Hinterfüllkontrolle für Erdwärmesonden – Beurteilung einer magnetischen Methode

Borehole heat exchanger backfilling control—Evaluation of a magnetic method

Zusammenfassung

Bei der Installation von Erdwärmesonden ist die Vermeidung hydrogeologischer Schadensfälle mit einer adäquaten Hinterfüllung essenziell. In dieser Studie wurde ein magnetisches Suszeptibilitätsmesssystem zur Hinterfüllkontrolle im Labormaßstab untersucht. An mit Magnetit dotierten Verfüllbaustoffproben wurde die Sensoreindringtiefe und Sensitivität ermittelt sowie die unbekannten Messwerte des Messsystems nachvollzogen. Zudem wurde das Potenzial hinsichtlich der Füllstands- und Fehlstellenkontrolle sowie der Einfluss möglicher Störstellen betrachtet. Die Messwerte entsprechen magnetischen Volumensuszeptibilitäten im SI-System, die vom Messsystem mit dem Faktor 350 in übersichtlichere Dezimalzahlen von 0 bis 11 [–] überführt werden. Dies wurde durch Vergleichsmessungen mit einem anderen Suszeptibilitätssensor validiert, und hat den Hintergrund der benutzerfreundlicheren Baustellenanwendung. Mit einer Eindringtiefe von 20–35 mm und einer Sensitivität von nur noch 10 % bei > 20 mm ist das Messsystem ausreichend für die Füllstandskontrolle, jedoch nicht ausreichend, um alle potenziell kritischen Fehlstellen zu erfassen. Schwächungen des Suszeptibilitätssignals durch Sondenrohre, Abstandshalter und Hohlräume sind kaum voneinander zu unterscheiden. Außerdem können bestimmte Gesteine Signalstörungen verursachen. Optimierungen der Sensoreindringtiefe, des Messprozederes sowie der Verfüllbaustoffsuszeptibilität können Beiträge zu einer verbesserten Qualitätssicherung sein. Neben der Schadensfallvermeidung können diese möglicherweise auch eine Ausweitung der Erdwärmesondentechnologie in wasserrechtlich noch unzulässigen Regionen zukünftig zulassen.

Abstract

When installing borehole heat exchangers, it is essential to use proper backfilling to avoid hydrogeological failure. In this study, a magnetic susceptibility system for backfilling control was investigated at the laboratory scale. The sensor penetration depth, its sensitivity and the unknown values were assessed by using magnetite-containing backfilling material samples. In addition, the capability to detect slurry levels and cavities was investigated, as well as measurement disturbances. Measured values correspond to volume susceptibilities in the SI system multiplied by a factor of 350 for translation into clear integers in the range from 0 to 11 [–]. This approach was evaluated by comparative measurements using a second susceptibility sensor. The reason for the translation is to provide an easier system for handling at construction sites. The 20–35 mm penetration depth and a sensitivity of only 10% for penetration depths > 20 mm is sufficient for slurry level detection; however, it is not sufficient for detecting all critical cavities. Differentiation between susceptibility weakening as caused by tubes, spacers and cavities is difficult; in addition, specific types of rocks can create disturbances. Optimization of penetration depth, measurement procedure as well as material susceptibility can improve quality control to avoid failure events and possibly ease future installation approval in currently forbidden hydrogeological areas.

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Abb. 1 Fig. 1
Abb. 2 Fig. 2
Abb. 3 Fig. 3
Abb. 4 Fig. 4
Abb. 5 Fig. 5
Abb. 6 Fig. 6

Notes

  1. 1.

    Telefonische Mitteilung von U. Santherr von Santherr Geothermietechnik vom 02.10.2020.

Abbreviations

Abb.:

Abbildung

AMPH:

Amphibolit

AND:

Andesit

ARK:

Arkose

Asy.:

Asymptotisch

BAS:

Basalt

BASAN:

Basanit

BIM:

Bims

CT:

CemTrakker

d:

mit Magnetit

DBO3:

Digital Borehole Observation 3

DI:

Diorit

DOL:

Dolomit

EGRT:

Enhanced Geothermal Response Test

EKL:

Eklogit

EWS:

Erdwärmesonde

GAB:

Gabbro

GDR:

Granodiorit

GIP:

Gips

GNE:

Gneis

GRA:

Granit

GRANL:

Granulit

GRAW:

Grauwacke

GRS:

Grünschiefer

KAL:

Kalkstein

LQS EWS:

Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden

MAR:

Marmor

MB:

Modelverfüllbaustoff

MER:

Mergel

nd:

ohne Magnetit

NEP:

Nephelinit

OBS:

Obsidian

PE:

Polyethylen

PER:

Peridotit

PHO:

Phonolith

PHY:

Phyllit

QSA:

Quarzsandstein

QZT:

Quarzit

RAD:

Radiolarit

RHY:

Rhyolith

SAL:

Steinsalz

SCH:

Schiefer

SKO:

Steinkohle

SYE:

Syenit

Tab.:

Tabelle

TRA:

Trachyt

TUF:

Tuff

TRT:

Thermal Response Test

\(\overset{\rightarrow }{B}\) :

magnetische Flussdichte [Wb m−2]

\(\overset{\rightarrow }{\mathrm{H}}\) :

magnetische Feldstärke [A m−1]

\(\overset{\rightarrow }{\mathrm{M}}\) :

Magnetisierung [A m−1]

µ:

magnetische Permeabilität in einem Material [Wb A−1 m−1]

µ0 :

magnetische Permeabilität im Vakuum = 4π10−7 [Wb A−1 m−1]

µr :

Permeabilitätszahl [–]

χm :

magnetische Suszeptibilität [–]

Ø:

Mittelwert [–] oder Durchmesser [mm]

λ:

Wärmeleitfähigkeit [W m−1 K−1]

Literatur

  1. ANSI/CSA C448 SERIES-16: Design and installation of ground source heat pump systems for commercial and residential buildings. Canadian Standards Association (Hrsg.) (2016)

  2. Bassetti, S., Rohner, E., Signorelli, S., Matthey, B.: Dokumentation von Schadensfällen bei Erdwärmesonden. EnergieSchweiz (Hrsg.) (2006). http://docplayer.org/31008916-Dokumentation-von-schadensfaellen-bei-erdwaermesonden.html, Zugegriffen: 13. März 2020

  3. Baumann, K.: Erste Erfahrungen bei der bohrlochgeophysikalischen Überprüfung von Erdwärmesonden. bbr Wasser, Kanal- & Rohrleitungsbau, Bonn (2010)

    Google Scholar 

  4. Berndt, M.L.: Quality Control and Troubleshooting for Grouts Used with Geothermal Heat Pumps. In: World Geothermal Congress (Hrsg.) Proceedings. International Geothermal Association, Bonn (2015)

    Google Scholar 

  5. Bonte, M., Stuyfzand, P.J., Hulsmann, A., van Beelen, P.: Underground thermal energy storage: environmental risks and policy developments in the Netherlands and European Union. Ecol. Soc. 16(1), 22 (2011)

    Article  Google Scholar 

  6. Burkhardt, F.: Ausbau der Bohrung zu geothermischen Quellen. In: Bauer, M., Freeden, W., Jacobi, H., Neu, T. (Hrsg.) Handbuch Oberflächennahe Geothermie, S. 451–476. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg (2018)

    Google Scholar 

  7. Callister, W.D., Rethwisch, D.G.: Materialwissenschaften und Werkstofftechnik – Eine Einführung. Wiley-VCH, Weinheim (2012). 881

    Google Scholar 

  8. Clauser, C.: Einführung in die Geophysik; Globale physikalische Felder und Prozesse in der Erde. Springer, Berlin (2014). 407

    Google Scholar 

  9. Dearing, J.A.: Environmental magnetic susceptibility—Using the Bartington MS2 system. Chi Pub, Kenilworth (1994). 54

    Google Scholar 

  10. Erdwärme GmbH, D.: Apparatus and lance device for pressing a borehole. Deutsche Patentanmeldung DE202011107616U1 (2011)

    Google Scholar 

  11. Fleuchaus, P., Blum, P.: Damage event analysis of vertical ground source heat pump systems in Germany. Geotherm. Energy 5, 1256 (2017)

    Article  Google Scholar 

  12. Florsch, N., Llubes, M., Téreygeol, F., Ghorbani, A., Roblet, P.: Quantification of slag heap volumes and masses through the use of induced polarization: Application to the Castel-Minier site. J. Archaeol. Sci. 38, 438–451 (2011)

    Article  Google Scholar 

  13. France, P.: Géothermie à Lochwiller, le préfet pourrait revoir sa copie. Rue89, Strasbourg (2016)

    Google Scholar 

  14. Frank, H.G.: Neue Methode für Sanierung der defekten Geothermie-Anlage in Rudersberg. Südwest Presse, Ulm (2014)

    Google Scholar 

  15. Grimm, M., Stober, I., Kohl, T., Blum, P.: Schadensfallanalyse von Erdwärmesondenbohrungen in Baden-Württemberg. Grundwasser 19(4), 275–286 (2014)

    Article  Google Scholar 

  16. Hess, M., Sommerhalder, M., Burger, F., Badoux, V.: Qualitätssicherung Erdwärmesonden; Übersicht Messmethoden zur Prüfung der Hinterfüllung (2015). http://www.bfe.admin.ch/themen/00490/00501/index.html?lang=de&dossier_id=06710, Zugegriffen: 18. Okt. 2020

  17. Jovane, L., Hinnov, L., Housen, B.A., Herrero-Barvera, E.: Magnetic methods and the timing of geological processes. J. Geol. Soc. 373, 1–12 (2013)

    Google Scholar 

  18. Karro, E., Lahermo, P.: Occurence and chemical characteristics of groundwater in Precambrian bedrock in Finland. Geol. Surv. Finl. Sp. Pap. 27, 85–96 (1999)

    Google Scholar 

  19. Keller Holding GmbH.: Method for renovating a borehole in the soil. Europäische Patentanmeldung 2357317 A2. (2011)

    Google Scholar 

  20. LQS EWS: Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden (LQS EWS). Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, Stuttgart (2018)

    Google Scholar 

  21. Majuri, P.: Technologies and environmental impacts of ground heat exchangers in Finland. Geothermics 73, 124–132 (2018)

    Article  Google Scholar 

  22. McCann, T.: Pocket Guide Geologie im Gelände. Springer Spektrum, Berlin (2019)

    Google Scholar 

  23. Michalik, E.: Method for forming and filling terrestrial heat probe hole by pressurized air-rinsed drill head with feed device, involves determining depth-dependant characteristic of surrounding of drilling wall based on pressure profile E21B33/10; E21B33/134 (2012)

    Google Scholar 

  24. Nabighian, M.N., Grauch, V.J.S., Hansen, R.O., LaFehr, T.R., Li, Y., Peirce, J.W., Phillips, J.D., Ruder, M.E.: The historical development of the magnetic method in exploration. Geophysics 70, 33–61 (2005)

    Article  Google Scholar 

  25. Poratek: Normilämpökaivon kriteerit. Finnish Criteria for the Normheatwell. The Finnish Well Drillers’ Association, Orivesi (2016)

    Google Scholar 

  26. Riegger, M.: EWSPLUS; Untersuchung zur Qualitätssicherung von Erdwärmesonden – Weiterentwicklung der Erdwärmesondentechnologie. Abschlussbericht zu dem Forschungsvorhaben. Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg, Stuttgart (2013)

    Google Scholar 

  27. Riegger, M., Rolker, J., Steger, H., Stober, I., Haist, M., Eckhardt, J.D., Schlager, P., Zemann, M., Zorn, R., Huttenloch, P.: EWS-Tech; Weiterentwicklung der Erdwärmesonden-Technologie. Abschlussbericht zu dem Forschungsvorhaben. Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, Stuttgart (2016)

    Google Scholar 

  28. Rivera, J.A., Blum, P., Bayer, P.: Ground energy balance for borehole heat exchangers: vertical fluxes, groundwater and storage. Renew. Energy 83, 1341–1351 (2015)

    Article  Google Scholar 

  29. Sanner, B.: Standards and Guidelines for UTES/GSHP wells and boreholes. In: International Energy Agency (Hrsg.) 14th International Conference on Energy Storage Adana. (2018)

    Google Scholar 

  30. Santherr, U.: CemTrakker 2.0 Suszeptibilitätsmesssystem. Santherr Geothermietechnik (2017). https://www.santherr-geothermietechnik.com/index_htm_files/CemTrakker_V2_neu.pdf;, Zugegriffen: 13. Okt. 2020

  31. Santherr, U.: CemTrakker-Kontrollmessung. Santherr Geothermietechnik (2015). https://um.baden-wuerttemberg.de/de/energie/erneuerbare-energien/geothermie/lqs-ews/;, Zugegriffen: 13. Okt. 2020

  32. Schubert, T.: Regionale Hydrogeologie von Deutschland; Die Grundwasserleiter: Verbreitung, Gesteine, Lagerungsverhältnisse, Schutz und Bedeutung. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). Kommission bei der E. Schweizerbart’schen Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Hannover, Stuttgart (2016)

    Google Scholar 

  33. Sensys GmbH: Technische Daten MagSoil (2018). https://sensysmagnetometer.com/de/products/systeme/bohrloch-systeme/magsoil/;, Zugegriffen: 13. Okt. 2020

  34. Slapansky, P., Motschka, K., Bieber, G., Ahl, A., Winkler, E., Schattauer, I., Papp, E.: Aerogeophysikalische Vermessung im Bereich Wörgl (T). Geologische Bundesanstalt (Hrsg.), Wien (2017)

    Google Scholar 

  35. Stober, I., Bucher, K.: Geothermie. Springer Spektrum, Berlin (2014)

    Google Scholar 

  36. VDI 4640: Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (Hrsg.), Beuth Verlag GmbH, Berlin (2001)

  37. VDI 4640: Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (Hrsg.), Beuth Verlag GmbH, Berlin (2019)

  38. Voelker, H., Voutta, A.: Erdwärmesonden: Nachweis der abdichtenden Wirkung der Ringraumhinterfüllung. bbr Wasser, Kanal- & Rohrleitungsbau, Bonn (2011)

    Google Scholar 

  39. Voelker, H., Voutta, A.: Studie zu Gamma-Gamma-Dichtemessungen im Ringraum von Erdwärmesonden im Technikums-Maßstab. Studie im Auftrag der LUBW Anstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg. (2013)

    Google Scholar 

  40. Voutta, A.: Detektierung magnetisch dotierter Baustoffe. Aktuelles zum Thema „Oberflächennahe Geothermie“ – Planung, Ausführung, Qualitätssicherung, Fortbildungsverbund Boden und Altlasten Baden-Württemberg. Karlsruhe. (2014)

    Google Scholar 

  41. Wyss, R.: Der Gasausbruch einer Erdsondenbohrung in Wilen (OW). Swiss Bull. Angew. Geol 6, 25–40 (2001)

    Google Scholar 

  42. Zahoransky, R.: Energietechnik. Springer Vieweg, Wiesbaden (2019). 702

    Google Scholar 

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Danksagung

Diese Arbeit basiert auf Ergebnissen des Forschungsprojekts „EWS-tech II: Entwicklung überprüfbarer Qualitätskriterien für Erdwärmesondenverfüllungen unter realitätsnahen Randbedingungen“. Wir bedanken uns für die Förderung durch das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (Förderkennzeichen L75 16008-16011).

Dank gilt auch den Verfüllbaustoffherstellern und der Fa. Santherr Geothermietechnik für die Unterstützung im Verlauf des Projekts.

M. Sc. Sebastian Mergenthaler und Chloé Pereira danken wir für die tatkräftige Unterstützung im Labor.

Dr. Petra Huttenloch und Dipl.-Geol. Stefan Gutekunst danken wir für die wertvollen Anmerkungen und Diskussionen zu dieser Arbeit.

Auch bei den Gutachtern dieses Artikels möchten wir uns für die sehr konstruktiven Kommentare bedanken.

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Correspondence to Olaf Ukelis.

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Ukelis, O., Link, J., Zorn, R. et al. Hinterfüllkontrolle für Erdwärmesonden – Beurteilung einer magnetischen Methode. Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2021). https://doi.org/10.1007/s00767-021-00476-0

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Schlüsselwörter

  • Erdwärmesonden
  • Undichte Hinterfüllung
  • Hinterfüllkontrolle
  • Magnetische Bohrlochmessung

Keywords

  • Borehole heat exchanger
  • Leaky borehole sealing
  • Backfilling control
  • Magnetic logging