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Angewandte Geothermik

 
     
  Teilgebiet der Geothermik. Die Angewandte Geothermik beschäftigt sich mit der Anwendung geothermischer Verfahren zur Lösung praktischer und ingenieurtechnischer Probleme. Die Nutzung der geothermischen Energie ist ein Teilgebiet der Angewandten Geothermik (geothermische Energiegewinnung). Bei der Angewandten Geothermik ist die Temperatur in ihrer räumlichen und zeitlichen Veränderung die entscheidende Messgrösse. Untersuchungen des geothermischen Gradienten und der Wärmestromdichte spielen nur eine untergeordnete Rolle. Temperaturmessungen können bei allen Fragestellungen eingesetzt werden, bei denen die Temperatur als Tracer für endotherme oder exotherme Prozessabläufe und für Wärmetransportvorgänge genutzt werden kann. Die folgende Übersicht zeigt, in welchen Bereichen Temperaturmessungen erfolgreich eingesetzt werden können:


a) Pipelines: Langzeitmonitoring zur Leckagedetektion und -ortung bei Erdgas-, Erdöl- und Produktleitungen sowie bei Fernheiztrassen (Abb. 1, Abb. 2); b) Bohrungen: Temperatur-Logging (Temperatur-Log), Fluid-Logging, Nachweis von wasserführenden Kluftzonen und Zuflusszonen von Wasser, Online-Untersuchungen bei Pumptests; c) Untergrundspeicher: Überwachung der Temperatureffekte bei der Einspeisung und Ausspeisung von Gas, Detektion und Lokalisierung von Leckagen an Steigrohren und Verrohrungen, Erfassung und Überwachung von Hinterrohreffekten; d) Dämme, Deiche und Talsperren: Erfassung und Überwachung von Sickerwasserpfaden durch Dämme und Deiche, Langzeitmonitoring zur Schadstellenüberwachung; e) oberirdische Deponien: Temperaturüberwachung entsprechend der TA Abfall und TA Siedlungsabfall in der Betriebs- und Nachsorgephase, Lokalisierung von Aufheizzonen und schwelbrandgefährdeten Zonen im Innern von Deponien, Überwachung der Dichtigkeit von Basis- und Oberflächenabdichtung. (Abb. 4); f) unterirdische Sondermülldeponien: Überwachung von Zwischen- und Endlagern von Sondermüll und radioaktiven Abfällen, Überwachung von Deponierung und Re-Injektion von Fluidsystemen in poröse Schichten; g) Tunnel-, Erd- und Bergbau: Geohydraulische Prozesse hinter Tunnelwänden, Überwachung der Dichtigkeit der Vertikal- und Bodenabsperrungen von Grossbaugruben, Erfassung von Leckagen an Schlitzwänden, Flutung und Endverwahrung von Schachtanlagen; h) Lagerstättenerkundung: Erfassung oberflächennaher Sulfiderzvorkommen (insbesondere Sulfiderzgänge), Thermalwassererkundung; i) Erzaufbereitung: Überwachung, Steuerung und Optimierung untertägiger und übertägiger Laugung von Armerzen (Leaching), z.B. von Kupfererzen; j) geothermische Energiegewinnung: Überwachung und Optimierung geothermischer Anlagen, Nachweis von Zuflusszonen bei hydrogeothermischen und hydrothermalen Systemen.


Aus dieser Zusammenstellung wird deutlich, dass in der Angewandten Geothermik Fragen im Vordergrund stehen, die eine Langzeitüberwachung (Geomonitoring) erfordern. Die Absolutgenauigkeit der Temperaturmessungen ist dabei nicht so wichtig wie die Temperaturauflösung. Entscheidend sind eine hohe Orts- und Zeitauflösung und die Möglichkeit, die Messungen zeitgleich über lange Strecken (z.T. viele Kilometer), flächenhaft oder räumlich über möglichst lange Zeiträume (bis mehrere Jahrzehnte) durchführen zu können. Weiterhin muss gewährleistet sein, dass die Messungen stets an der gleichen Stelle erfolgen, um eindeutige Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Temperatur zu erhalten. Damit werden hohe Anforderungen an die Messtechnik gestellt, denen die faseroptische Temperatursensorik weitgehend entspricht. Aber auch Widerstandsthermometer (Pt-100-Verfahren) und Infrarotmessgeräte können in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung erfolgreich eingesetzt werden. Einige ausgewählte Beispiele geben einen Einblick in praktische Einsatzfälle.


a) Detektion und Lokalisierung von Leckagen an Pipelines: Leckagen an unterirdisch verlegten Gas-, Öl- oder Produktenpipelines verursachen wirtschaftliche Verluste und bilden ein erhebliches Risiko für Umwelt und Bevölkerung. Pipelines werden daher mit Hilfe verschiedener Methoden überwacht. Temperaturmessungen bieten den Vorteil einer genauen Lokalisierung von Leckagen und der Erfassung auch kleiner Undichtigkeiten. Bei intakten Pipelines erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung. Bei einer Leckage von Pipelines, an denen Flüssigkeiten (Öl, Wasser oder andere Produkte) austreten, bilden sich in der Umgebung der Leckstelle durch einen advektiven Wärmetransport Temperaturanomalien im Erdboden. Die Grösse dieser Anomalie hängt von der Temperaturdifferenz zwischen dem in der Pipeline transportierten Medium und der Bodentemperatur ab. Bei Gaspipelines, bei denen das Gas unter einem Druck bis 6 MPa stehen kann, erfolgt an der Leckagestelle eine Druckentspannung. Entsprechend dem Joule-Thomson-Effekt tritt eine Abkühlung bei Druckentspannung auf. Für Methan beträgt die Temperaturabsenkung ca. 0,5ºC pro 0,1 MPa Druckabfall. Bei Gaspipelines bestehen daher gute Voraussetzungen für die thermische Leckageortung (Abb. 2). Für die Pipelineüberwachung bietet sich v.a. das faseroptische Temperaturmessverfahren an, da die Messkabel zwischen zwei Messstationen eine Länge bis zu 60 km haben können, so dass mit dieser Technik auch lange Pipelineabschnitte überwacht werden können. In ähnlicher Weise erfolgt die Leckageüberwachung von unterirdisch verlegten Fernheizungsleitungen und Frischwasserleitungen.


b) Überwachung der Dichtigkeit von Dämmen, Deichen und Wasserbauwerken: Dämme und Deiche entlang von Flüssen und Kanälen sowie Staudämme und Staumauern dienen dem Schutz der Umgebung vor Überflutungen. Sickerwasser kann auf unterschiedlichen Fliesspfaden einen Deich unter- oder durchströmen und binnenseitigen Drainagesystemen zufliessen oder als Drängewässer auftreten. Es gilt daher, Dammabschnitte mit einer verstärkten Durchströmung zu lokalisieren und die zeitlichen Veränderungen der Durchströmung über lange Deichstrecken quasi-kontinuierlich mit hoher Ortsauflösung zu erfassen. Sickerwasserpfade und Leckstellen in Dämmen und Deichen können durch Temperaturmessungen erfasst und lokalisiert werden, da sich die Temperatur von Sickerwasser aus einem Fluss, Kanal oder Staubecken von der Temperatur in einem unbeeinflussten Boden oder im Grundwasser unterscheidet. Die Temperatur ist somit ein natürlicher Tracer für die Erkennung und Lokalisierung von Sickerwasserpfaden und der einzige Parameter, der eine direkte Information über vorhandene Fliesspfade liefert. Praktische Messungen zeigen, dass sich Dammabschnitte mit einem erhöhten Sickerwasserdurchfluss eindeutig lokalisieren lassen, so dass zielgerichtete Massnahmen zur Sanierung eingeleitet werden können. Bereiche mit aufsteigendem kühlem Grundwasser werden mit den Temperaturmessungen ebenfalls erkannt. Die Grösse der Temperaturanomalie ist ein Mass für die Zuflussrate von Grund- und Flusswasser, wodurch eine qualitative Bewertung der Zuflussmenge von Wasser möglich ist. In ähnlicher Weise können in Seen und Tagebaurestlöchern Wasserzutritte aus dem Liegenden oder aus Böschungen lokalisiert werden. Die Überwachung langer Deichabschnitte oder grosser Strecken am Boden von Seen stellt die gleichen Anforderungen an die Messtechnik wie die Überwachung von Pipelines. Für Detailuntersuchungen kurzer Deichabschnitte können auch Messungen mit Widerstandsthermometern und Infrarotmessungen eingesetzt werden. Der stationäre Einbau eines faseroptischen Messkabels im Erdboden oder an anderen später nicht mehr zugängigen Stellen (z.B. Wehr, Schleuse) ermöglicht ein Langzeitmonitoring.


c) Untergrundspeicher: Aquifer- und Kavernenspeicher werden für die unterirdische Speicherung von Erdgas genutzt. Die Temperaturverteilung und deren zeitliche Entwicklung ist eine wichtige Messgrösse für die Bewertung des Betriebszustandes. Temperaturmesssysteme (z.B. faseroptische Temperaturmessung) können in ein Steigrohr oder in den Raum zwischen Steigrohr und Verrohrung (Ringraum) eingebaut werden. Bei Defekten (z.B. undichte Muffen) tritt Gas aus dem Steigrohr in den Ringraum ein, wobei es zu einer Druckentspannung kommt. Dieser Effekt wird durch Temperaturmessungen erfasst. Mit fest in einer Bohrung installierten Temperaturmesssystemen kann die Einstellung des Temperaturgleichgewichts im Anschluss an eine Gaseinspeisung oder Gasausspeisung und der damit verbundenen Temperaturstörung untersucht werden.


d) Deponien: In Deponien laufen chemische und mikrobielle Prozesse ab, durch die Wärme erzeugt wird (exotherme Prozesse, Wärmequellen, Wärmeproduktion). Im Innern von Hausmülldeponien kann die Temperatur Werte von 70ºC erreichen. Dadurch hebt sich eine Deponie von ihrer Umgebung durch eine deutliche positive Temperaturanomalie ab. Eine Abgrenzung von Deponiebereichen mit unterschiedlichen Wärmeproduktionsraten im Deponieinnern kann durch Infrarotmessungen erfolgen (Abb. 3). Bei Altdeponien, die keine ordnungsgemässe Basisabdichtung haben, wird wärmeres Deponiesickerwasser mit dem Grundwasserstrom mitgeführt, es erfolgt ein advektiver Wärmetransport (Advektion). Temperaturmessungen in geringer Tiefe (z.B. 1 m) im Umfeld einer Deponie erfassen im Abstrom die Hauptströmungsbahnen des Grundwassers (Abb. 4). Dadurch wird es möglich, zielgerichtet chemische Untersuchungen über die Belastung des Grundwassers vorzunehmen. In Schlackenhalden kann die Zersetzung von Sulfiden zu hohen Temperaturen führen. So wurden auf der Wälzschlackenhalde des ehemaligen Hüttengeländes in Freiberg (Sachsen) Temperaturwerte um 300ºC in einer Tiefe von 6-7 m gemessen. Die Brandherde, die diese hohen Temperaturen verursachen, wandern und verändern ihre Lage. Mit Temperaturmessungen lässt sich der zeitliche Prozess der Wärmefreisetzung und der Wirksamkeit eingeleiteter Sanierungsmassnahmen überwachen. In einer Überwachungsbohrung auf der Schlackenhalde verringerte sich innerhalb eines Jahres die Temperatur von 200ºC auf ca. 70ºC (Abb. 5). Literatur: [1] ARMBRUSTER, H., GROSSWIG, S., HANNICH, D., HURTIG, E. und MERKLER, G.-P. (1997): Thermische Untersuchungen an Seitengräben zur Kontrolle durchströmter langgestreckter Dämme - Teil I: Hydraulische Situation und Messverfahren, Teil II: Messergebnisse, Interpretation und Wertung. - Wasserwirtschaft 87. [2] GROSSWIG, S. und HURTIG, E. (1997): Die faseroptische Temperaturmesstechnik - Leistungsfähigkeit und Anwendungsmöglichkeiten im Umwelt- und Geobereich anhand ausgewählter Beispiele. - Scientific Reports, J. Mittweida University of Technology and Economics. [3] GROSSWIG, S., HURTIG, E., KASCH, M. und SCHUBART, P. (1997): Leckortung und Online-Überwachung an unterirdischen Erdgas-Pipelines mit faseroptischer Temperatursensorik. - Erdöl, Erdgas, Kohle, 113.

Angewandte GeothermikAngewandte Geothermik 1: Prinzip der Leckageortung mit Hilfe faseroptischer Temperaturmessungen.

Angewandte GeothermikAngewandte Geothermik 2: Temperaturprofile über einer Leckagestelle in einer Erdgaspipeline. Das faseroptische Sensorkabel wurde unter der Pipeline in 6-Uhr-Stellung installiert (links im Bild).

Angewandte GeothermikAngewandte Geothermik 3: IR-Messungen der Altablagerung Conradsdorf. Karte der Differenztemperaturen (Erdoberfläche-Lufttemperatur).

Angewandte GeothermikAngewandte Geothermik 4: Temperaturverteilung in 1 m Tiefe im Abstrom einer Deponie (Pfeile markieren die Hauptströmungsbahnen).

Angewandte GeothermikAngewandte Geothermik 5: Wälzschlackenhalde bei Freiberg. Temperaturentwicklung in einer Überwachungsbohrung.
 
 

 

 

 
 
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