Rüther, Johanna (2016)
Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen - Leistungsvermögen und Alterationsverhalten.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen – Leistungsvermögen und Alterationsverhalten“ am Institut für Angewandte Geowissenschaften, Fachgebiet Angewandte Geothermie erstellt. Das Ziel des Projektes war es, die unterschiedlichen Prozesse im Brunnen zu analysieren und Empfehlungen für den Brunnenausbau zu geben, um die Lebensdauer und damit die Rentabilität von geothermischen Brunnenanlagen zu steigern. In dieser Studie wurden unterschiedliche Filter und Filtersysteme auf ihre Tauglichkeit bezüglich geothermischer Fragestellungen überprüft. Schwerpunkt der Untersuchungen stellte die strukturelle, hydraulische und mechanische Charakterisierung von hochdichten, porösen Polyethylen-Filtern (PE-HD) dar. Neben diesen Anforderungen an Brunnen und Filter standen die Alterungsprozesse des Brunnens im Vordergrund, die durch Temperaturunterschiede bei Heiz- und Kühlbetrieb auftreten. Zur Abschätzung des Langzeitverhaltens der Filterelemente war es erforderlich, die mechanischen, hydrochemischen und thermophysikalischen Prozesse, die in Brunnen stattfinden, zu untersuchen, zu simulieren und zu modellieren. Die strukturellen Eigenschaften wurden mittels Gaspyknometrie, Mikro-Röntgen-Computer- Tomographie (μXCT) und Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (ESEM-EDX) untersucht. Zur mechanischen Evaluierung wurden temperierte einaxiale Druck- und Zugversuche durchgeführt. Für die Erforschung der hydraulischen Eigenschaften sowie der Charakterisierung des Alterationsverhaltens wurden eigene Versuchsstände entwickelt und ein Testfeld errichtet. ESEM-EDX ermöglichte eine qualitative und quantitative Untersuchung von Ablagerungen im Feinstpartikelbereich. Zur Analyse von Alterationserscheinungen kamen auch Röntgendiffraktometrie (XRD) und Röntgenfluoreszenzanalytik (XRF) zum Einsatz. Untersuchungsgegenstand waren vier poröse Polyethylenfiltertypen (PE-HD) und drei geschlitzte Polyvinylchloridfilter (PVC). Die Studien zur Struktur und Mechanik verdeutlichen die abweichenden Eigenschaften der PVC- und PE-Filter aufgrund des Werkstoffs und der Filterherstellung. Hauptmerkmal für PEHD- Filter ist die hohe Porosität von 30 bis 40 %. Die zum Vergleich herangezogenen PVC-USchlitzfilter weisen eine bis zu zehnfach geringere offene Fläche auf. Die geringere Filterporosität und der Werkstoff PVC resultieren in hoher einaxialer Druckfestigkeit von 15 MPa. Anhand der Auswertung der mechanischen Untersuchungen wird auch deutlich, dass der Filtertyp mit Porenweite 200 μm die höchste mechanische Belastbarkeit der PE-Filter aufweist. Dies ist wiederum auf die relativ geringe Porosität des Filtertyps zurückzuführen. So entspricht die Festigkeit aller porösen PE-Filter einer exponentiellen Funktion in Abhängigkeit der Porosität und des Werkstoffs. Die thermomechanische Analyse der Filtertypen ermöglicht eine Prognose der temperaturabhängigen Filterfestigkeit im Anwendungsbereich von 10 bis 40 °C. Die Festigkeit nimmt aufgrund des thermoplastischen Verhaltens der Kunststoffe mit zunehmender Temperatur ab. Die durch die Außendruckfestigkeit definierte maximale Einbautiefe reicht für die porösen PE-Filter aufgrund des nicht benötigten Einbaus von Schüttgütern bis zu 120 m. Folglich sind die Filtermaterialien im Falle geothermischer Anwendung maximalen Temperaturen von 20 °C ausgesetzt. Die Untersuchungen zur Hydraulik und zum Alterationsverhalten führen zu einer anderen Klassifizierung der Filtersysteme: 1. Die Durchströmung der feinporigen Filtertypen (Porendurchmesser = 20 und 40 μm) ist durch ein linear laminares Strömungsregime gekennzeichnet. Diese Filtertypen sind geringfügig permeabel (K = 3 bzw. 6·10-11 m2). Mit wachsender Filterporosität nehmen die hydraulische Leitfähigkeit sowie die Reynoldszahl des Strömungsregimes zu. 2. Die Versuche mit den Filtertypen mit Poren-bzw. Schlitzweite ≥ 200 μm weisen ein nichtlinear laminares Strömungsregime auf. Die Permeabilität dieser Filtertypen beträgt etwa 1·10-10 m2. Mit zunehmender Porosität wird das Strömungsverhalten zunehmend laminar. Die Befunde zur Filterdurchlässigkeit in Abhängigkeit der Wassertemperatur bzw. Fluidmineralisierung belegen, dass die hydraulischen Filtereigenschaften beim Einsatz mit Temperaturen bis zu 40 °C und Fluidmineralisierung mit bis zu 900 μS·cm-1 nicht herabgesetzt werden. Die Untersuchungen im Feld und Labor haben ergeben, dass nicht nur die porösen PEFilterelemente für Inkrustationen anfällig sind, sondern dies in gleichem Maße auch für PVCSchlitzfilter zutrifft. Mit zunehmender Betriebsdauer bei Grundwassertemperaturen oberhalb von 10 °C ist davon auszugehen, dass es zu Inkrustationserscheinungen an den porösen PEFilterelementen kommen wird. Die hydrochemischen Modellierungen sind eine wichtige Ergänzung der experimentellen Ergebnisse und liefern zuverlässige Prognosen zur Alteration, die durch die Ergebnisse aus ESEM- und EDX -Analysen bestätigt werden. Anhand der ESEM-Bilder ist ersichtlich, dass es bei grobporigen PE-Filtersystemen nicht zur Verstopfung der Porenkanäle kommt, sondern eine Adsorption von Eisenhydroxiden und Kalziumkarbonat auf der Polymeroberfläche vorherrscht. Dieses Verhalten ist der Porengröße der Filtertypen sowie der Anwesenheit von metallhaltigen Nanopartikeln auf der Kunststoffoberfläche geschuldet. So kommt es zur Adsorption von im Wasser gefällten Mineralen an den als Kristallisationskeime wirkenden Nanopartikeln. Außerdem wird die Kristallbildung aufgrund erhöhter Fließgeschwindigkeit in den Porenräumen unterbunden. Es zeigt sich, dass die feinporigen Filterelemente wesentlich anfälliger für Inkrustationen sind als grobporige Filterelemente. Die feinporigen Filtertypen neigen zur erhöhten Keimbildung in den kleinen Porenräumen (Durchmesser = 20/40 μm). Das extrem unpolare Filtermaterial ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW) unterbindet ein Wachstum von Kristallen auf der Kunststoffoberfläche. Folglich entstehen die Ausfällungen direkt in den Porenräumen und es kommt zur beschleunigten Verstopfung der Poren. Dies resultiert in der Abnahme der Filterdurchlässigkeit. Nach Beurteilung der geotechnischen und hydraulischen Eigenschaften sowie dem Alterationsverhalten sind alle porösen PE-Filtertypen (insbes. Porenweite = 200 μm) und PVCSchlitzfilter in Schluck- bzw. Entnahmebrunnen für den geothermischen Einsatz bei typischen Grundwasserbedingungen (T~10 °C) geeignet. Aufgrund der verringerten Permeabilität und erhöhten Sensitivität gegenüber Alterungserscheinungen sollten die feinporigen Filter nur in niedrigmineralisiertem Grundwasser in Aquiferen mit geringer Durchlässigkeit eingesetzt werden.

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