund - Geothermie - Geotechnik Zum Boden 6, D-3558 Wetzlar, Tel.: T1 T Heater Data Aquisition Power Praxiserfahrungen mit der Auswertung des Geothermal Response Tests Der Geothermal-Response-Test dient in erster Linie zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit Thermischer Bohrlochwiderstand Ungestörte Erdreichtemperatur 1

2 T1 T Heater Data Aquisition Power Praxiserfahrungen mit der Auswertung des Geothermal Response Tests Der Geothermal-Response-Test dient in erster Linie zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit Thermischer Bohrlochwiderstand Ungestörte Erdreichtemperatur Die Auswertung der aufgezeichneten Daten lässt häufig Rückschlüsse auf weitere Faktoren zu, z.b.: Grundwassereinfluss (qualitativ) Qualität der Verfüllung Sondentiefe Tiefe der Schutzverrohrung Neben den eigentlichen Messdaten des GeRT werden hierfür die vor und nach der Aufheizphase gemessenen Temperaturprofile genutzt. Aufnahme von Temperaturprofilen vor der eigentlichen Testausführung ist mittlerweile Standard. PT1-Temperaturfühler Lichtlot mit Temperaturanzeige Druck-/Temperatursonden bzw. -logger

3 PT1-Temperaturfühler Lichtlot mit Temperaturanzeige Druck-/Temperatursonden bzw. -logger Temperatur kann in Echtzeit kontrolliert werden schnellere Messung möglich (geringe Eigenkapazität) oft leicht einzubringen aber schwer zu ziehen Automatische Aufzeichnung von Tiefe, Temperatur und Zeit Keine direkte Kontrollmöglichkeit Messung (sollte) länger dauern (wg. Eigenkapazität des Loggers) Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Jahreszeitlich beeinflusster Bereich kann ausgeblendet werden. Bei Bestimmung von T mit GeRT findet bereits Beeinflussung statt: Eigenwärme des Testgeräts Wärmeeintrag durch Umwälzpumpe Messung in Frankfurt, 4-9 3

4 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient Wenn der geotherm. Wärmefluss bekannt ist, kann über den Gradient die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden und umgekehrt. 1 (Wärmefluss = geotherm. Gradient x Wärmeleitf.) 1 Messung in Frankfurt, 4-9 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient Abkühlverhalten o GW-Einflüsse 4 Durch die Aufnahme von Temperaturprofilen nach Beenden der Aufheizphase lässt sich das Abkühlungsverhalten über die Sondentiefe bestimmen. 6 Tiefe [m] h nach Testende h nach Testende 3h nach Testende 4h nach Testende Messung in Hameln, 6-9 4

5 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient 9m Abkühlverhalten o GW-Einflüsse o Wechsel der Leitf. (Schichtwechsel) Braunkohle 1h nach Testende h nach Testende 3h nach Testende 1m Messung in Wiesbaden, 6-9 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient Abkühlverhalten o GW-Einflüsse o Wechsel der Leitf. (Schichtwechsel) o Rückschlüsse zur Verfüllung h nach Testende h nach Testende,5 h nach Testende Temperatur in C Messung in Sonneberg, -7 5

6 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient 9m Wärmeleitfähigkeit Verfüllung λ W/(m K) Abkühlverhalten o GW-Einflüsse o Wechsel der Leitf. (Schichtwechsel) o Rückschlüsse zur Verfüllung o Bohrlochdurchmesser (qualitativ) 46m 39m 4m Ton h nach Testende h nach Testende 3,h nach Testende 1,4 K,9 K 1,7 K Wärmeleitfähigkeit Untergrund λ =,4 W/(m K) K 1m Messung in Grebenstein, 1-8 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient Abkühlverhalten o GW-Einflüsse o Wechsel der Leitf. (Schichtwechsel) o Rückschlüsse zur Verfüllung o Bohrlochdurchmesser (qualitativ) o Sondentiefe Problem: Man weiß häufig nicht, ob der Sondenfuß erreicht ist oder ob Die EWS lediglich blockiert ist (z.b. Quetschung) 1 18 Messung in Neustadt, 9-9 6

7 Bestimmung der ungestörten Untergrundtemperaturen Bestimmung des geotherm. Gradient Abkühlverhalten o GW-Einflüsse o Wechsel der Leitf. (Schichtwechsel) o Rückschlüsse zur Verfüllung o Bohrlochdurchmesser (qualitativ) o Sondentiefe Problem: Man weiß häufig nicht, ob der Sondenfuß erreicht ist oder ob Die EWS lediglich blockiert ist (z.b. Quetschung) Fußpunktabkühlung: Am Sondenfuß fließt die Wärme auch nach unten ab Temperatursprung zw. letztem und vorletztem Messwert Messung in Neustadt, 9-9 Beispiel 1 - Burbach (53) Problem: Wasseraustritte am Sondenkopf. gespanntes Wasser dringt in den Sondenringraum ein und steigt nach oben. 7

8 EWS, Burbach,,5h nach Testende, 1h nach Testende, h nach Testende, 3h nach Testende, 4h nach Testende EWS, Burbach,,5h nach Testende, 1h nach Testende, h nach Testende, 3h nach Testende, 4h nach Testende Beispiel 1 - Burbach (53) Problem: Wasseraustritte am Sondenkopf. gespanntes Wasser dringt in den Sondenringraum ein und steigt nach oben. Erkundung: Nach Aufheizphase Tiefentemperaturprofile zur Lokalisation der Wasserzutritte 6m m Beispiel 1 - Burbach (53) Problem: Wasseraustritte am Sondenkopf. gespanntes Wasser dringt in den Sondenringraum ein und steigt nach oben. Erkundung: Nach Aufheizphase Tiefentemperaturprofile zur Lokalisation der Wasserzutritte 6m Maßnahme: Injektionsbohrungen in geringen Abstand bis in die Tiefe der lokalisierten Wasserzutritte. Einpressen einer abdichtenden Suspension EWS-Bohrung Injektionsbohrung Abstand zur EWS ca.,5 -m 1m 8

9 EWS, Burbach,,5h nach Testende, 1h nach Testende, h nach Testende, 3h nach Testende, 4h nach Testende 1h nach Testende h nach Testende 3h nach Testende 4h nach Testende Problem: Wasseraustritte am Sondenkopf. gespanntes Wasser dringt in den Sondenringraum ein und steigt nach oben. Erkundung: Nach Aufheizphase Tiefentemperaturprofile zur Lokalisation der Wasserzutritte Maßnahme: Injektionsbohrungen in geringen Abstand bis in die Tiefe der lokalisierten Wasserzutritte. Einpressen einer abdichtenden Suspension vor der Verpressung m Beispiel 1 - Burbach (53) nach der Verpressung Kontrolle: Wiederholung Aufheizphase und Ausführung von Temperaturprofilen 1m Beispiel - Osnabrück (375) 8 1m : :.1.7 9: : : Standardauswertung (Linienquelle) λ = 3,6 W/(m K) Rb =,65 (m K)/W : :.1.7 9: : : 6m Erwartete Wärmeleitfähigkeit nach Erfahrungswerten,5 W/(m K),5, : :.1.7 9: : : 1m 9

10 Beispiel - Osnabrück (375) 8 1m : :.1.7 9: : : Standardauswertung (Linienquelle) λ = 3,6 W/(m K) Rb =,65 (m K)/W : :.1.7 9: : : 6m Erwartete Wärmeleitfähigkeit nach Erfahrungswerten,5 W/(m K),5, : :.1.7 9: : : 4, 3,, : :.1.7 9: : : 1m Beispiel - Osnabrück (375) 8 Stufenweise Auswertung: Für jeden Zeitschritt wird bei gleichem Startzeitpunkt der Wärmeleitfähigkeitswert berechnet und in einem Graph gegen die Zeitachse dargestellt. Stabiles Testergebnis: 3 Stepwise Evaluation : :.1.7 9: : : : 6: 1: 18: : 6: 1: 18: : 6:. 1: 18: : 6: 1: 18: : 6: : :.1.7 9: : :,5, : :.1.7 9: : : 4, 3,, : :.1.7 9: : : 1

11 Beispiel - Osnabrück (375) 8 Stufenweise Auswertung: Für jeden Zeitschritt wird bei gleichem Startzeitpunkt der Wärmeleitfähigkeitswert berechnet und in einem Graph gegen die Zeitachse dargestellt. Stabiles Testergebnis: 3 Stepwise Evaluation : :.1.7 9: : : : 6: 1: 18: : 6: 1: 18: : 6:. 1: 18: : 6: 1: 18: : 6: 6 Grundwassereinfluss: 4 5, 4,5 4, Stepwise Evaluation : :.1.7 9: : : 3,,5,5, : 6: 1: 18: : 6: 1:. 18: : 6: 1: 18: : 6:,5, : :.1.7 9: : : 4, 3,, : :.1.7 9: : : Beispiel - Osnabrück (375) 8 Stufenweise Auswertung: Für jeden Zeitschritt wird bei gleichem Startzeitpunkt der Wärmeleitfähigkeitswert berechnet und in einem Graph gegen die Zeitachse dargestellt. Stabiles Testergebnis: 3 Stepwise Evaluation : :.1.7 9: : : : 6: 1: 18: : 6: 1: 18: : 6:. 1: 18: : 6: 1: 18: : 6: 6 Grundwassereinfluss: 4 5, 4,5 4, Stepwise Evaluation : :.1.7 9: : : 3,,5,5, : 6: 1: 18: : 6: 1:. 18: : 6: 1: 18: : 6:,5, Testergebnis noch nicht stabil, Messzeit muss verlängert werden: : :.1.7 9: : : 4, 3,,5 5, 4,5 4, 3,,5,5 Stepwise E valuation : :.1.7 9: : :, : 6: 1: 18: :. 6: 1: 18: : 6: 11

12 Beispiel - Osnabrück (375) m : :.1.7 9: : : : :.1.7 9: : : 6m Grundwassereinfluss,5, : :.1.7 9: : : 4, 3,,5 1h nach Testende h nach Testende 3h nach Testende : :.1.7 9: : : 1m Beispiel - Osnabrück (375) Temperatures [ C] Parametervariation Temperatures Wechsel G + U dann KSt 98,3 m Doppel-U 3mm Bohrdurchmesser: 146 mm (Mittel) Verrohrung: 63 m Verfüllung: therm. verbessert?? Heizleistung: 6113 W T: 1,5 C Die Linienquellentheorie geht von einem rein konduktiven Wärmetransport aus. Konvektiver Transport kann hierbei nicht berücksichtigt werden Time [hours] λ = 3, W/(m K); R b =,53 (m K)/W; SD =, Bei einem moderaten Grundwassereinfluss kann ggf. der vordere Abschnitt der Temperaturkurven zur Auswertung genutzt werden, da hier noch keine oder nur geringe Beeinflussung vorliegt. Da die stufenweise Auswertung kein stabiles Ergebnis zeigt, kann hilfsweise eine Parametervariation durchgeführt werden. Dabei werden unter Variation von λ und Rb (und Auswertezeitraum) mögliche Temperaturverläufe berechnet und den Messwerten gegenübergestellt. Um den Grad der Übereinstimmung zu quantifizieren, wird die Standardabweichung zwischen den berechneten Temperaturen und den gemessenen Temperaturen ermittelt. Es wird das Wertepaar (λ / Rb) gesucht, mit dem die Abweichung (Standardabweichung) berechnete Kurve zu gemessener Kurve möglichst gering ist. 1

13 Parametervariation Temperatures [ C] Temperatures Beispiel - Osnabrück (375) Wechsel G + U dann KSt 98,3 m Doppel-U 3mm Bohrdurchmesser: 146 mm (Mittel) Verrohrung: 63 m Verfüllung: therm. verbessert?? Heizleistung: 6113 W T: 1,5 C Time [hours] λ = 3, W/(m K); R b =,53 (m K)/W; SD =, Das Variationsdiagramm gibt einen Überblick über weitere plausible Wertepaare bzw. mögliche Lösungen Standard Deviation,1,9,8 grüner Bereich: < SD gelber Bereich: < 3SD roter Bereich: > 3SD Rb [(m x K)/W],7,6,5,4,3,,1,,4,6,8 3 3, Lambda [W/(m x K)] 3,4 3,6 3,8 Parametervariation Temperatures [ C] Temperatures Beispiel - Osnabrück (375) Wechsel G + U dann KSt 98,3 m Doppel-U 3mm Bohrdurchmesser: 146 mm (Mittel) Verrohrung: 63 m Verfüllung: therm. verbessert?? Heizleistung: 6113 W T: 1,5 C Time [hours] λ = 3, W/(m K); R b =,53 (m K)/W; SD =,48 Standard Deviation 3 Temperatures,1,9,8 Temperatures [ C] Rb [(m x K)/W],7,6,5,4, Time [hours] λ =,8 W/(m K); R b =,47 (m K)/W; SD =, ,,1,,4,6,8 3 3, Lambda [W/(m x K)] 3,4 3,6 3,8 13

14 Beispiel 3 - Frankfurt (447) Mittelwert VL+RL G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar : : : : : : : : Beispiel 3 - Frankfurt (447) Mittelwert VL+RL G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar : : : : : : : :,5, : : : : 14

15 Beispiel 3 - Frankfurt (447) Mittelwert VL+RL G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar : : : : : : : :,5, : : : :,5, : : : : Beispiel 3 - Frankfurt (447) Mittelwert VL+RL G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar : : : : : : : : Δ L(T) = α L ΔT Δ L(T) = Längenänderung infolge Temperaturänderung α = linearer Ausdehnungskoeffizient (PE:, mm/m K) L = Rohrlänge ΔT = Temperaturdifferenz Δ L(T) =, mm/mk 1 m 5 K = 5mm,5, : : : :,5, : : : : 15

16 Beispiel 3 - Frankfurt (447) Mittelwert VL+RL G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar : : : : : : : : Δ L(T) = α L ΔT Δ L(T) = Längenänderung infolge Temperaturänderung α = linearer Ausdehnungskoeffizient (PE:, mm/m K) L = Rohrlänge ΔT = Temperaturdifferenz Δ L(T) =, mm/mk 1 m 5 K = 5mm,5, : : : : Erwärmung um 5 K,5 ca. - 3 cm, : : : : m,7 K 1,4 K Beispiel 3 - Frankfurt (447) G, S, Braunkohle, Lehm, SSt 1 m Koaxial 63mm/4mm Bohrdurchmesser: 154,7 mm (Mittel) Verrohrung: 5 m Verfüllung: therm. Verb. ca. 1 m Heizleistung: 491 W T: 14, C Lambda: 1,4 W/m/K Rb: nicht bestimmbar 5m 8m 1h nach Testende h nach Testende 3h nach Testende 1,3 K,9 K Messungen zeigen: Tiefe der SV λ der Verfüllung > λ Gebirge Kein Einfluss von fließendem Grundwasser 9m 1m

17 Beispiel 4 - Bonn (436) m m Ton, Tst., G+S 14m Einfach-U, 4mm Bohrdurchmesser: 156 mm (Mittel) Verrohrung: m Verfüllung: k.a. k.a. Heizleistung: 4981 W T: 15,1 C Lambda:, W/(mK) Rb:,15 (mk)/w : : : : : : : : : : : : Ton 5 6 7,5 8, : : : : : : 4, 3, 9m 9,5 3h nach Testende,5 15m 1 h nach Testende 1h nach Testende, : : : : : : 11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 17

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