Knoche, Guido: Untersuchungen zur Kalkabscheidung aus Grundwasser von Aquiferwärmespeichern mit einem mobilen Testgerät
27.07.05 | Nachrichten & Kurzmeldungen
Kurzfassung
Die rationelle Energienutzung und erneuerbare Energieträger stehen als Synonyme für eine umweltschonende Energieversorgung. Zu ihrer Umsetzung besteht in Deutschland ein großer Bedarf an Wärmeverbundstrukturen. Wesentliche Bestandteile dieser Systeme sind thermische Speicher, da über den Jahresverlauf Wärmeangebot und –nachfrage zeitlich nicht zusammenfallen. An geeigneten Standorten sind Aquiferwärmespeicher aus Kostengründen eine interessante Option. Gleichwohl stellen diese Systeme bestimmte Anforderungen an das Grundwasser, weil während der Einspeicherung von Wärme bei über 50 °C Ablagerungen entstehen können. Das Ausmaß dieser Ablagerungen lässt sich auf der Basis der chemischen Zusammensetzung des Wassers allein nicht im Voraus prognostizieren. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Untersuchung, ein mobiles Testgerät zu entwickeln, mit dem das Verhalten von Grundwasser bei Erwärmung getestet werden kann. Schwerpunkt dabei war die Untersuchung der Kalkabscheidung. Dazu wurde ein sogenannter Scaling-Test entwickelt, mit dem eine maximale Temperatur zur Einspeicherung festgelegt wird, bei der eine Belagbildung während der Ladephase eines Hochtemperatur-Aquiferwärmespeichers unterbleibt. Außerdem sollte zur Verhinderung der Kalkabscheidung eine chemische Konditionierung von Grundwasser mit Kohlendioxid getestet werden. Die Scaling-Tests an verschiedenen Grundwässern ergaben, dass gering bis mäßig mineralisierte Grundwässer gegenüber hochmineralisierten eher zur Belagbildung neigten. Carbonatisch geprägte Grundwässer wiesen dabei je nach Gesamthärte ein unterschiedliches Ausmaß der Belagbildung auf. Mit Ausnahme von sehr harten Grundwässern können carbonatische Grundwässer deshalb bis 70 °C, salzhaltige Grundwasser bis 75 °C aufgeheizt werden. Bei Einsatz einer gezielten Konditionierung des Grundwassers mit Kohlendioxid können auch höhere Speichertemperaturen in Betracht gezogen werden, ohne dass Kalk abgeschieden wird. Jedoch ist eine Optimierung der Wasserbehandlung im Hinblick auf die CO2-Dosiermenge für andere Grundwässer erforderlich. Eine generelle Aussage zum Verhalten anderer Grundwassertypen als den untersuchten bei der Erwärmung ist aufgrund der begrenzten Zahl von untersuchten Grundwässern nicht abzuleiten. Es sollten daher auch zukünftig stets separate Untersuchungen an geplanten HT-ATES-Systemen bzw. den verwendeten Grundwässern durchgeführt werden. Das hier entwickelte Testgerät und das erprobte Testverfahren bilden eine gute Grundlage für solche Untersuchungen.
english version
Abstract
The efficient energy use and renewable energy sources are symbols of an environmental compatible energy supply. For their implementation a considerable necessity of district heating systems in Germany can be observed. Significant components of such structures are thermal energy storage systems, because in general heat supply and demand do not coincide over the year. For strict economic reasons Aquifer Thermal Energy Stores represent an interesting option at suitable locations. But these systems require a special quality of groundwater, due to unwanted scaling processes during loading the aquifer store at temperature higher than 50 °C. However, in advance an appropriate prognosis of these scales is not possible. Consequently the aim of this study was to develop a mobile test rig for investigations on groundwater during heating. Here-in the focal issue was the development and evaluation of a scaling-test procedure, by which an uncritical loading temperature level can be fixed in order to avoid scaling processes during the loading phase of High-Temperature Aquifer Thermal Energy Stores. In addition a method for a chemical conditioning procedure of groundwater with carbon dioxide was to be examined. Scaling-tests with groundwater at diverse locations revealed that in principle low and moderate mineralized groundwater show a higher tendency to scaling than high mineralized groundwater. Depending on their carbonate hardness carbonate containing groundwater showed a varying extend of scaling. Except for very hard groundwater types carbonate containing groundwater might be heated to 70 °C, chloride containing groundwater types to 75 °C. Applying a chemical conditioning of groundwater with carbon dioxide higher loading temperatures could be taken into account. However, applying this water treatment method at other groundwater requires an individual testing and optimization in respect to the amount of CO2 added to the groundwater. Based on the limited number of tested groundwater types general rules on the behavior of a particular groundwater during heating in heat exchangers cannot be derived so far. Thus, for planning future High-Temperature Aquifer Thermal Energy Stores it is strongly recommended to carry out individual scaling-tests at each location. The scaling-test procedure and the testing equipment developed and optimized in this work will be very helpful for these investigations.