Thermischer Bohrlochwiderstand

Ein Maß für die Qualität von Verpressarbeiten an Erdwärmesonden

Die Verpressung von Bohrlöchern bei Erdwärmesonden sorgt in jüngster Zeit für rege Diskussionen in der Branche. Dabei stehen Aspekte des Grundwasserschutzes im Vordergrund. Jedoch spielt die Beschaffenheit des Verpressmaterials und die Qualität des Verpressvorgangs auch eine wichtige Rolle bei der Effizienz der Anlagen. Mit der Ermittlung des thermischen Bohrlochwiderstands steht ein Parameter zur Verfügung, der eine Bewertung der Güte der Verpressung vor dem Hintergrund der Effizienz des Gesamtsystems zulässt.

Einer wirtschaftlichen Erdwärmeanlage geht eine korrekte Dimensionierung der Sonden bzw. des Sondenfeldes voraus. Dabei werden für die Berechnungen und Simulationen in erster Linie gesteins- und anlagenspezifische Parameter zu Grunde gelegt. Bei größeren Projekten und den damit verbundenen höheren Gesamtbohrmetern ist es sinnvoll, die gesteinsspezifischen Parameter durch Feldversuche, wie dem Thermal Response Test (TRT) oder durch Temperatur-Logs, genauer zu ermitteln.

Ein vernachlässigter Parameter

Abb. 1 - Einflussfaktoren auf den thermischen Bohrlochwiderstand

Neben den Angaben zur Wärmeleitfähigkeit und zur Untergrundtemperatur gibt der Test auch Auskunft über den thermischen Bohrlochwiderstand – ein bisher eher vernachlässigter Parameter des TRT. Der thermische Bohrlochwiderstand beschreibt den Widerstand, der dem Wärmefluss von der Quelle (dem Untergrund) zur Senke (dem zirkulierenden Fluid im Sondenrohr) entgegengesetzt wird – oder kurz: Wie gut wird die Wärme vom Erdboden zur Sole geleitet?

Dieser Widerstand ist von einer Reihe von Faktoren abhängig (Abb. 1). Dabei spielen natürlich insbesondere die Wärmeleitfähigkeiten des Gesteins, des Verpressmaterials und der Erdwärmesonde eine Rolle. Zusätzlich sind die Strömungsverhältnisse des Wärmeträgermittels (laminar oder turbulent) und die Wärmeübergänge an den Grenzflächen von Bedeutung. Darüber hinaus ist auch die Lage der Sondenrohre innerhalb des Bohrlochs wichtig, d.h. in den Extremfällen berühren sich die Sondenrohre (thermischer Kurzschluss – negativ) oder sie liegen an der Bohrlochwandung an (positiv). 

Diese kombinierten Faktoren – also der thermische Bohrlochwiderstand – haben Auswirkungen auf die erforderliche Sondenlänge zur nachhaltigen Deckung des Wärmebedarfs. D.h., ist der Widerstand gering, können Bohrmeter und somit Investitionskosten gespart werden.

Abb. 2 - Zeitliche Entwicklung der Bohrlochwiderstände
Abb. 3 - Vergleich der thermischen Bohrlochwiderstände verschiedener Verfüllbaustoffe
Abb. 4 - Abhängigkeit des ermittelten Bohrlochwiderstandes vom effektivenBohrlochdurchmesser

Erkenntnisse aus praxisnaher Studie

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Geophysik und Geoinformatik der TU Berg­akademie Freiberg wurden die Ergebnisse von über 300 Thermal Response Tests, die die geoENERGIE Konzept GmbH in den vergangenen 7 Jahren durchgeführt hat, statistisch ausgewertet. Dabei konnten deutliche Zusammenhänge zwischen dem ermittelten Bohrlochwiderstand und den Eigenschaften der verwendeten Verfüllbaustoffe bzw. der Qualität der Verpressung aufgezeigt werden.

Die in der Studie betrachteten Verfüllbau­stoffe kann man hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit prinzipiell in zwei Gruppen unterscheiden: 

  • klassische Baustoffe (0,8 W/m,K)

  • thermisch verbesserte Materialien (2,0 bis 2,4 W/m,K).

Generell ist seit 2007/08 ein Trend zur Verringerung der Bohrlochwiderstände zu verzeichnen, was am verstärkten Einsatz thermisch verbesserter Verfüllbaustoffe liegt. (siehe Abb. 2)

Betrachtet man die Bohrlochwiderstände einzelner Baustoffe (Abb. 3), fallen die Werte bei den klassischen Baustoffen erwartungsgemäß höher aus als bei den thermisch verbesserten Materialien. Der Bohrlochwiderstand bei den thermisch verbesserten Materialien (120 Messwerte) liegt im Mittel bei ca. 0,08 K*m/W, während er bei den herkömmlichen Materialien (41 Messwerte) mit ca. 0,10 K*m/W signifikant höher liegt. Zwei weitere der verbesserten Materialien (V5 und V7, insgesamt 53 Messwerte) ordnen sich mit ihren Bohrlochwiderständen von 0,091 K*m/W und 0,103 K*m/W eher im Bereich der klassischen Baustoffe ein und erfüllen somit nicht die Anforderungen. 

Betrachtet man die Bohrlochwiderstände hinsichtlich der ausführenden Bohrunternehmen, lassen sich dort ebenfalls relevante Unterschiede erkennen. Besonders bei zunehmenden Bohrlochdurchmessern wirkt sich eine qualitativ mangelhafte Verpressung negativ auf den Bohrlochwiderstand aus.

Weiterhin kann herausgestellt werden, dass der Einsatz von thermisch verbesserten Verfüllbaustoffen bei zunehmendem Bohrlochdurchmesser das Risiko eines zu hohen Bohrlochwiderstandes reduziert. Abbildung 4 zeigt die Abhängigkeit des ermittelten Bohrlochwiderstandes vom effektiven Bohrlochdurchmesser, d.h. mit zunehmendem Durchmesser steigt der Widerstand. Klar zeigt sich aber auch, dass die Zunahme bei den verbesserten Materialien geringer ausfällt und damit einen geringeren Einfluss auf das Design der Erdwärmesonden hat. Wichtig ist dabei in jedem Fall der Einbau entsprechend den Herstellerangaben.

Auch der Einsatz von Abstandshaltern kann, auf Grund des erhöhten Risikos von Luft- und Wassereinschlüssen, zu einem erhöhten Bohrlochwiderstand führen.

Neben Erkenntnissen zur Verpressung und den verwendeten Materialien lassen sich aus den Ergebnissen der Untersuchung ebenfalls Empfehlungen für die eingesetzten Erdwärmesonden herleiten. So kann das Sondenmaterial prinzipiell hinsichtlich Wandstärke, innerer Struktur, Wärmeleitfähigkeit und Rauheit der Außenflächen optimiert werden. Dies muss jedoch in einem vertretbaren Kosten/Nutzen-Verhältnis stehen. Außerdem sind Doppel-U-Sonden den Einfach-U-Sonden meist vorzuziehen.

Ausblick

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Bohrlochwiderstand ein nicht zu vernachlässigender Parameter ist, dessen Bedeutung in Zukunft zunehmen wird.

Durch die Messung des Bohrlochwiderstands und eine projektübergreifende Auswertung lassen sich nützliche Erkenntnisse gewinnen, die dabei helfen, Planungen bereits im Vorfeld zu präzisieren. So können beispielsweise die Auswirkungen der thermischen Eigenschaften von Produkten bestimmter Hersteller auf den Bohrlochwiderstand (vgl. Abb. 3) bereits bei der Simulation berücksichtigt werden.

Des Weiteren wurde deutlich aufgezeigt, dass sowohl der verwendete Baustoff als auch die Qualität des Verpressvorgangs einen erheblichen Einfluss auf den Bohrlochwiderstand haben, sodass der korrekten Dimensionierung Testarbeiten (Thermal Response Test) vorausgehen sollten. An Probebohrungen kann so die genaue Entzugsleistung unter Beachtung aller relevanten Faktoren (tatsächliche thermische Eigenschaften des Verpressmaterials, Qualität der Verpressung, eingesetzte Sonden) ermittelt werden. Auf dieser Datengrundlage können Erdwärmeanlagen sicher und effizient geplant werden.

Es bleibt festzuhalten, dass nicht nur die vollständige Verfüllung und die Frost-Tau-Wechselbeständigkeit – die in der Branche viel diskutierten Themen – sondern auch die thermische Güte der Verpressung essentiell für einen effizienten Betrieb der Erdwärmeanlage ist.

Kreation: 599media GmbH