Umweltforschung in Baden-Württemberg. Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2017

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1 Umweltforschung in Baden-Württemberg Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2017 am 22. und 23. Februar 2017 im Haus der Wirtschaft Stuttgart EWS-tech II von Mathieu Riegger, Julian Rolker Solites Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart Ingrid Stober, Hagen Steger Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) Michael Haist, Julian Link, Petra Schlager, Moritz Zemann Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (MPA Karlsruhe) Roman Zorn, Petra Huttenloch, Olaf Ukelis EIFER (European Institute for Energy Research), Karlsruhe Förderkennzeichen: L , L und L Die Arbeiten dieses Projekts werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg durchgeführt

2 EWS-TECH II KURZBERICHT PROJEKTNUMMERN L PROJEKTLAUFZEIT: 04/ /2018 BERICHTSZEITRAUM: 04/ /2016 INHALT 1. Kurzbeschreibung Aktueller Stand der Forschungsarbeiten... 1 Stuttgart/Karlsruhe den Das diesem Bericht zu Grunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Berichts liegt bei den Autoren.

3 AUTOREN DES ZWISCHENBERICHTS ZU DEM VERBUNDFORSCHUNGSVORHABEN EWS-TECH II Solites (Projektkoordinator) Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Dipl.-Ing. Mathieu Riegger, M.Sc. Julian Rolker Meitnerstr Stuttgart Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) Dr. Hagen Steger, Prof. Dr. Ingrid Stober Adenauerring 20b, Geb Karlsruhe Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (MPA Karlsruhe) Dr.-Ing. Michael Haist, Dipl.-Geol. Petra Schlager, Dipl.-Geoökol. Moritz Zemann, M.Sc. Julian Link Gotthard-Franz-Str Karlsruhe EIFER (European Institute for Energy Research) Dr. Roman Zorn, Dr. Petra Huttenloch, Dipl. Geol. Olaf Ukelis Emmy-Noether-Str Karlsruhe

4 1. KURZBESCHREIBUNG DES FORSCHUNGSVORHABENS 1 1. KURZBESCHREIBUNG DES FORSCHUNGSVORHABENS Das Verbundvorhaben EWS-tech II zielt auf Qualitätsverbesserungen bei der Erstellung von Erdwärmesonden, die vor dem Hintergrund aktueller Forschungsergebnisse und der vorliegenden, im Zusammenhang mit der Erstellung von Erdwärmesonden insbesondere in Baden- Württemberg aufgetretenen Schadensfälle dringend erforderlich sind. Die Analyse der aufgetretenen Schadensfälle zeigt, dass stockwerksübergreifende Bohrungen, die Grundwasserleiter unterschiedlicher Druckpotentiale verbinden und nicht durch eine adäquate Verfüllung abgedichtet werden, als besonders kritisch einzustufen sind. Daher bilden Untersuchungen zum Einfluss von Grundwasserflüssen auf die Verfüllqualität von Erdwärmesonden einen der Schwerpunkte des Forschungsvorhabens EWS-tech II. Hierzu werden drei sich ergänzende Versuchsaufbauten eingesetzt, so dass durch die Visualisierung und durch die quantifizierte Erfassung des Verfüll- und Aushärtevorgangs bei verschieden ausgeprägten Grundwasserströmungen sowie durch die Berücksichtigung der Bohrlochgeometrie/-rauigkeit und größenmaßstäblich realistischer Grundwasserstockwerksverbindungen eine umfassende Bewertung möglich wird. Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, einen kausalen, quantifizierten Zusammenhang zwischen Fehlstellen (wasser-/luftgefüllte Bereiche in der Verfüllung) und der Systemdichtigkeit von Erdwärmesonden abzuleiten. Bei den geplanten Versuchen werden vorzugsweise vier im Rahmen dieses Vorhabens neu entwickelte, magnetisch dotierte Referenz-Verfüllbaustoffe mit möglichst unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften eingesetzt, um den Zusammenhang zwischen den rheologischen Eigenschaften und der Verfüllqualität zu untersuchen und somit Kriterien für möglichst günstige Baustoffeigenschaften ableiten zu können. Die magnetische Dotierung der Verfüllbaustoffe ermöglicht es, die seit kurzem auf dem Markt verfügbaren miniaturisierten Suszeptibilitätsmesssonden auf Ihre Eignung für eine automatische Abdichtungsüberwachung des Verfüllvorgangs sowie eine Nachmessung zur Bestimmung der Verfüllqualität zu untersuchen. In Verbindung mit intensiven Untersuchungen an magnetisch dotierten Verfüllbaustoffen werden daraus Mindestanforderungen an die Dotierung und an die zugehörigen Überwachungstechniken des Verfüllvorgangs sowie an Langzeitüberwachungstechniken abgeleitet. Darüber hinaus werden in dem Verbund-Forschungsvorhaben EWS-tech II Basiskenntnisse zur Langzeitintegrität von EWS-Bohrungen in Gipskeuper-Quellbereichen und zum Einfluss von Druckluftbohrverfahren auf die Verfüllqualität von Erdwärmesonden erarbeitet. Aus den genannten Untersuchungsaspekten werden Anforderungskriterien an EWS- Verfüllbaustoffe abgeleitet, die in einem Empfehlungskatalog zusammengeführt werden. 2. AKTUELLER STAND DER FORSCHUNGSARBEITEN Die Unterzeichnung der Forschungsverträge der Projektpartner Solites und EIFER mit dem durch den Projektträger Karlsruhe vertretenen Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg erfolgte im Juni Die Forschungsverträge der Projektpartner MPA Karlsruhe (KIT) und AGW (KIT) konnten aufgrund vertragsrechtlicher Fragestellungen erst im Dezember 2016 unterzeichnet werden. Dennoch beteiligten sich die Projektpartner MPA Karlsruhe (KIT) und AGW (KIT) auch bereits vor Unterzeichnung des Vertrags an der Bearbeitung des Forschungsvorhabens EWS-tech II

5 2. AKTUELLER STAND DER FORSCHUNGSARBEITEN 2 und konnten hierdurch entscheidend dazu beitragen, Verzögerungen zu vermeiden, die eine deutliche Anpassung des Projektzeitplans zur Folge gehabt hätten. So kommt es aktuell zwar insbesondere in den vornehmlich durch die Projektpartner MPA Karlsruhe (KIT) und AGW (KIT) bearbeiteten Arbeitspaketen (A3, B2.1, C2.1) teilweise zu mehrmonatigen Verzögerungen. Diese Verzögerungen können jedoch gemäß des aktuellen Planungsstands im Verlauf des Projekts z.b. durch verstärkten Personaleinsatz wieder aufgeholt werden. Die bisher erfolgten Arbeiten werden nachfolgend zusammenfassend beschrieben. Ein ausführlicher Zwischenbericht wird entsprechend den Forschungsverträgen zum vorgelegt. Zur Abstimmung der Arbeiten fanden monatliche Projektbesprechungen unter Teilnahme aller Projektpartner statt. Im Rahmen des Arbeitspakets A2 erfolgte zunächst Marktrecherche hinsichtlich verfügbarer Magnetite. Anschließend wurden 9 verschiedene Magnetite beschafft, die unterschiedliche Körnungen und durch den Abbau in verschiedenen Lagerstätten auch unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Diese 9 Materialien werden in einem noch laufenden Labor- Prüfprogramm auf ihre Eignung zur Dotierung von EWS-Verfüllbaustoffen untersucht. Untersuchungsparameter hierbei sind beispielsweise die Korngrößenverteilung (Sieblinie) sowie relative und spezifische magnetische Suszeptibilitäten, die mit einem stationären Sensorsystem bestimmt werden. Die Auswahl und Beschaffung der verschiedenen Messsysteme zur Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten war Teil von Arbeitspaket C1.1. Im Rahmen des Arbeitspakets C1.2 wurden mit den beschafften Messsystemen bereits Untersuchungen an marktverfügbaren dotierten Verfüllbaustoffen durchgeführt. Diese Untersuchungen sollen im weiteren Projektverlauf entsprechend auf die zu entwickelnden Referenz-Verfüllbaustoffe ausgeweitet werden. Als Vorstufe zur Herstellung des ersten Referenz-Verfüllbaustoffs in Arbeitspaket A2 erfolgte die Dotierung eines marktverfügbaren EWS-Verfüllbaustoffs mit dem in den Voruntersuchungen ausgewählten Magnetit in unterschiedlichen Gehalten. Anhand des mit verschiedenen Magnetitanteilen dotierten marktverfügbaren EWS-Verfüllbaustoffs wurden erste Untersuchungen zum Einfluss des Dotierungsgehalts auf die magnetische Suszeptibilität angestellt. Die Fertigstellung der Rezeptur des ersten von vier Referenz-Verfüllbaustoffen erfolgt voraussichtlich im März Vorbereitend für die Erstellung des automatischen Abdichtungskontrollprüfstands (Arbeitspaket C2.1) ist im Januar 2017 ein Druckversuch mit dem für den Prüfstand präferierten transparenten Kunststoffrohr vorgesehen. Die für den Druckversuch erforderlichen Materialien wurden bereits vollständig beschafft. Der Druckversuch ist erforderlich, da die Hersteller von transparenten Kunststoffrohren (Polycarbonat, Polymethylmethacrylat bzw. Plexiglas ) keine verlässlichen Angaben zu maximal zulässigen Innendrücken angeben, weil die transparenten Kunststoffrohre üblicherweise nicht unter Innendruck eingesetzt werden. Der Prüfstand soll jedoch die Möglichkeit zur Aufbringung eines Innendrucks von bis 3 bar ermöglichen.

6 2. AKTUELLER STAND DER FORSCHUNGSARBEITEN 3 Der für die Technikumsversuche im Rahmen des Arbeitspakets B1 zu verwendende Versuchsuchsaufbau wurde im Zuge von Vorversuchen sukzessive entwickelt. Die Vorversuche dienten zudem dazu, die Versuchsrandbedingungen für die später folgenden Versuche festzulegen. Der entwickelte Versuchsaufbau und das Vorgehen zur Festlegung der Versuchsrandbedingungen durch Skalierung der Druckverhältnisse realer Bohrungen wurden am in einem Workshop mit in Baden-Württemberg tätigen Bohrunternehmen vorgestellt und diskutiert. Hinsichtlich des Versuchsaufbaus, der gewählten Versuchsrandbedingungen (Grundwasser- und Verfüllvolumenströme) und der Skalierung realer Druckverhältnisse in den Versuchsmaßstab gab es von Seiten der Bohrunternehmen keine Einwände. Die aus den Vorversuchen herausgearbeitete Herangehensweise wird somit auch für die weiteren Untersuchungen angewendet und der finale Technikumsprüfstand kann entsprechend aufgebaut werden. Die Erstellung des finalen Technikumsprüfstands im Rahmen von Arbeitspaket B1.3 ist aktuell in Bearbeitung. Interessant ist, dass bereits die durchgeführten Vorversuche einen Überarbeitungsbedarf der Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden nahelegen. Dieser bisher noch nicht abschließend belegte Überarbeitungsbedarf betrifft die Entscheidungsmatrix kritischer Stockwerksbau und die dieser Entscheidungsmatrix zu Grunde liegende Messung der Grundwasservolumenströme der angebohrten Grundwasserleiter. Zum einen ist die Messmethodik zur Bestimmung der Grundwasservolumenströme in den LQS EWS nicht hinreichend genau definiert und zum anderen sind die an dem Workshop teilnehmenden Bohrunternehmen einhellig der Meinung, dass die exakte Bestimmung des Volumenstroms des in das Bohrloch einströmenden Grundwassers mit den derzeitig zur Verfügung stehenden Mitteln (technisch als auch finanziell) nicht möglich ist. Die hieraus resultierenden Wünsche nach einer Verbesserung der Praktikabilität der LQS EWS werden vom EWS-tech II Projektkonsortium als Anregung bei der Erarbeitung möglicher Vorschläge zur Weiterentwicklung der LQS EWS berücksichtigt.