Novel methodology for measuring groundwater flow across borehole heat exchangers

Michalski, Alexander Jan; Clauser, Christoph (Thesis advisor); Amann, Florian (Thesis advisor); Villinger, Heinrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Grundwasserströmungsmessung kann für die Effizienz und Betriebsführung eines Erdwärmesondenfeld ein entscheidender Parameter sein, weil advektiver Wärmetransport Einfluss auf die Temperaturverteilung benachbarter Erdwärmesonden (EWS) haben kann. Daher sind Kenntnisse der hydrologischen Parameter des Untergrundes von hoher Bedeutung für dessen Betrieb und zwingend erforderlich für eine aussagekräftige Simulation des Langzeitverhaltens seiner wesentlichen Parameter. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messverfahren zur Bestimmung der Grundwasserströmung direkt an der Außenwand einer Erdwärmesonde vorgestellt. Als Voraussetzung für das neuartige Verfahren gilt es ein Messwerkzeug zu entwickeln, mit dem das Temperaturfeld in der unmittelbaren Umgebung der Erdwärmesonde gemessen werden kann. Denn die Temperaturverteilung ist direkt abhängig von der Grundwasserströmungsrichtung und dessen Stärke. Hierfür wird das Temperaturfeld in horizontalen Ebenen um die Erdwärmesonde mittels digitaler Temperatursensoren gemessen. Insbesondere soll kein zusätzlicher Markierstoff oder Temperaturquelle verwendet werden und das Strömungsfeld an der Erdwärmesonde nicht zu beeinflussen. Die Arbeit baut auf drei Veröffentlichungen auf die wie folgt gegliedert sind. Die erste Veröffentlichung ist ein Patent und fasst die Idee und ihre Anwendung zusammen. Darin werden die technischen Einzelheiten von der Datenerfassung bis zur Auswertung erörtert. Hier werden die einzelnen Komponenten aufgeführt und beschrieben. Die Temperatursensormodule (TSM) sind in horizontalen Ebenen aufgebaut bestehend aus Temperatursensorringen im Inneren und Außen an einer Erdwärmesonde. Dies ermöglicht die Messung der Temperaturverteilung an den Fluidrohren im Verfüllraum der EWS und an ihrer Außenwand. Digitale Temperatursensoren werden verwendet um eine hohe Flexibilität und Kaskadierung solcher horizontaler Messebenen zu ermöglichen. Die elektronischen Bauelemente werden möglichst einfach gestaltet um eine kostengünstige Messmethode zu etablieren. In der ersten wissenschaftlichen Veröffentlichung wird eine Sensitivitätsstudie der Messmethode und deren experimentelle Verifikation vorgestellt. Hierfür wurde ein Sandkasten-Versuchstand, gebaut in dem ein Prototyp des Temperatursensormoduls mit einem Abschnitt einer Erdwärmesonde unter realen Bedingungen getestet werden kann. Zwei Wassertanks an dem Sandkasten werden genutzt um Grundwasserströmung in verschiedener Stärke mittels eines hydraulischen Gradienten beliebig einstellen zu können. Die experimentellen Daten werden mit numerischen Simulationsergebnissen verglichen. Dafür wird mittels Finite-Differenzenmethode ein horizontaler Abschnitt des Versuchsaufbaus numerisch in 2D simuliert und die Ergebnisse gegen das Experiment verifiziert. Die numerische Sensitivitätsstudie hinsichtlich der Grundwasserströmungsrichtung und Grundwasserfließgeschwindigkeit legt das Auflösungsvermögen der neuen Messmethode fest. Als Ergebnis ist ein Parameterbereich definiert, in dem die neuartige Messmethode gültig ist. In der zweiten wissenschaftlich veröffentlichten Publikation wird das neue Messverfahren in einem existierenden Erdwärmesondenfeld angewendet und die Resultate mit den Ergebnissen eines kommerziellen optischen Brunnen-Messverfahren verglichen. Dafür ist an dem Erdwärmesondenfeld des E.ON Energy Research Center der RWTH Aachen University eine neu abgeteufte Erdwärmesonde mit Temperatursensormodulen ausgerüstet und in Betrieb genommen worden. Die Temperatursensormodule wurden entsprechend einem vorherig durchgeführten Enhanced Geothermal Response Test (EGRT) in den hydrologisch relevanten Tiefen installiert in denen advektiver Wärmetransport vermutet wird. In einem Versuchslauf wurde die Temperaturverteilung an und in der der Erdwärmesonde gemessen. Die Grundwasserströmungsparameter konnten aus numerischen Simulationen anhand der Methodik aus der ersten Veröffentlichung bestimmt werden. Die numerischen Simulationsergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den advektiv dominierten Bereichen des Wärmetransports aus dem EGRT. Auch im Vergleich zu der optischen Methode nach Schöttler (2000) ergibt sich eine ähnliche Größenordnung und die gleiche Richtung für die Grundwasserströmung. Im Fazit ist das hier vorgestellte neue Messverfahren geeignet, um Grundwasserströmung aus der Temperaturverteilung des Nahfeldes einer Erdwärmesonde zu bestimmen. Grundwasserströmung kann mit dem hier vorgestellten Verfahren bis zu einer Geschwindigkeit von wenigen Metern im Jahr gemessen werden und ist somit genauer als die meisten herkömmlichen Messmethoden. Die radial feinaufgelöste Messung der Temperaturverteilung innerhalb und außerhalb der EWS erlaubt es außerdem die thermischen Bedingungen innerhalb einer Erdwärmesonde zu studieren.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Numerische Geowissenschaften, Geothermie und Reservoirgeophysik [532610]