Projekt 17013/01

Optimierung von Erdwärmesonden

Projektträger

Bayerisches Zentrum für angewandteEnergieforschung (ZAE Bayern) e. V.Abt. Wärmedämmung / Wärmetransport
Am Hubland
97074 Würzburg
Telefon: 0931/70564-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung dieses Projekts war die Optimierung der Erdwärmesonde für den Einsatz in Erdwärmesondenspeichern. Die Erdwärmesonde ist die zentrale Komponente eines Erdwärmesondenspeichers. Ihre Leistungsfähigkeit, d.h. die Fähigkeit große Wärmeleistungen zu übertragen, ist mit entscheidend für die Effizienz des ganzen Speichersystems. Für den wirtschaftlichen Betrieb muß eine Reduzierung der Bau- und Betriebskosten von Erdwärmesondenspeichern angestrebt werden. Die Konstruktionskosten können durch eine Optimierung des Speicheraufbaus und eine Verbesserung der Wärmeübertragung im Bereich der Erdwärmesonde verringert werden. Für kleinere Erdwärmesondenspeicher mit höheren Speichermitteltemperaturen ist eine solch optimale Bauweise besonders wichtig, um trotz größerer Wärmeverluste tolerierbare Speichernutzungsgrade zu erreichen. Weiterhin können neue Materialentwicklungen, z.B. der Einsatz von Mehrschichtverbundrohren, eine höhere Effizienz der Erdwärmesonden bewirken.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Optimierung der Erdwärmesonden wurde in folgender Reihenfolge durchgeführt: Simulationsrechungen mit Parameterstudie, Laborexperimente und schließlich Feldversuche. Speziell soll die thermische Effizienz der Erdwärmesonden in Abhängigkeit von der Sondenart, dem Rohrmaterial, dem Bohrlochdurchmesser, der Durchflussrichtung und den thermischen Eigenschaften des Bohrlochverfüllmate-rials untersucht werden. Neue Materialien für das Bohrlochverfüllmaterial und für das Sondenrohr sollen auf ihre Eignung getestet werden. In Anlehnung an die Punkte der Zielsetzung umfasste das Arbeitsprogramm folgende Schwerpunkte:
1. Numerische Simulationen und Berechnungen zum thermischen Verhalten, d.h. zur Wärmeübertrager-Effizienz, und zur Wirtschaftlichkeit einzelner Erdwärmesonden,
2. Experimentelle Untersuchungen zur Optimierung des Verfüllmaterials durch Graphit-Zusätze sowie Vergleich verschiedener Rohrmaterialien,
3. Laborversuche zum Vergleich der Wärmeübertrager-Effizienz ausgewählter Sondentypen
4. Feldversuche an zwei Sonden mit verschiedenen Designs am Standort Greußenheim
5. Aufzeigen der Einsatzmöglichkeiten von Erdwärmesondenspeichern insbesondere kleinerer und mittlerer Größe,
6. Beurteilung der geologischen Situation am Standort Greußenheim im Hinblick auf eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Standorte.


Ergebnisse und Diskussion

Das zukünftige technische Potential für den Einsatz von Erdwärmesonden bzw. Erdwärmesonden-Speicher wurde abgeschätzt. Das technische Gesamtpotential für derartige Systeme kann als erheblich betrachtet werden. Als Ergebnisse der geologischen Studie lässt sich feststellen, dass in Deutschland Erdwärmesonden-Speicher prinzipiell in etwa 30-40% der Gebiete gut zu realisieren sind. Durch eine Verbesserung der Speichertechnik ist zu erwarten, dass sich zukünftig dieser Prozentsatz noch erhöht. Der Speicherstandort Greußenheim ist in das obere Drittel der prinzipiell gut geeigneten Standorte einzuordnen.
Labormessungen belegen, dass durch eine Optimierung des Sondenverfüllmaterials dessen Wärmeleitfähigkeit verdoppelt werden kann. Das Maß der Erhöhung deckt sich mit den theoretischen Vorhersagen. Die Technikumversuche an kurzen Testsonden ergaben, dass sich durch den Einsatz von optimiertem Verfüllmaterial der Bohrlochwiderstand um ca. 20% reduziert. Die Vergrößerung des Schenkelabstands von 90 mm auf 120 mm ermöglicht eine Reduzierung des Bohrlochwiderstandes von ca. 30%. Durch die Verbesserungen des Erdwärmesonden-Verfüllmaterials sind merkliche Einsparungen im Gesamtssystem möglich. Wie Simulationsrechnungen zeigen, dürfte in diesen Fällen die zu erwartende Steigerung der Systemeffizienz bei konservativer Abschätzung zwischen ca. 8 und 20% liegen. Im Feld-experiment konnte aufgrund der Verwendung des thermisch optimierten Verfüllmaterials ThermoCem® und der Maximierung des Schenkelabstands eine Reduzierung des Bohrlochwiderstands von 40% im Vergleich zu einer Standardanordnung erreicht werden. Damit bestätigt das Feldexperiment die Ergebnisse der Labor- und Feldversuche.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Beitrag bei der 6. Geothermischen Fachtagung vom 18.-19.10.2000 in Herne
Hans-Peter Ebert, Dietrich Büttner, Volker Drach, Frank Hemberger, Christian Oberdorf und Jochen Fricke Optimierung von Erdwärmesonden
- Posterpräsentation im Rahmen der EXPO 2000 vom 01.06.2000 bis 31.10.2000


Fazit

Durch eine thermische Optimierung des Erdwärmesonden-Verfüllmaterials sind deutliche Einsparungen bezüglich der Investitionskosten möglich, d.h. bei gleicher Leistungsfähigkeit des Systems Erdwärmesonde können kürzere Erdwärmesonden installiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Charakteris-tika von technischen Anlagenkomponenten und der möglichen Bandbreite der thermischen Eigenschaften des Erdreichs ist die Steigerung in der Leistungsfähigkeit im jeweiligen Einzelfall zu bestimmen. Wie Simulationsrechnungen zeigen, dürfte in diesen Fällen die zu erwartende Steigerung der Systemeffizienz bei konservativer Abschätzung zwischen ca. 8 und 20% liegen. Die Verfüllung der Bohrung sollte deshalb mit einem thermisch optimierten Verfüllmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgenommen wer-den. Die Maßnahme ist dabei nicht wesentlich kostenrelevant, bezogen auf die Gesamtkosten des Systems. Beim Bau einer Erdwärmesonde muss außerdem darauf geachtet werden, dass ein größtmöglicher Schenkelabstand realisiert wird. So ermöglicht die Vergrößerung des Schenkelabstands von 90 mm auf 120 mm eine Reduzierung des Bohrlochwiderstandes um ca. 30%. In der Praxis sind bei der Wahl des Bohrlochdurchmessers technische und wirtschaftliche Gesichtspunkte abzuwägen. Dabei können die technischen Nachteile eines kleinen Bohrlochdurchmessers durch die Verwendung eines thermisch optimierten Verfüllmaterials mehr als kompensiert werden. Es wird festgestellt, dass entwickelte Verfahren, Materialien und Produkte zur Optimierung von Erdwärmesondenspeicher unter realistischen, praxisnahen Bedingungen überprüft und getestet werden müssen. Dabei ist es sinnvoll, diese Erfahrung an einem wohl bekannten System zu gewinnen. Die Errichtung eines Erdwärmesonden-Speichers zu Forschungs- u. Entwicklungszwecken in Greußenheim wäre deshalb wünschenswert.