TU Berlin

Geochemisches GemeinschaftslaborIntegralsonde

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Forschungsprojekt „Hocheffiziente Nutzung geothermischer Energie: Die Integralsonde II“

Das Projekt

Die Klimaschutzziele der Bundesregierung erfordern im Wärmebereich den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energie. Ein großes Potenzial für die Energiewende liegt in der Nutzung der oberflächennahen Geothermie. Anders als Photovoltaik- oder Windanlagen sind geothermische Anlagen grundlastfähig, erzeugen also kontinuierlich Energie, und können überdies als saisonaler Wärme- und Kältespeicher verwendet werden, die Sommer-Winter-Zyklen überbrücken.

Die Arbeit baut auf die Entwicklung eines ersten Typs der sogenannten Integralsonde auf, die Geo-En bereits abgeschlossen hat. Bei der Integralsonde handelt es sich um eine Grundwasserzirkulationsanlage. Die Integralsonde fördert Grundwasser, pumpt es für den Wärmeentzug durch die Wärmepumpe und leitet es in das gleiche Bohrloch wieder ein. Unterirdisch wird es einige Meter höher wieder eingeleitet als es entzogen wurde. So zirkuliert das Grundwasser im Gestein und entzieht diesem so viel Wärme, dass eine Integralsonde ausreicht, um ein innerstädtisches Mehrparteienhaus oder Bürogebäude zu heizen.

 

Funktionsweise

Der Grundwasserzirkulationsbrunnen kommt in quartären Aquiferen mit einer Mächtigkeit von 20 - 100 m mit geringem Flurabstand zum Einsatz. In einer Bohrung wird dem Aquifer Grundwasser entzogen, über eine Wärmepumpe geleitet und gleichzeitig wieder eingeleitet. Im Winter wird dem

Aquifer Wärme zum Heizen entzogen, im Sommer werden die konstanten Aquifertemperaturen zwischen 10 – 12 ° C zum Kühlen genutzt (Abb. 1). Dabei reicht ein Temperaturunterschied von 3 K zwischen Entnahme- und Einleittemperatur aus, um ein Mehrfamilienhaus zu versorgen.

 

 

Ziele   

Ziel des Projekts ist es, die Nutzung der oberflächennahen Geothermie mittels Zirkulationsbrunnen zu untersuchen. Dies soll in Einklang mit dem Grundwasserschutz geschehen, um die Permeabilität der Grundwasserleiter langfristig zu erhalten. Die Wechselwirkungen der Integralsonde mit dem Grundwasserleiter stehen dabei im Mittelpunkt unserer Forschung.

Die Standortauswahl für Integralsonden soll systematisiert und fundierte Prognoseregeln entwickelt werden. Nutzern, Behörden und Investoren sollen Prognosewerlzeuge an die Hand gegeben werden, die die jährliche Energiegewinnung, Alterungseffekte und Einflüsse auf Boden und Grundwasser präzise vorhersagen. Es sollen Regeln entwickelt werden, nach denen entschieden werden kann, ob und wie an einem bestimmten Standort eine Integralsonde realisiert werden kann.

In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Umweltmikrobiologie der TU Berlin und der Geo-En GmbH sollen die Auswirkungen des Betriebs von Zirkulationsbrunnen auf die Redoxzonierung des Aquifers untersucht werden.

 

Fragestellung

  1. Wie verändert der Betrieb der Integralsonde die hydraulischen und hydrochemischen Eigenschaften des Aquifers?
  2. Welche Strömungsgeschwindigkeiten treten im Aquifer durch den Betrieb der Integralsonde auf?
  3. Wie großflächig bilden sich die Temperaturunterschiede um die Integralsonde aus?
  4. Wie kann die Integralsonde optimiert werden, damit sich der Aquifer im Sommer-/Winterzyklus möglichst selbst wieder regeneriert?
  5. Wie können Korrosions- und Verockerungserscheinungen am Zirkulationsbrunnen minimiert werden?

 

Untersuchungsgebiet

Die Untersuchungen werden an mehreren bereits in Betrieb genommenen Integralsonden vom Typ I durchgeführt. Als erster Untersuchungsstandort wurde eine Integralsonde im südwestlichen Stadtgebiet von Berlin gewählt, die den quartären Porengrundwasserleiter bis auf 74 m u GOK erschließt. Beide Filterstrecken erschließen den mittelsandigen Aquifer unterhalb einer 4 m mächtigen Tonschicht, sodass die Vermischung mit oberflächennahem sauerstoffangereichertem Grundwasser vermieden wird.

 

Arbeitspakete Hydrogeologie

  • Analyse laufender Brunnensysteme mit Integralsonde Versuche mit reaktiven Tracern im Rahmen von Push-Pull-Tests
  • Laborversuche zu Verockerung und Korrosion
  • In-situ Analyse der Reaktionen und Prozesse im Umfeld der Integralsonde
  • Untersuchung hydrogeochemischer Anlaufprozesse neuer Brunnensysteme mit Integralsonde
  • Modellierung prozessabhängiger Einflüsse auf die Brunnenleistung und -alterung
  • Mikrobiologische Untersuchungen zu eisenreduzierenden Bakterien

 

Beteiligte und Kontakt

Geo-En Technologies GmbH, Schwedter Str. 9a, 10119 Berlin: Alexander Meeder, Winfried Reul, Moritz Muhrbeck

Geochemisches Gemeinschaftslabor, Hydrogeology Research Group, Institut für Angewandte Geowissenschaften, TU Berlin, Sekr. EB 10, Straße des 17. Juni 145, 10623 Berlin: Eva Dinkel , Traugott Scheytt

FG Umweltmikrobiologie,  TU Berlin, Sekr. BH 6-1, Ernst-Reuter-Platz 1, 10587 Berlin: Burga Braun, Ulrich Szewzyk

Projekthomepage Integralsonde II

Förderung

Das Vorhaben wird im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung eingerichteten Forschungsprogramm 01LY1507B „KMU-innovativ Ressourcen- und Energieeffizienz“ im Schwerpunkt „Energieeffizienz/ Klimaschutz“ gefördert und durchgeführt.

Die Arbeit baut auf die Entwicklung eines ersten Typs der sogenannten Integralsonde auf, die Geo-En bereits abgeschlossen hat. Bei der Integralsonde handelt es sich um eine Grundwasserzirkulationsanlage. Die Integralsonde fördert Grundwasser, pumpt es für den Wärmeentzug durch die Wärmepumpe und leitet es in das gleiche Bohrloch wieder ein. Unterirdisch wird es einige Meter höher wieder eingeleitet als es entzogen wurde. So zirkuliert das Grundwasser im Gestein und entzieht diesem so viel Wärme, dass eine Integralsonde ausreicht, um ein innerstädtisches Mehrparteienhaus oder Bürogebäude zu heizen.

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