Grundwasserschutz bei flachen Geothermieanlagendurch ...
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<strong>Grundwasserschutz</strong> <strong>bei</strong> <strong>flachen</strong><br />
Geothermieanlagen<br />
durch automatische Leckagenerkennung<br />
und Flüssigkeitsrückspülung<br />
Stefan Wohnlich,<br />
Roman Scheliga<br />
Ruhr-Universität Bochum<br />
Lehrstuhl Angewandte Geologie<br />
Jürgen Bonin<br />
Umwelt & Technik, Xanten<br />
Geothermiekongress 2011<br />
Bochum, 15.-17. November 2011
Eine Verunreinigung des Grundwassers ist nicht zulässig und<br />
muß durch geeignete Vorsorgemaßnahmen ausgeschlossen<br />
werden (LAWA, 2002)<br />
Prof. Dr. S. Wohnlich: <strong>Grundwasserschutz</strong> <strong>bei</strong> <strong>flachen</strong> Geothermieanlagen –– Bochum 16.11.2011<br />
2
<strong>Grundwasserschutz</strong><br />
Begriffe nach LAWA + LABO, 2006<br />
Grundwasserverunreinigung<br />
• im Grundwasser die Geringfügigkeitsschwelle GFS überschritten<br />
• Die Geringfügigkeitsschwelle GFS: „nachteilige Veränderung der Eigenschaften des Grundwassers“ (WHG.)<br />
• Unerhebliche Veränderung der chemische Beschaffenheit des Grundwassers: wenn Werte unter der GFS<br />
aber über dem geogenen Hintergrund<br />
Grundwassergefährdung<br />
• Mit hinreichender Wahrscheinlichkeit in absehbarer Zeit eine Grundwasserverunreinigung<br />
und damit eine Störung der öffentlichen Sicherheit und Ordnung eintreten wird.<br />
Gefahr für das Grundwasser<br />
• Oberbegriff für die Begriffe "Grundwasserverunreinigung" und "Grundwassergefährdung„<br />
• Abwehr drohender als auch die bereits eingetretener Störungen<br />
Länderar<strong>bei</strong>tsgemeinschaft Wasser (LAWA) + Länderar<strong>bei</strong>tsgemeinschaft Boden (LABO) 2006:<br />
Grundsätze des nachsorgenden <strong>Grundwasserschutz</strong>es <strong>bei</strong> punktuellen Schadstoffquellen<br />
Prof. Dr. S. Wohnlich: <strong>Grundwasserschutz</strong> <strong>bei</strong> <strong>flachen</strong> Geothermieanlagen –– Bochum 16.11.2011<br />
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Anordnung von <strong>flachen</strong> Geothermieanlagen<br />
1. Sole-Wasser-Wärmepumpe<br />
mit Erdsonden<br />
2. Sole-Wasser-Wärmepumpe<br />
mit Erdkollektoren<br />
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Ort der Beurteilung:<br />
1. Ungesättigte Zone:<br />
Sickerwasser, bevor es auf<br />
das Grundwasser trifft<br />
2. Grundwasser: Kontakt<br />
Material – Grundwasser<br />
(Kontaktwasser)<br />
Ungesättigte Zone<br />
Ort der Beurteilung 1<br />
Ort der Beurteilung 2<br />
LAWA, 2002<br />
Grundwasser<br />
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Sole (Wasser-Glykol-Gemisch)<br />
Steigendes Risiko einer Kontamination des Grundwassers durch Glykol<br />
z.B. Glycolether<br />
3 (CH 2 ) 2 O + H 2 O ———> HOCH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O-CH 2 -CH 2 OH<br />
• Viskosität ist <strong>bei</strong>spielsweise sehr groß<br />
• Sehr gute Wasserlöslichkeit.<br />
hohe Siedetemperatur von 197 °C<br />
Toxizität:<br />
Die Verbindung sorgt für Übelkeit, Durchfall und<br />
Krämpfen, schädigt Leber, Niere und Gehirn.<br />
WGK I (gering Wassergefährdend)<br />
Schack-Kirchner 2000<br />
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Geothermieanlage ohne Geo-Protector<br />
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Funktionsschritte des Geo-Protectors<br />
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1. Der Voralarm<br />
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2. Der Hauptalarm und das Absaugen der Sole<br />
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3. Der Spülvorgang mit Trinkwasser<br />
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50 m Tiefe<br />
Der Versuchsaufbau<br />
Trinkwasserzufluss<br />
Auffangwanne<br />
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Erdsonde<br />
GW_Simulation<br />
Der Versuchsaufbau<br />
Leckagensimulation:<br />
Lochplatte<br />
1. Maximale Öffnung<br />
2. 2 mm Loch<br />
3. 1 mm Loch<br />
4. 0,2 mm Loch<br />
Spüldruck:<br />
1. 1 bar<br />
2. 4 bar<br />
Grundwasserstand:<br />
1. 2 m u. GOK<br />
2. 4 m u. GOK<br />
3. 6 m u. GOK<br />
4. Ohne Grundwasser<br />
Kugelhahn<br />
13
Ergebnisse<br />
Leckage Maximum<br />
Zeit – Druck Diagramm des am oberen Ende der<br />
Erdsonde installierten Ventil 1 (NA7) mit<br />
Leckage Maximum.<br />
Zeit – Druck Diagramm des am unteren Ende der<br />
Erdsonde installierten Ventil 3 (NA04) mit<br />
Leckage Maximum.<br />
14
Wassersäule [cm]<br />
Wassersäule [cm]<br />
Ergebnisse<br />
5 mm Leckage<br />
2500,00<br />
2500,00<br />
2000,00<br />
2000,00<br />
1500,00<br />
1000,00<br />
500,00<br />
V2 GW1=2m<br />
V2 GW2=4m<br />
V2 GW3=6m<br />
1500,00<br />
1000,00<br />
V3 GW1=2m<br />
V3 GW2=4m<br />
V3 GW3=6m<br />
0,00<br />
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00<br />
Zeit [s]<br />
500,00<br />
0,00<br />
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00<br />
Zeit [s]<br />
Ventil 2 mit 5 mm-Leckage<br />
15
Wassersäule [cm]<br />
Wassersäule [cm]<br />
Ergebnisse<br />
1 mm Leckage<br />
2500,00<br />
Öffnen der Leckage<br />
2500,0<br />
2000,00<br />
2000,0<br />
1500,00<br />
1000,00<br />
500,00<br />
Schließen der Leckage<br />
V1 GW1=2m<br />
V1 GW2=4m<br />
V1 GW3=6m<br />
1500,0<br />
1000,0<br />
500,0<br />
V2 GW1=2m<br />
V2 GW2=4m<br />
V2 GW3=6m<br />
0,00<br />
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00<br />
Zeit [s]<br />
0,0<br />
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00<br />
Zeit [s]<br />
Ventil 1 mit 1 mm-Leckage<br />
Ventil 2 mit 1 mm-Leckage<br />
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Auswirkung des Spüldruckes: 1 Bar<br />
Messung der Austrittsmengen an Sole <strong>bei</strong> 1 bar Spüldruck.<br />
Messung Ventil<br />
Leckage<br />
[mm]<br />
GW-<br />
Stand<br />
[m]<br />
Austrittsmenge<br />
Gemessen [l]<br />
Anteil<br />
Gesamt-<br />
Volumen<br />
[%]<br />
Austrittsmenge<br />
[l/min]<br />
1 1 0,2 - 0,06 0,05 0,0075<br />
2 1 1 - 1,9 1,60 0,2375<br />
3 3 0,2 - 0,13 0,11 0,0163<br />
4 3 2 - 24 20,24 3<br />
5 3 0,2 3,5 0 0 0<br />
6 3 1 3,5 2,15 1,81 0,2688<br />
7 3 2 3,5 11,3 9,53 1,4125<br />
17
Auswirkung des Spüldruckes: 4 Bar<br />
Messun<br />
g<br />
Ventil Leckage<br />
[mm]<br />
GW-<br />
Stand<br />
[m]<br />
Austrittsmeng<br />
e<br />
Gemessen [l]<br />
Anteil<br />
Gesamt-<br />
Volumen<br />
[%]<br />
Austrittsmenge<br />
[l/min]<br />
8 1 1 - 1,7 1,43 0,34<br />
9 3 1 - 3,8 3,20 0,76<br />
10 3 0,2 3,5 0 0 0<br />
11 3 1 3,5 2,0 1,68 0,40<br />
Messung Austrittsmengen an Sole <strong>bei</strong> 4 bar Spüldruck.<br />
18
Vergleich<br />
Messungen<br />
1 bar- / 4 bar-<br />
Spüldruck<br />
1 bar Spüldruck<br />
Austrittsmenge<br />
Gemessen [l]<br />
4 bar Spüldruck<br />
Austrittsmenge<br />
Gemessen [l]<br />
Differenz<br />
in Bezug<br />
auf das<br />
Gesamtvol<br />
umen [%]<br />
2 / 8 1,9 1,7 0,17<br />
5 / 10 0 0 0<br />
6 / 11 2,15 2,0 0,13<br />
Vergleich der gemessenen Austrittsmengen <strong>bei</strong> 1 bar und 4 bar Spüldruck.<br />
19
Spülanfang<br />
Spülende<br />
Druck-Zeitdiagramm <strong>bei</strong> 1bar-Spülung<br />
Druck-Zeitdiagramm <strong>bei</strong> 4bar-Spülung<br />
20
Schlussfolgerungen<br />
Anhand einer automatischen Drucküberwachung und Spülung kann die Gefahr von Austritten von<br />
„Sole“ in das Grundwasser auf ein Minimum reduziert werden.<br />
<strong>bei</strong> kleinen Leckagen: durchweg recht gering sind (Haarrisse und allmählich entstehende<br />
Undichtigkeiten)<br />
<strong>bei</strong> größeren Leckage: > 2mm Ø , Tiefe -40m (Sondenkopf) und fehlenden Gegendruck,<br />
max. 10 % des Gesamtvolumens während des Gesamtspülvorganges aus<br />
Spüldruck:<br />
1bar oder mit 4bar<br />
für die Austrittsmenge weniger entscheidend<br />
Spüldauer:<br />
<strong>bei</strong> höherem Druck geringer<br />
Totalschaden<br />
kann entsprechend mehr austreten.<br />
Absaugen ohne weiteres nicht möglich<br />
21
Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik<br />
Bachelor-Vortrag Roman Scheliga<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
22
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