Geothermal Response Test

Oberflächennahe Geothermie und Geothermal Response Test

Als oberflächennahe Geothermie (oder Erdwärme) wird die Wärmeleistung bezeichnet, die vom Untergrund aus Erdwärmebohrungen bis zu 400 m Bohrtiefe bereitgestellt wird. Diese Einteilung ist willkürlich. Als Wärmeleistung wird nicht nur die Entzugsleistung (Heizen), sondern auch die Einspeiseleistung (Kühlen) bezeichnet, bei der Wärmeenergie in Untergrund abgeleitet wird (z.B. Klimatisierung von Räumlichkeiten im Sommer).

Der Untergrund (Thermofer) kann je nach Region sehr unterschiedlich beschaffen sein und zeigt das Abbild seiner erdgeschichtlichen Entstehung. Er kann aus Lockergesteinen (z.B. Kies, Sand, Schluff, Ton und deren Gemenge), Festgesteinen (z.B. Granit, Basalt, Kalk, Salz) oder organischen Ablagerungen (Humus, Torf, Kohle) aufgebaut sein. Die gesteinsspezifischen Charakteristika (z.B. mineralische Zusammensetzung, Dichte, Lagerung, etc.) bestimmen über die thermischen Eigenschaften der Gesteine (i.e. Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit).  Ebenfalls ist der Wassergehalt der Gesteine sowie die Grundwasserführung für die geothermische Nutzung von Bedeutung. In einer Bohrung, die zur Errichtung einer EWS abgeteuft wird, werden zumeist mehrere Gesteinstypen unterschiedlicher Wassergehalte/ -führung durchörtert. Die Leistungsfähigkeit einer EWS setzt sich aus den Einzelleistungen der durchörterten Gesteine und deren Beeinflussung durch deren jeweiligen Wassergehalt/ -führung zusammen.

Die thermische Leistungsfähigkeit des Thermofers limitiert die EWS und bestimmt die Größe der Wärmeenergie, welche im Jahresverlauf sowie in der Betrachtung von Jahrzehnten dem Thermofer entzogen und/ oder rückgespeist werden kann. In einem EWS-Feld beeinflussen sich die einzelnen EWS in Abhängigkeit von Abstand und relativer Lage zueinander. Von entscheidender Bedeutung für die effiziente langfristige Nutzung der Geothermie ist hierbei auch die Auslegung der Wärmepumpe oder anderer angeschlossener thermisch aktiver Bauteile (z.B. Vorlauftemperaturen von Kühldecken bei direct cooling). So entscheiden technische Belange im Zusammenspiel mit der Leistungsfähigkeit der EWS über die Dimensionierung einer geothermischen Anlage. Eine geothermische Anlage kann immer nur im Ganzen betrachet und bewertet werden.

Geothermal Response Test

Die Durchführung eines Geothermal Response Test (GRT) dient dazu, die gesteinsspezifischen Parameter (Leitfähigkeit, volumetrische Wärmekapazität) sowie den Wärmeübergangswiderstand der Bohrung zu ermitteln. Hierfür wird an einer bereits ausgebauten Bohrung eine Versuchsanlage angeschlossen. Mittels dieser Versuchsanlage wird über eine definierten Zeitraum (Versuchsdauer i. d. R. 36 - 72 Std.) der Betrieb der Erdwärmesonde (EWS) simuliert.

Die von uns eingesetzte Versuchsanlage wurde mit unseren langährigen Erfahrungen aus dem Anlagenbau und angeschlossener MSR-Technik entwickelt. Die anwendungsspezifischen Erfahrungen bei der Durchführung von GRT’s führten zu Ergänzungen und Sonderbauformen für spezielle Fragestellungen (z.B. Inline-Fühler zur Abschnittsmessung innerhalb einer EWS).

Technische Ausstattung der Versuchsanlagen und Versuchsdurchführung

Unsere GRT-Anlagen sind mit elektrischen Heizelementen ausgestattet. Die Heizelemente können je nach Bedarf zugeschaltet werden (z.B. 3 kW, 6 kW, 9 kW oder 12 kW) um den Eintrag des Wärmeimpulses der Messaufgabe anzupassen. Die Heizelemente sind mit Thermoschaltern (T max. 50 ° C) und Überhitzungsschutz versehen, sodaß eine Überhitzung des Systems und der angeschlossenen EWS ausgeschlossen werden kann. Die GRT-Anlage ist ebenfalls mit einem Membranausdehnungsgefäß und einem Überdruck-Ventil (Öffnungsdruck 2,5 bar) ausgestattet, um eine Schädigung der Anlagen durch Wärmeausdehnung auszuschließen.

Die Versuchsanlage wird über isolierte flexible Panzerschlauchleitungen hydraulisch mit der EWS gekoppelt und das System sorfältig entlüftet. Zur Entlüftung sind an Zu- und Abgängen automatische Entlüftungsventile eingebaut. Hierdurch ist eine schnelle und nachhaltige Entlüftung des Systems gewährleistet. Mittels der eingebauten Kreiselpumpe zirkuliert das Fluid (i. d. R. Wasser - ca. 1,2 m³/h) im Kreis und durchströmt die EWS und Versuchsanlage. In der Versuchsanlage wird der Volumenstrom gesamt, sowie der Teilstrom einer EWS-Schlaufe (Doppel-U-Sonde) gemessen und eine hydraulischer Abgleich der beiden U-Sonden-Rohre durchgeführt. (Der Abgleich muss erfolgen, da  sichergestellt sein muss, daß beide Schleifen gleichmässig durchströmt werden. Findet kein Abgleich statt, kann im Extremfall das gesamte Wasser in einer Schlaufe zirkulieren und es würde eine Sondenreaktion einer Einfach-U-Sonde gemessen - dies kann eine Abweichung bis ca. 15 % erzeugen!). Zur Durchflußmessung werden für den Gesamtdurchfluss und die Teilstromerfassung geeichte Ultraschall-Durchflußsensoren (MID Zulassung) eingesetzt.

Die Temperatur im Vor- und Rücklauf wird mittels paarweise abgeglichener und geeichter Temperaturfühler gemessen. Die Messung erfolgt inline (Die PT-Fühler sind in das Rohr eingebaut und werden vom Fluid umströmt). Ein Temperaturfühler des Paares ist im Messgehäuse des Durchflusssensors integriert, um Messfehler durch temperaturabhängige fluidspezifische Größen (Dichte, Wärmekapazität und Schallgeschwindigkeit) zu eliminieren. Die Ergebnisse der Durchflussmessung sind über das angeschlossene Rechenwerk entsprechend temperaturkompensiert.

Zur Qualitätssicherung werden die Temperaturen im und außerhalb des Gehäuses der Versuchsanlage aufgezeichnet, um zu dokumentieren, daß keine Beeinflussung der sensiblen GRT-Messung durch die klimatischen Umgebungstemperaturen stattfand (Messungen, bei denen sich der Tag-Nacht-Zyklus in der Messkurve durchpaust, sind für eine Auswertung nicht geeignet).

Die Messung von Durchfluss (Gesamt- und Teilstrom) sowie der Temperaturen erfolgt in vom Stromnetz entkoppelten Rechenwerken die mittels Batterie mit Spannung versorgt werden. Hierdurch ist ein Einfluss von Spannungsschwankungen auf die Messelektronik ausgeschlossen. Die Daten werden mittels Bus-Übertragung in einem Datenlogger aufgezeichnet. Eine Vorort-Anzeige gibt während der Messung Auskunft über die eingetragene Wärmeleistung (Momentan und Gesamt), über den Volumenstrom (Momentan und Gesamt) sowie die Temperaturen und die Temperaturdifferenz. Dadurch können die aktuellen Versuchsdaten jederzeit vor Ort kontrolliert und geprüft werden.