Thomas Nacke1, Yahor Zaikou1, Daniel Martin1, Chris Gansauge1, Olaf Ukelis2, Roman Zorn2, Linda Schindler2, Rico Lorenz3
1Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V., Deutschland; 2Europäisches Institut für Energieforschung, Deutschland; 3Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH, Deutschland
Die im Verbundprojekt „GeoMo“ (gefördert durch ptj, Förderkennzeichen: 03ET1546B, Laufzeit 3 Jahre) bereits erfolgten Entwicklungs- und Forschungsarbeiten basieren auf Radarmesstechnik, um die Qualität der Hinterfüllung von Erdwärmesonden (EWS) messtechnisch zu erfassen. Das Verbundprojekt wurde im Januar 2019 gestartet, und im Beitrag werden neben dem Messaufbau auch erste Ergebnisse aus praxisbezogenen Versuchen an Probekörpern vorgestellt.
Die Qualität der Hinterfüllung von EWS sollte entsprechend der Leitlinien des Umweltministeriums zur Qualitätssicherung von EWS direkt beim Verfüllungsvorgang erfolgen. Allerdings werden darüber hinaus auch Messsysteme benötigt, welche neben der Überprüfung des Verfüllvorgangs auch Fehlstellen im Umfeld der EWS bis zum Gebirge bzw. thermische Kurzschlüsse der Rohrleitungen auch zu einem späteren Zeitpunkt detektieren können. Für eine nachhaltige Nutzung von EWS sind eine Detektionsmöglichkeit vor Eintritt eines Schadens sowie entsprechende Kontrollmöglichkeiten zum Monitoring einer sachgerechten Abdichtung auch bei bereits installierten Sonden dringend erforderlich.
Hierzu werden miniaturisierte Messsysteme benötigt, welche eine Befahrung von EWS mit minimalem Innendurchmesser von 26 mm und hoher Auflösung zur bildhaften Darstellung der Hinterfüllungen im Zentimeter-Maßstab ermöglichen. Entsprechend der Erfordernisse ist es im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens das Ziel, ein Qualitätssicherungs- und überwachungssystems für EWS-Anlagen auf der Basis der dielektrischen Hochfrequenz-Spektroskopie als onlinetaugliche, zerstörungsfreie Radarmesstechnik zu entwickeln. Durch die Integration von miniaturisierten elektronischen Hochfrequenzbaugruppen, welche in das Rohrsystem von EWS absenkt werden, sind kontinuierliche Messungen über die gesamte Teufe der Bohrung möglich. Die Integration des Messsystems, die zeitnahe Überwachung von wesentlichen Prozessparametern sowie die hohe Ortsauflösung der erhaltenen Daten ermöglichen sowohl die Fehleranalyse im Falle einer unvollständigen Verfüllung als auch das langfristige Umweltmonitoring von EWS.
Die zur Anwendung gebrachte Radarmesstechnik im Frequenzbereich von ca. 0,5 GHz bis 5 GHz beinhaltet miniaturisierte Antennensysteme und elektronische Komponenten zur Signalgenerierung und Auswertung, so dass eine räumliche Information über die Eigenschaften der Hinterfüllung berechnet und bildhaft dargestellt wird. Dadurch wurde ein 3-dimensionales Monitoring über die Hinterfüllung der EWS möglich. Das Monitoring beinhaltet neben der Bestimmung der Position der EWS in der Bohrung auch Informationen zu fehlenden Hinterfüllungen und Fehlstellen, wie Wassereinbrüche und mit Luft gefüllte Hohlräume.
Bei diesem Transmission Messverfahren wird über eine Sendeantenne ein hochfrequentes, elektromagnetisches Feld in das umgebende Medium der EWS eingekoppelt. Eine Empfangsantenne entnimmt die vom durchstrahlten Medium mehr oder weniger gedämpften Anteile. Die Messdaten werden durch ein im Verbundprojekt entwickeltes Auswerteverfahren räumlich ausgewertet und zukünftig als ein 3-D-Stapel visualisiert.
Es wird derzeit eingeschätzt, dass mit der Entwicklung und nachfolgenden Vermarktung eines auf der Radartechnik basierenden anwenderfreundlichen Qualitätssicherungs- und -überwachungssystems für EWS eine ordnungsgemäße Erstellung (Verpressung des Bohrlochringraums), die Inbetriebnahme von EWS-Anlagen sowie eine anschließende effektive Nutzung in der Betriebsphase (Langzeitmonitoring) ermöglicht werden kann. Zweifel an der sachgerechten Verbauung von EWS können mit diesem feldtauglichen Messsystem beseitigt werden.
