Clusterung der oberflächennahen thermischen Leitfähigkeit und anderer Bodenparameter – Erdkabelkorridorplanung aus geothermischer Sicht

Conference contribution
(Abstract of lecture)


Publication Details

Author(s): Bertermann D, Müller J, Stegner J, Schwarz H
Publication year: 2019


Abstract



Für in Planung befindliche 700-800 km lange
Erdkabelkorridore für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Leitungen
eines großen Übertragungsnetzausbauprogramms galt es im Rahmen der
Studie „Thermische Bodenclusterung“ diverse bodenphysikalische und
klimatische Parameter mit Bedeutung für die Auslegung der Erdkabel zu
ermitteln beziehungsweise zu modellieren. Diese Untersuchung dient u. a. der
Früherkennung von Divergenzen der thermischen Eigenschaften des
Bodenkörpers, um mögliche Substratverbesserungen einplanen und
schlussendlich einen reibungslosen Betrieb der erdverlegten Kabel
gewährleisten zu können. Auf der projektierten Strecke wird mit einer
horizontal gebohrten Strecke von bis zu 2000 km gerechnet, da auf der
Trasse mehrere parallel verlaufende Erdkabel verbaut werden. Auch aus
diesem Grund ist es unerlässlich, eine adäquate, an den Untergrund
angepasste Planung zu verfolgen. Im Fokus der Studie stand die Ermittlung der
Wärmeleitfähigkeit des Bodens in Abhängigkeit der Tiefe und damit der
Lagerungsdichte sowie des Wasserhaushalts der jeweiligen Bodenart.
Insgesamt wurden die Klima- und Bodenparameter Bodenart, Bodenklassen
nach DIN 18300, Festgesteinsart, Festgesteinstiefe, klimatische
Wasserbilanz, Grundwasserflurabstand, Bodenfeuchteregime, van Genuchten
Parameter für die teilgesättigte Wasserleitfähigkeit, Bodenfrosttage
sowie die thermische Leitfähigkeit von Böden und Festgesteinen
untersucht und geclustert. Hierzu wurden für potenzielle
Untersuchungsräume der Korridorverläufe digitale Flächen- und Bohrdaten
von den jeweiligen Landesämtern, sowie bundesweite Klimadaten verwendet.
Alle Daten sind in einer Geodatenbank implementiert und mit einem
Geoinformationssystem (GIS) prozessiert und interpoliert worden. Um die
Daten auf einer sich über 6 Bundesländer erstreckende Fläche (< 6200
km²) zu analysieren, mussten definierte Tiefenstufen deklariert und die
Datenangaben vereinheitlicht werden. Damit die einzelnen Datensätze wie
beispielsweise der Grundwasserflurabstand oder die Festgesteinstiefe mit
korrekter Höhenrelation im GIS eingebettet werden können, wurden diese
zudem in ein digitales Geländemodell überführt. Mit Hilfe der Flächendaten von Boden- und
Klimakarten lagen generell für den oberflächennahen Bodenbereich
Informationen über das gesamte Untersuchungsgebiet vor. Es wurde
festgelegt, dass die digitalen Flächendaten der Bodenkarten entsprechend
ihres Gültigkeitsbereichs als Input für den oberflächennahen
Tiefenbereich von 0-1 m dienen. Lediglich beim Auftreten von Datenlücken
wurden zusätzlich Informationen aus Bohrprofilen hinzugezogen. Für die
tieferen Horizonte > 1 m unter Geländeoberkante ergeben sich die
Informationen ausschließlich aus interpolierten Bohrdaten. Da mit
steigender Endteufe die Anzahl vorliegender Bohrinformationen abnimmt,
sinkt in tieferen Bereichen > 5 m die Datendichte sukzessive. So
beinhalten für die Tiefenstufe 5-10 m nur 74,6 % der untersuchten
Bohrungen überhaupt noch Informationen. In 10-20 m Tiefe können nur noch
54,3 % der Bohrungen für die Interpolation herangezogen werden. Eine abschließende Validierung der ermittelten
Werte erfolgte durch einen Vergleich mit Informationen dreier
Baugrunduntersuchungen innerhalb eines Referenzprojektes. Die Daten der
Baugrunduntersuchungen dienten zudem als Benchmark, wodurch im Nachgang
eine Modelloptimierung vorgenommen werden konnte. Eine weitere
Verifizierung der Ergebnisse kann im Zuge des Bauvorhabens an den
tatsächlich vorliegenden Böden mit einem Messaufbau wie z. B. nach
Drefke et al. (2017) durchgeführt werden. Generell nehmen Wassergehalt und
Lagerungsdichte mit zunehmender Tiefe zu, was mit einem Anstieg der
effektiven Lagerungsdichte und des Matrixpotentials einhergeht. Ebenso
verhält sich die direkt von diesen Parametern beeinflusste
Wärmeleitfähigkeit. Diese wurde anhand von zwei unterschiedlichen
Konzepten nach Kersten (1949) / Farouki (1981) und nach Markert et al.
(2017) / Lu et al. (2014) berechnet. Mit Hilfe der in dieser Studie erstellten,
georeferenzierten Datenbank können Auswertungen und projektspezifische
Abfragen zur thermischen Leitfähigkeit sowie zu anderen pedologischen
und klimatischen Parametern über das extensive Untersuchungsgebiet des
Stromübertragungsnetzes durchgeführt werden. Die gewonnenen Ergebnisse
lassen sich zudem vorbehaltlos auf Fragestellungen des Themenbereichs
oberflächennaher bzw. oberflächennahester Geothermiesysteme wie
Kollektoren bzw. deren Sonderformen wie Grabenkollektoren oder Erdkörbe
übertragen und können u. a. die Planungssicherheit dieser Systeme
erhöhen.





FAU Authors / FAU Editors

Bertermann, David Dr.
Lehrstuhl für Geologie (Exogene Dynamik)
Müller, Johannes
Lehrstuhl für Geologie (Exogene Dynamik)
Schwarz, Hans
Lehrstuhl für Geologie (Exogene Dynamik)


External institutions with authors

TenneT TSO GmbH


Research Fields

Near-surface geothermal energy
Lehrstuhl für Geologie (Exogene Dynamik)
Climate and Resources
Research focus area of a faculty: Naturwissenschaftliche Fakultät


How to cite

APA:
Bertermann, D., Müller, J., Stegner, J., & Schwarz, H. (2019, November). Clusterung der oberflächennahen thermischen Leitfähigkeit und anderer Bodenparameter – Erdkabelkorridorplanung aus geothermischer Sicht. Paper presentation at Der Geothermie Kongress 2019, München, DE.

MLA:
Bertermann, David, et al. "Clusterung der oberflächennahen thermischen Leitfähigkeit und anderer Bodenparameter – Erdkabelkorridorplanung aus geothermischer Sicht." Presented at Der Geothermie Kongress 2019, München 2019.

BibTeX: 

Last updated on 2019-27-07 at 07:12