Anhang_1_Gutachten_Wärmeversorgung_Ergebnisse_GRT_Auswertung.pdf

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Stadtwerke Soltau GmbH & Co. KG

des Landkreis Heidekreis

Geothermische Wärmeversorgung und Kühlung des

Wohnquartiers Tetendorfer Straße

Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Untergrun-

des mittels Geothermal-Response-Test (GRT)

digitale Ausfertigung

März 2024

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Projektbearbeitung

Ingenieurgesellschaft Heidt + Peters mbH

Sprengerstraße 38 c, 29223 Celle + 05141 93 88-0 Sasendorfer Straße 14, 29549 Bad Bevensen + 05821 98 15-0 info@heidt-peters.de

Sachbearbeitung

Geol. Arne Willenbockel

Projektnummer

23162

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1 Einleitung 3

Inhaltsverzeichnis

Seite 1 Einleitung ........................................................................................................................ 4 2 Verwendete Grundlagen .................................................................................................. 5 3 Bohrung und Erdwärmesonde .......................................................................................... 6 4 Geothermal-Response-Test .............................................................................................. 7 4.1 Geländearbeiten ........................................................................................................................ 7 4.2 Auswertung ............................................................................................................................... 8 4.3 Ergebnis des Response-Tests .................................................................................................. 10 4.3.1 Superpositionsverfahren ......................................................................................................... 10 4.4 Temperaturprofile ................................................................................................................... 11 5 Zusammenfassung ......................................................................................................... 13

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1: Lage der Testerdwärmesonde .............................................................................................. 4 Abb. 4.1: Durchführung des geothermal Response Test mit Temperaturmessung ............................ 8 Abb. 4.2: Temperaturverlauf, angelegte thermische Leistung und Durchfluss ................................... 9 Abb. 4.3: Superpositionsverfahren, Parameteranpassung für Abschnitt 10 h bis 26,5 h .................. 11 Abb. 4.4: Superpositionsverfahren, Parameteranpassung für Abschnitt ab 26,5 h .......................... 11 Abb. 4.5: Temperaturprofile .............................................................................................................. 12

Anhang

Anhang 1 Bohrprofil mit Ausbauzeichnung

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1 Einleitung 4

1 Einleitung

Die Stadt Soltau plant an der Tetendorfer Straße in Soltau im Landkreis Heiderkreis ein Wohn- quartier auszuweisen. Die Stadtwerke Soltau GmbH & Co. KG plant die Wärmeversorgung des Wohnquartiers mit einem kalten Nahwärmenetz. Der Wärme- sowie der Kühlbedarf soll über ein solegefülltes Erdwärmesondenfeld gedeckt werden.

Im Zuge der weiteren Projektbearbeitung ist ein Geothermal-Response-Test zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit des Untergrundes, des thermischen Bohrlochwiderstandes und der Untergrundtemperatur am Standort des Bauvorhabens an der Tetendorfer Straße in Soltau erforderlich. Aus den daraus gewonnenen Daten kann eine zuverlässige und wirt- schaftliche Bemessung der Wärmequelle erfolgen. Die Ingenieurgesellschaft Heidt + Peters mbH aus Celle wurde für die Durchführung des Tests von der Stadtwerke Soltau GmbH & Co. KG aus Soltau beauftragt.

Der Geothermal-Response-Test wurde im Zeitraum vom 31.01. bis 03.02.2024 ausgeführt. Nachfolgend werden die Testergebnisse dargestellt.

Abb. 1.1: Lage der Testerdwärmesonde

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2 Verwendete Grundlagen 5

2 Verwendete Grundlagen

• GeRT-Cal Version 3.5, Geothermal-Response-Test Evaluation Software, 2020 UBeG GmbH & Co. KG, Wetzlar, Deutschland.

• Geoberichte 24 (2012) Leitfaden Erdwärmenutzung in Niedersachsen, Rechtliche und technische Grundlagen, Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG), Hannover.

• NIBIS® Kartenserver – Themenkarten und Bohrungen. Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG), Hannover.

• VDI 4640:1 (2010): Thermische Nutzung des Untergrundes – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte, VDI-Richtlinie 4640, Blatt 1, Düsseldorf.

• VDI 4640:2 (2019): Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, VDI-Richtlinie 4640, Blatt 2, Düsseldorf.

• VDI 4640:3 (2001): Thermische Nutzung des Untergrundes – Unterirdische Thermische Energiespeicher, VDI-Richtlinie 4640, Blatt 3, Düsseldorf.

• VDI 4640:4 (2004): Thermische Nutzung des Untergrundes – Direkte Nutzungen, VDI-Richtlinie 4640, Blatt 4, Düsseldorf.

• VDI 4640:5 (2020): Thermische Nutzung des Untergrundes – Thermal Response Test, VDI-Richtlinie 4640, Blatt 5, Düsseldorf.

• Evaluating improper response test data by using superposition of line source approxi- mation, European Geothermal Congress 2013 Sauer, M., UBeG GmbH & Co. KG, Wetzlar

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3 Bohrung und Erdwärmesonde 6

3 Bohrung und Erdwärmesonde

Die Pilotbohrung wurde von der Fendesack Geotechnik GmbH aus Rheine bis zu einer Tiefe von 150 m unter Gelände abgeteuft und zu einer Erdwärmesonde ausgebaut.

Der Untergrund ist entsprechend der Pilotbohrung und den geologischen Karten aufgebaut:

Oberflächennah besteht der Baugrund aus holozänen, fluviatilen Sandablagerungen mit ei- ner Mächtigkeit von 5,0 m. Es folgt eine 18,0 m mächtige, feinkörnige Schicht mit Schluff als Hauptgemengeteil. Darunter stehen Feinsande mit bereichsweise organischen Lagen bis 62,0 m unter Geländeoberkante an. Es schließt sich Grobsand mit einer Mächtigkeit von 6,0 m an. Bis zu einer Tiefe von 107,0 m unter GOK ist ein Ton in weicher Konsistenz erkundet worden. Im Liegenden steht bis zu einer Endteufe von 150 m unter Geländeoberkante ein Feinsand an.

Der Grundwasserstand wurde aufgrund des verwendeten Bohrverfahrens nicht dokumen- tiert.

Die Bohrung wurde im Drehspülverfahren in einem Bohrdurchmesser von 152 mm abge- teuft. Es wurde eine Schutzverrohrung bis etwa 71 m Tiefe mit einem Durchmesser von 178 mm gesetzt. Somit ergibt sich über die gesamte Sondenlänge ein mittlerer Bohrloch- durchmesser von 164,3 mm.

Das Bohrloch wurde zu einer Doppel-U-Erdwärmesonde DA 32 ausgebaut und mit dem ther- misch verbesserten Material „Schwenk GTM-hs plus“ verfüllt. Die Erdwärmesonde ist am 19.01.2024 fertiggestellt worden.

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4 Geothermal-Response-Test 7

4 Geothermal-Response-Test

Beim Geothermal-Response-Test (GRT) werden thermische Parameter des Untergrunds er- mittelt, die unabdingbar für eine Bemessung eines Erdwärmesondenfeldes sind. Es wird eine definierte Wärmeleistung an die Testerdwärmesonde angelegt und die Temperaturentwick- lung des Wärmeträgermittels im Zu- und Rücklauf aufgenommen. Aus diesen Daten können Rückschlüsse auf die erforderlichen thermischen Parameter, besonders die thermische Leit- fähigkeit, geschlossen werden. Bei dem Versuch wird ein vorwiegend konduktiver Wär- metransport vorausgesetzt. Ist ein deutlicher Grundwasserfluss vorhanden, kann der GRT keine aussagekräftigen Ergebnisse liefern.

4.1 Geländearbeiten

Die Messapparatur des Geothermal-Response-Tests wurde am 31.01.2024 vormittags aufge- baut und gestartet. Die Umgebungstemperatur wurde mit 3,5°C gemessen. Die Stromversor- gung erfolgte über einen mobilen Stromgenerator. Der Test verlief durchgehend und ohne Probleme bis zum 03.02.2024. Aus unmittelbarer Umgebung sind weder störende Erdarbei- ten noch aktive Wasserhaltungen bekannt.

Zur Bestimmung der Untergrundtemperatur wurde unmittelbar vor Testbeginn ein Tiefen- Temperaturprofil in ca. 2 m-Schritten mithilfe eines Temperatur-Lichtlots aufgenommen.

Die Abb. 4.1 zeigt das an die Erdwärmesonde angeschlossene GRT-Gerät vor Beginn des Ver- suchs.

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4 Geothermal-Response-Test 8

Abb. 4.1: Durchführung des geothermal Response Test mit Temperaturmessung

4.2 Auswertung

Eingangsdaten:

Erdwärmesondenlänge: 150 m

Erdwärmesondentyp: Doppel-U, DA 32

Mittlerer Bohrlochdurchmesser: 164,3 mm

Messdauer: 71,8 h

Spez. Wärmekapazität (nach VDI 4640-1): 2,4 MJ/(m³,K)

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4 Geothermal-Response-Test 9

Die folgende Grafik zeigt den Temperaturverlauf, die eingebrachte thermische Leistung und den Durchfluss während des gesamten Tests.

Abb. 4.2: Temperaturverlauf, angelegte thermische Leistung und Durchfluss

Die aufgenommenen Werte zeigen in ihrem Verlauf eine Störung der Durchflussrate an.

Mittlere Wärmeleistung in Erdwärmesonde: 7.391 W

Heizarbeit über 72 h: ca. 530 kWh

Eingebrachte thermische Leistung Ø: 7,38 kW

Volumenstrom bis ca. 26h Testlauf: 1,0 m³/h

Volumenstrom nach ca. 26h Testlauf: 0,85 m³/h

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4 Geothermal-Response-Test 10

Nach etwa 26 h Testlaufzeit wurde ein Abfall der Durchflussrate von ca. 1,0 m³/h auf ca. 0,85 m³/h registriert. Für die verbleibende Testlaufzeit blieb die Durchflussrate konstant. Die Ursache konnte nicht geklärt werden. Mit der Änderung der Durchflussrate ergibt sich bei gleichbleibender Heizleistung eine Änderung der Temperaturspreizung. Eine Auswertung nach dem Standard Linienquellen Verfahren ist daher nicht über die gesamte Testlaufzeit möglich. Die Auswertung erfolgt daher unter Verwendung des Superpositionsverfahrens.

4.3 Ergebnis des Geothermal-Response-Tests

Die Auswertung wurde mit der Software GeRT-CAL Version 3.5 durchgeführt. Die Software ermöglicht eine Auswertung des Geothermal-Response-Tests durch die Approximation der Linienquellentheorie sowie mithilfe von Parameterbestimmungen durch numerische Mo- delle. Bei einem konduktiven Transport im Untergrund und einer konstanten thermischen Leistung ergeben beide Verfahren (analytisch und numerisch) die gleichen Werte.

4.3.1 Superpositionsverfahren

Bei dem Superpositionsverfahren wird eine simulierte Temperaturkurve mit der geringsten

Standardabweichung zur Messkurve (Mittelwerte aus Vor- und Rücklauf) bestimmt. Die Pa-

rameteridentifikation erfolgt hier für die Messwerte zwischen 10h (ca. Mindestzeitkriterium)

bis 25,6h (kurz vor Reduzierung der Durchflussrate) und dem Zeitraum ab Reduzierung der

Durchflussrate bis zum Ende der Testlaufzeit.

In den folgenden Grafiken (Abbildung 4.3 und Abbildung 4.4) sind die simulierten Tempera- turkurven mit den jeweils geringsten Standardabweichungen (SD = 0,033 und 0,034) zur Messkurve dargestellt und entsprechen dem Verlauf der Temperaturkurven bei einer effek- tiven Untergrundwärmeleitfähigkeit von 2,4 W/(m,K) und thermischen Bohrlochwiderstän- den von 0,105 (m·K)/W (bei Q = 1,00 m³/h) und 0,115 (m·K)/W (bei Q = 0,85 m³/h).

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4 Geothermal-Response-Test 11

Abb. 4.3: Superpositionsverfahren, Parameteranpassung für Abschnitt 10 h bis 26,5 h

Abb. 4.4: Superpositionsverfahren, Parameteranpassung für Abschnitt ab 26,5 h

4.4 Temperaturprofile

Zur Ermittlung der Untergrundtemperatur wurde unmittelbar vor Testbeginn in der Erdwär- mesonde ein Tiefen-Temperaturprofil in ca. 2 m-Schritten aufgenommen. Nach Testende wurden erneut Tiefen-Temperaturprofile aufgenommen (1 h, 2 h, und 3 h nach Testende), um das Abkühlverhalten der Erdwärmesonde zu bestimmen. Die Messwerte sind in Abb. 4.5 dargestellt. Die Messsonde konnte nur bis ca. 143 m bzw. 122 m eingebracht werden.

Die Messungen wurden mit einer kabelgebundenen Messsonde (Temperatur-Lichtlot) Fabri- kat HT-Hydrotechnik durchgeführt.

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4 Geothermal-Response-Test 12

Abb. 4.5: Temperaturprofile

Als Mittelwert für den Tiefenbereich von ca. 10 m bis Endteufe (hier: 143 m) ergibt sich aus der Aufnahme des Temperaturprofils zum Zeitpunkt der Messung eine mittlere Erdreichtem- peratur von ca. 11,8°C.

Aus der qualitativen Auswertung der nach Testende aufgenommenen Tiefentemperaturpro- file ist über den erfassten Tiefenbereich keine signifikante Beeinflussung der Testsonde durch fließendes Grundwasser zum Zeitpunkt der Messung erkennbar.

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5 Zusammenfassung 13

5 Zusammenfassung

Am Standort der Baumaßnahme an der Tetendorfer Straße in Soltau wurde an einer ca. 150 m tiefen Erdwärmesonde in dem Zeitraum 31.01. bis 03.02.2024 ein Geothermal- Response-Test ausgeführt.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefasst:

Diese Stellungnahme gilt nur in ihrer Gesamtheit.

Verfasser: Ingenieurgesellschaft Heidt + Peters mbH

Celle, 14.03.2024

............................................................. Arne Willenbockel

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Fendesack Geotechnik GmbH & Co. KG Projekt : Stadtwerke Soltau TRT Riesenbecker Straße 14 Rechts- Hochwert : 48432 Rheine Maßstab : 1: 750 / 1: 10 05975 4828-0 Bohrgeräteführer: Ioan Bonghia info@fendesack.com Datum: 19.01.2024

BP 1 Geothermiebohrung

Ansatzpunkt:GOK 0.00m 0.00m 0.00m Feinsand, Mittelsand -5.00m -5.00m leicht zu bohren braungelb -10.00m

-15.00m Schluff, tonig, feinsandig leicht zu bohren -20.00m dunkelgrau

-23.00m -25.00m

Feinsand, schluffig -30.00m leicht zu bohren grau -35.00m -35.00m Schwenk GTM-hs plus Feinsand -40.00m leicht zu bohren -41.00m hellgrau -45.00m -44.00m Schluff, feinsandig, tonig -47.00m leicht zu bohren -50.00m grau Torf,organ.Material, tonig -55.00m leicht zu bohren schwarzbraun -60.00m Feinsand leicht zu bohren -62.00m hellgrau -65.00m Grobsand, Mittelsand, feinkiesig -68.00m leicht zu bohren -70.00m graubunt -71.00m Doppel-U-Sonde -75.00m d = 32 mm

-80.00m

-85.00m Ton, schwach schluffig -90.00m mäßig schwer zu bohren weich dunkelgrau -95.00m

-100.00m

-105.00m -107.00m -110.00m Schwenk GTM-hs plus -115.00m

-120.00m

-125.00m

Feinsand -130.00m leicht zu bohren hellgrau -135.00m

-140.00m

-145.00m

-150.00m -150.00m -150.00m Sondenkopf Endtiefe

152 mm

Bemerkungen:

DC