Linda Makni, Sascha Wilke, Hagen Steger, Roman Zorn, Christina Fliegauf, Philipp Blum

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1 Bestimmung der Einflussfaktoren und Vergleich der Wärmeleitfähigkeit im Labor und Feld am Beispiel eines Erdwärmesondentestfeldes im Schwarzwald, Deutschland Linda Makni, Sascha Wilke, Hagen Steger, Roman Zorn, Christina Fliegauf, Philipp Blum

2 Gliederung 1. Geographische Lage und geologische Einordnung des Testfeldes 2. Bohrprofil und Messtechnik 3. Gesteinscharakterisierung im Labor - Petrophysikalische Untersuchungen - Vergleich der Wärmeleitfähigkeit mit anderen Gesteinsparametern 4. Felduntersuchungen (Klassische Thermal Response Tests) 5. Vergleich der Wärmeleitfähigkeit im Labor und Feld 6. Zusammenfassung

3 1. Geographische Lage und geologische Einordnung o o Testfeld in Neuweiler ca. 45 km westlich von Stuttgart auf dem Gelände der Firma Burkhardt Bohrung in den Oberen und Mittleren Buntsandstein Quelle: googlemaps.com

4 2. Bohrprofil und Messtechnik - Testfeld Kreuzschichtung Einbau der Erdwärmesonde Heterogene Lage

5 3. Gesteinscharakterisierung im Labor Wärmeleitfähigkeit (gesättigt, ungesättigt) Porosität, Dichte (DIN EN 1936:27) Innere Porenoberfläche Mineralogie und Korngröße Permeabilität

6 Anzahl Proben 3. Gesteinscharakterisierung - Dichte 12 1 Mineral Dichte (g/cm³) 8 6 Quarz 2,65 Feldspäte 2,56-2,76 Glimmer 2,8-3,2 Mineralzusammensetzung: Quartz Feldspäte (Mikroklin) Glimmer (Biotit & Muskovit) Hämatit Rutil Illit 4 2 <2,65 2,65-2,7 2,7-2,75 2,75-2,8 2,8-2,85 Matrixdichte (g/cm³) Mean Dichte = 2,68 g/cm³ Hämatit 4,15 Ilmenit 4,5-5, Calcit 2,7 Quelle: Matthes, S. (21) Mineralogie, Springer Verlag, Berlin

7 Tiefe (m) Anzahl Proben 3. Gesteinscharakterisierung Porosität & Permeabilität 9 8 k f (m/s),e+ 1,E-6 2,E-6 3,E-6 4,E < > 25 6 Porosität (%) Min(k f ) = 1, m/s Max(k f ) = 3, m/s Mean(k f ) = 2, m/s Sehr schwach bis schwach durchlässig 8 1 Tiny Perm

8 λ horizontal (W/mK) 3. Gesteinscharakterisierung - Wärmeleitfähigkeit λ R² =,7819 o o Gründe für Anisotropie: Schichtung Tonlinsen λ Wasser =,6 W/mK 3 o λ Luft =,26 W/mK 2 R² =,796 o Korrelation von λ und der Sättigung des Gesteins erkennbar λ vertikal (W/mK) trocken gesättigt

9 λ (W/mK) 3. Gesteinscharakterisierung - λ vs. Dichte 5 Mineral λ (W/mK) R² =,1285 Quarz 1,36-12, Feldspat 2,11 Biotit 1,7-2,3 Muskovit,84-5,1 Hämatit 11,2 Tonminerale 2,9 Calcit 3,2-5,5 Rutil 5,12 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 Dichte (g/cm³) o Kein eindeutiger Zusammenhang von λ und Dichte erkennbar o Möglicher Grund: Heterogenität des Gesteins?

10 λ (W/mK) 3. Gesteinscharakterisierung - λ vs. Porosität R² =,3155 Nagaraju & Roy (214) Nabawy et al. (216) Brigaud & Vasseur (1989) Duchkov et al. (214) 4 Chen et al. (217) R² =,2117 R² =,5575 R² =,5272 R² =,74 R² =,3783 R² =, Porosität (%) Koňáková et al. (213) Neuweiler Negative lineare Korrelation von λ und der Porosität erkennbar

11 λ (W/mK) 3. Gesteinscharakterisierung - λ vs. Korngröße und Porosität 5 4 R² =,51 R² =, R² =,28 R² =,985 Negative lineare Korrelation λ und Korngröße deutlich erkennbar 1 R² =,58 R² =, Porosität (%) U/fS fs fs/ms ms ms/gs gs

12 λ (W/mK) 3. Gesteinscharakterisierung - λ vs. Innere Porenoberfläche R² =,3754 Negative lineare Korrelation von λ und der Porenoberfläche erkennbar Innere Porenoberfläche (m²/g)

13 4. Felduntersuchungen - Fluidgesteuerte TRT o TRT Oktober 217 Konvergenzkriterium nicht erfüllt o TRT November 218 o Auswertung nach VDI 464 Blatt 5 Modell der Linienquelle T f f = k ln t + m k = q 4 π λ λ = q 4 π k T f = Fluidmitteltemperatur ( C) q = Wärmeleistung (W/m) λ= Wärmeleitfähigkeit (W/mK) Dauer (Tage) q (W/m) TRT TRT ,8 64,

14 Tiefe (m) λ (W/mK) 4. Felduntersuchungen - Wärmeleitfähigkeit 2 λ (W/mK) λ TRT 218 4,58 W/mK 6 Vertikaler Grundwasserfluss? 5, ,5 71 m , Nov Dez Dez Dez Dez Dez Dez. 18 5m 3m 5m 71m 9m TRT

15 Tiefe (m) 5. Vergleich der Wärmeleitfähigkeit im Labor und Feld 2 λ (W/mK) o Oberer Bereich: Tonreiche Lagen, keine gute Übereinstimmung von λ ermittelt aus TRT und Labormessung 4 o Ab ~35 m Tiefe ähnlicher Trend zu beobachten 6 8 o λ trocken 2,46 W/mK λ gesättigt 4,22 W/mK λ TRT 218 4,58 W/mK trocken TRT 218 gesättigt 15

16 6. Zusammenfassung o Dichte: 2,68 g/cm³ o Porosität: 1-15 % o k f : Schwach bis sehr schwache Durchlässigkeit ( m/s) o Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit: In unserem Fall vernachlässigbar o Sättigungsgrad und Korngröße: starke Korrelation mit λ o Porenoberfläche: sichtbare Korrelation mit λ o Porosität und Matrixdichte: nur mäßige Korrelation mit λ o Gute Übereinstimmung der im Labor gemessenen und im TRT bestimmten λ in tieferen Bereichen

17 Vielen Dank ZAE Bayern Garching Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Dipl.-Phys. Manfred Reuß FKZ 3ET1386A-G Burkhardt GmbH Neuweiler Frank Burkhardt EIFER Karlsruhe European Institute for Energy Research Dr. Roman Zorn Solites Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Dipl.-Ing. Mathieu Riegger Karlsruhe Institut für Technologie Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) Dr. Hagen Steger enoware GmbH Karlsruhe Simeon Meier Linda Makni Emmy-Noether-Str Karlsruhe +49() Hochschule Biberach Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE) Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff