Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme - QEWSplus

Abstract

Da mehr als 50 Prozent der Primärenergie in Deutschland für die Wärmeerzeugung verbraucht wird und auch ein zunehmender Kühl- und Kältebedarf zu verzeichnen ist, ist der Ausbau der geothermischen Wärme- und Kältebereitstellung ein wesentliches Ziel für eine zukünftige Energieversorgung mit erneuerbaren Energien und hoher Energieeffizienz (s. a. 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung [BMWi 18. Juni 2021]. Um dieses Ziel zu erreichen, ist neben einer technologischen Weiterentwicklung (Qualitätssteigerung) auch eine umfassende Qualitätssicherung bei der Planung, beim Bau und beim Betrieb der Systeme erforderlich. In diesem Verbundvorhaben wurden wichtige Aspekte der Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme (ONG-Systeme) behandelt, welche zum Abbau von Risiken, zur Reduzierung von Energiegestehungskosten, zur Steigerung der Effizienz- und Anlagenverfügbarkeit sowie zur Steigerung der Bekanntheit und öffentlichen Akzeptanz der Geothermie auf Basis wissenschaftlicher Ergebnisse beitragen können. Somit wurden direkt die wesentlichen Ziele des 7. Energieforschungsprogramms im Bereich Geothermie adressiert. In Teilprojekt 1 "Erweiterte thermische Testmethoden" ist ein In-situ-Mess- und Auswerteverfahren entwickelt worden, das die Überprüfung und Ermittlung der thermisch-energetischen Eigenschaften des gesamten geothermischen Quellensystems, inkl. Wärmepumpe bis hin zur Erzeugernutzwärmeabgabe an das Heizsystem, innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Das Verfahren macht zunächst Neuanlagen überprüfbar gegenüber der Planung. Somit kann die Anlagenverfügbarkeit gesteigert und ggf. eine Betriebsoptimierung durchgeführt werden. Weiterhin ist, analog zum Thermal-Response-Test (TRT) für EWS-Bauwerke, ein Verfahren für Erdwärmekollektoren herausgearbeitet worden, um dessen thermisches Verhalten im Untergrund zu charakterisieren und so Auslegungsberechnungen zu verbessern. Ebenso sind sogenannte Kurzzeit-Verfüll-Analyse-TRTs durchgeführt und quantifiziert worden, um deren Aussagekraft zur Qualitätskontrolle überprüfen zu können. Hierfür wird auf die bereits im vorangegangenen Vorhaben QEWS II [Karrer et al. 2020] eingesetzte Glasfasertemperaturmesstechnik und schwimmende Messtools sowie Ultraschallmessungen zurückgegriffen. Mit der Kombination aus, zur Verfügung stehendem TRT-Testequipment und Messtechnik (Temperatur, geometrische Lage der EWS-Rohre über die Tiefe) sowie experimentellen Untersuchungen der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Verfüllmaterial und Untergrund, ist eine aktive thermische Tomografie von Erdwärmesonden-Bauwerken durchgeführt worden. Die genannten Verfahren werden in der Förderbekanntmachung Angewandte nichtnukleare Forschungsförderung im 7. Energieforschungsprogramm "Innovationen für die Energiewende" [BMWi 18. Juni 2021] in Abschnitt 3.8.2 als förderwürdig genannt. In Teilprojekt 2 "Weiterentwicklung des TRT-Prüfgerätes" wurde das im Vorgängerprojekt QEWS II [Karrer et al. 2020] entstandene Prüfgerät für TRT-Geräte (Geräte zur Durchführung von Thermal-Response-Tests) weiterentwickelt. Das Testverfahren zielt darauf ab, zukünftig ein einheitlich hohes Niveau für TRT-Geräte in Deutschland zu gewährleisten. Dies führt in Folge zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung der untersuchten Anlagen, wie es ebenfalls in Abschnitt 3.8.2 [BMWi 18. Juni 2021] gefordert wird. In Teilprojekt 3 "Qualitätsanforderungen an Erdwärmesonden-Verfüllbaustoffe" wurde im Bereich Verfüllmaterialien direkt an die Ergebnisse aus QEWS II angeknüpft und wesentliche Aspekte der Qualitätssicherung beim Bau und Betrieb von Erdwärmesonden wurden adressiert. Insbesondere der Verfüllvorgang und die Materialeigenschaften von Verfüllbaustoffen unter möglichst realistischen Randbedingungen sind weiter systematisch untersucht worden. Dies ist eine wichtige Grundlage, um die Sicherheit und die Anlageneffizienz von Erdwärmesonden-Anlagen zu erhöhen, Ziele die im 7. Energieforschungsprogramm [BMWi 18. Juni 2021] im Abschnitt 3.8.2 genannt sind. Durch die genaue Untersuchung der Einflüsse auf eine mögliche, zeitlich veränderbare hydraulische Durchlässigkeit von Erdwärmesonden-Systemproben, sind Empfehlungen für die Planung, den Bau und den Betrieb von Erdwärmesonden abgeleitet worden. Damit wurde die im 7. Energieforschungsprogramm [BMWi 18. Juni 2021] im Abschnitt 3.8.5 genannte Risikominimierung erreicht. In Teilprojekt 4 "Multifunktionale Modellierung von oberflächennahen Geothermiesystemen" ist mit der Erweiterung planungspraktisch einfach anzuwendender Auslegungsmodelle für oberflächennahe Geothermiesysteme (ONG-Systeme) um unterschiedliche Systemkombinationen, Betriebsrandbedingungen und Anwendungsfälle eine Modell- und Auslegungsumgebung geschaffen worden, welche die Berechnung unterschiedlicher Quellensysteme und deren Kombination in konsistenter Art und Weise ermöglicht. Damit wird die Prognosesicherheit erhöht und finanzielle Risiken werden minimiert. Derartige Arbeiten sind u. a. in BMWi [18. Juni 2021] unter "3.8.5 Sicherheitsaspekte und Risikominimierung" als Forschungsschwerpunkt genannt.