Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zielsetzung dieses Projekts war die Optimierung der Erdw\u00e4rmesonde f\u00fcr den Einsatz in Erdw\u00e4rmesondenspeichern. Die Erdw\u00e4rmesonde ist die zentrale Komponente eines Erdw\u00e4rmesondenspeichers. Ihre Leistungsf\u00e4higkeit, d.h. die F\u00e4higkeit gro\u00dfe W\u00e4rmeleistungen zu \u00fcbertragen, ist mit entscheidend f\u00fcr die Effizienz des ganzen Speichersystems. F\u00fcr den wirtschaftlichen Betrieb mu\u00df eine Reduzierung der Bau- und Betriebskosten von Erdw\u00e4rmesondenspeichern angestrebt werden. Die Konstruktionskosten k\u00f6nnen durch eine Optimierung des Speicheraufbaus und eine Verbesserung der W\u00e4rme\u00fcbertragung im Bereich der Erdw\u00e4rmesonde verringert werden. F\u00fcr kleinere Erdw\u00e4rmesondenspeicher mit h\u00f6heren Speichermitteltemperaturen ist eine solch optimale Bauweise besonders wichtig, um trotz gr\u00f6\u00dferer W\u00e4rmeverluste tolerierbare Speichernutzungsgrade zu erreichen. Weiterhin k\u00f6nnen neue Materialentwicklungen, z.B. der Einsatz von Mehrschichtverbundrohren, eine h\u00f6here Effizienz der Erdw\u00e4rmesonden bewirken.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Optimierung der Erdw\u00e4rmesonden wurde in folgender Reihenfolge durchgef\u00fchrt: Simulationsrechungen mit Parameterstudie, Laborexperimente und schlie\u00dflich Feldversuche. Speziell soll die thermische Effizienz der Erdw\u00e4rmesonden in Abh\u00e4ngigkeit von der Sondenart, dem Rohrmaterial, dem Bohrlochdurchmesser, der Durchflussrichtung und den thermischen Eigenschaften des Bohrlochverf\u00fcllmate-rials untersucht werden. Neue Materialien f\u00fcr das Bohrlochverf\u00fcllmaterial und f\u00fcr das Sondenrohr sollen auf ihre Eignung getestet werden. In Anlehnung an die Punkte der Zielsetzung umfasste das Arbeitsprogramm folgende Schwerpunkte:
\n1. Numerische Simulationen und Berechnungen zum thermischen Verhalten, d.h. zur W\u00e4rme\u00fcbertrager-Effizienz, und zur Wirtschaftlichkeit einzelner Erdw\u00e4rmesonden,
\n2. Experimentelle Untersuchungen zur Optimierung des Verf\u00fcllmaterials durch Graphit-Zus\u00e4tze sowie Vergleich verschiedener Rohrmaterialien,
\n3. Laborversuche zum Vergleich der W\u00e4rme\u00fcbertrager-Effizienz ausgew\u00e4hlter Sondentypen
\n4. Feldversuche an zwei Sonden mit verschiedenen Designs am Standort Greu\u00dfenheim
\n5. Aufzeigen der Einsatzm\u00f6glichkeiten von Erdw\u00e4rmesondenspeichern insbesondere kleinerer und mittlerer Gr\u00f6\u00dfe,
\n6. Beurteilung der geologischen Situation am Standort Greu\u00dfenheim im Hinblick auf eine \u00dcbertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Standorte.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das zuk\u00fcnftige technische Potential f\u00fcr den Einsatz von Erdw\u00e4rmesonden bzw. Erdw\u00e4rmesonden-Speicher wurde abgesch\u00e4tzt. Das technische Gesamtpotential f\u00fcr derartige Systeme kann als erheblich betrachtet werden. Als Ergebnisse der geologischen Studie l\u00e4sst sich feststellen, dass in Deutschland Erdw\u00e4rmesonden-Speicher prinzipiell in etwa 30-40% der Gebiete gut zu realisieren sind. Durch eine Verbesserung der Speichertechnik ist zu erwarten, dass sich zuk\u00fcnftig dieser Prozentsatz noch erh\u00f6ht. Der Speicherstandort Greu\u00dfenheim ist in das obere Drittel der prinzipiell gut geeigneten Standorte einzuordnen.
\nLabormessungen belegen, dass durch eine Optimierung des Sondenverf\u00fcllmaterials dessen W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit verdoppelt werden kann. Das Ma\u00df der Erh\u00f6hung deckt sich mit den theoretischen Vorhersagen. Die Technikumversuche an kurzen Testsonden ergaben, dass sich durch den Einsatz von optimiertem Verf\u00fcllmaterial der Bohrlochwiderstand um ca. 20% reduziert. Die Vergr\u00f6\u00dferung des Schenkelabstands von 90 mm auf 120 mm erm\u00f6glicht eine Reduzierung des Bohrlochwiderstandes von ca. 30%. Durch die Verbesserungen des Erdw\u00e4rmesonden-Verf\u00fcllmaterials sind merkliche Einsparungen im Gesamtssystem m\u00f6glich. Wie Simulationsrechnungen zeigen, d\u00fcrfte in diesen F\u00e4llen die zu erwartende Steigerung der Systemeffizienz bei konservativer Absch\u00e4tzung zwischen ca. 8 und 20% liegen. Im Feld-experiment konnte aufgrund der Verwendung des thermisch optimierten Verf\u00fcllmaterials ThermoCem\u00ae und der Maximierung des Schenkelabstands eine Reduzierung des Bohrlochwiderstands von 40% im Vergleich zu einer Standardanordnung erreicht werden. Damit best\u00e4tigt das Feldexperiment die Ergebnisse der Labor- und Feldversuche.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
– Beitrag bei der 6. Geothermischen Fachtagung vom 18.-19.10.2000 in Herne
\nHans-Peter Ebert, Dietrich B\u00fcttner, Volker Drach, Frank Hemberger, Christian Oberdorf und Jochen Fricke Optimierung von Erdw\u00e4rmesonden
\n– Posterpr\u00e4sentation im Rahmen der EXPO 2000 vom 01.06.2000 bis 31.10.2000<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch eine thermische Optimierung des Erdw\u00e4rmesonden-Verf\u00fcllmaterials sind deutliche Einsparungen bez\u00fcglich der Investitionskosten m\u00f6glich, d.h. bei gleicher Leistungsf\u00e4higkeit des Systems Erdw\u00e4rmesonde k\u00f6nnen k\u00fcrzere Erdw\u00e4rmesonden installiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Charakteris-tika von technischen Anlagenkomponenten und der m\u00f6glichen Bandbreite der thermischen Eigenschaften des Erdreichs ist die Steigerung in der Leistungsf\u00e4higkeit im jeweiligen Einzelfall zu bestimmen. Wie Simulationsrechnungen zeigen, d\u00fcrfte in diesen F\u00e4llen die zu erwartende Steigerung der Systemeffizienz bei konservativer Absch\u00e4tzung zwischen ca. 8 und 20% liegen. Die Verf\u00fcllung der Bohrung sollte deshalb mit einem thermisch optimierten Verf\u00fcllmaterial mit hoher W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit vorgenommen wer-den. Die Ma\u00dfnahme ist dabei nicht wesentlich kostenrelevant, bezogen auf die Gesamtkosten des Systems. Beim Bau einer Erdw\u00e4rmesonde muss au\u00dferdem darauf geachtet werden, dass ein gr\u00f6\u00dftm\u00f6glicher Schenkelabstand realisiert wird. So erm\u00f6glicht die Vergr\u00f6\u00dferung 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 abzuw\u00e4gen. Dabei k\u00f6nnen die technischen Nachteile eines kleinen Bohrlochdurchmessers durch die Verwendung eines thermisch optimierten Verf\u00fcllmaterials mehr als kompensiert werden. Es wird festgestellt, dass entwickelte Verfahren, Materialien und Produkte zur Optimierung von Erdw\u00e4rmesondenspeicher unter realistischen, praxisnahen Bedingungen \u00fcberpr\u00fcft und getestet werden m\u00fcssen. Dabei ist es sinnvoll, diese Erfahrung an einem wohl bekannten System zu gewinnen. Die Errichtung eines Erdw\u00e4rmesonden-Speichers zu Forschungs- u. Entwicklungszwecken in Greu\u00dfenheim w\u00e4re deshalb w\u00fcnschenswert.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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