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

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.