Sandproduktion ist eine große Herausforderung in vielen Tiefbohrungen. Um sie zu verhindern wurden verschiedene Methoden und Bauteilen entwickelt, die unter dem Begriff Sandkontrollmaßnahmen zusammengefasst werden. Zu diesen zählt der Einbau von Sandfiltern als Standalone Screens oder Teil eines Gravel Packs. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren aus Geologie und Betriebsweise sind die Funktionsweise und das Versagen von Sandfiltern nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Eine Möglichkeit zur Untersuchung von Sandfiltern ist die Durchführung von laborativen Experimenten. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von zwei Versuchsanlagen vorgestellt. Die Anlagen werden genutzt, um einen neuentwickelten Wickeldrahtfilter zu untersuchen. Der Filter unterscheidet sich von bisherigen Designs durch eine Beschichtung auf der Außenseite, die, durch die Verwendung von Materialien mit großer Härte, für eine größere Erosionsbeständigkeit sorgen soll. Eine umfassende Literaturrecherche zu den Versagensmechanismen und dem Stand der Technik von laborativen Untersuchungen an Sandfiltern bilden die Grundlage für diese Arbeit. Darauf aufbauend werden theoretische Vorüberlegungen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten von Sandfiltern dargestellt. Die Versuchsanlagen ermöglichen zum einen die Durchführung von Sand Retention Tests und zum anderen die gezielte Erosion von Filterproben mittels einer kontinuierlichen Durchströmung mit einer Suspension. Die Ergebnisse werden genutzt, um grundlegende Aussagen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten abzuleiten. Zusätzlich wird der neu entwickelte, beschichtete Filter mit konventionellen Filtern verglichen. Aus den Ergebnissen werden Limitationen der laborativen Untersuchungen zum Sandkontrollverhalten und Auswertungsempfehlungen formuliert. Ein Unterschied im Sandkontrollverhalten zwischen beschichteten und unbeschichteten Filtern kann nicht festgestellt werden. Es wird gezeigt, dass interne Turbulenz in den Öffnungen eines Sandfilters ein wichtiger Einflussfaktor auf die Erosion mit feinen Partikeln ist. Sandfilter können an unterschiedlichen Stellen erodieren, die sich nicht alle direkt auf die Funktionalität auswirken. Der Vergleich der Ergebnisse deutet darauf hin, dass beschichtete Filter eine längere Standzeit unter erosiven Bedingungen haben, da sie an der Außenseite weniger erodieren als unbeschichtete Wickeldrahtfilter. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Beschichtung kommt es jedoch zu größerer interner Erosion. Die Diskussion der durchgeführten Versuche liefert zusammen mit den umfangreichen theoretischen Vorüberlegungen einen Beitrag zum Verständnis über das Versagen von Sandfiltern, insbesondere das Zusammenspiel von Erosion und Sandkontrolle. Die Untersuchungen an Proben des neuartigen, beschichteten Filters bilden den Grundstein für derzeit laufende Feldeinsätze von Prototypen.

Bei oberflächennahen geothermischen Anwendungen kommt es zu Temperaturveränderungen im Untergrund, um Wärme zu gewinnen oder zu speichern. Die dadurch verursachten thermischen Auswirkungen können die thermischen, hydraulischen und chemischen Bedingungen des Untergrunds verändern und sich auf die Systemleistung auswirken. Die Situation wird noch komplizierter, wenn die Grundwasserleiter unterschiedlich gesättigt sind und eine Verunreinigung des Untergrunds vorliegt. In dieser Arbeit werden vollständig gekoppelte Wärme- und Stofftransportmodelle angewandt, um die Wechselwirkung zwischen oberflächennahen geothermischen Anwendungen und der unterirdischen Umgebung besser zu charakterisieren. Es werden drei verschiedene Szenarien untersucht. Zunächst werden die thermischen Auswirkungen und die Nachhaltigkeit einer intensiven oberflächennahen geothermischen Nutzung in einem Wohngebiet über einen Zeitraum von 24 Jahren bewertet. Überwachungsdaten des Standorts werden in das Modell integriert, und die Bedeutung standortspezifscher Kenntnisse für die Planung wird hervorgehoben. Zweitens wird der gekoppelte Feuchtigkeits- und Wärmetransport eines Erdwärmespeichersystems (BTES) untersucht. Es wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt und die Wärmeentzugsefzienz zwischen verschiedenen Szenarien verglichen. Bei Austrocknung oder starker Gasphasenkonvektion werden signifkante Änderungen im Wärmetransportverhalten erwartet. Drittens wird ein nichtisothermes Drei-Komponenten-Zweiphasenströmungsmodell abgeleitet und mit der Finite-Elemente-Methode implementiert. Die Validierung des numerischen Modells bestätigt seine Fähigkeit, die gekoppelte Strömung sowie den Wärme- und Stofftransport in einem ungespannten Grundwasserleiter zu simulieren, der einem BTES-Betrieb ausgesetzt ist. Insbesondere wird das Potenzial für die thermisch verstärkte Verflüchtigung von Trichlorethylen (TCE) in wässriger Phase bewertet. Da durch die Wärmezufuhr eine Auftriebsströmung induziert wird, nimmt die Verringerung der Schadstoffmasse erheblich zu und erreicht nach fünf Jahren mehr als 70 %. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können durch die Verbesserung ihrer ökologischen und ökonomischen Leistungen zu einer breiteren Akzeptanz von Technologien der flachen Geothermie beitragen. / Shallow geothermal applications induce temperature changes in the subsurface for heat extraction or storage purposes. Their induced thermal impacts may alter the thermal, hydraulic, and chemical conditions of the subsurface and feedback on the system performance. The situation is further complicated in variably saturated aquifers and when subsurface contamination exists. In this work, fully coupled heat and mass transport models are applied to improve the characterization of interaction between shallow geothermal applications and the subsurface environment. Three different scenarios are investigated. First, the thermal impact and sustainability of intensive shallow geothermal exploitation in a residential area is evaluated over a 24-year period. Monitoring data from the site is integrated into the model and the importance of site-specifc knowledge for planning is highlighted. Second, the coupled moisture and heat transfer of a soil borehole thermal energy storage (BTES) system is explored. A sensitivity analysis is performed and the heat extraction efciency is compared among various scenarios. Signifcant changes in the heat transport behavior are expected when drying out or strong gas phase convection occurs. Third, a non-isothermal three-component two-phase flow model is derived and implemented with the fnite element method. Validation of the numerical model confrms its ability to simulate the coupled flow, heat and mass transport in an unconfned aquifer subject to BTES operation. In particular, the potential for thermally-enhanced volatilization of aqueousphase trichloroethylene (TCE) is assessed. As buoyant flow is induced due to heat injection, reduction of the contaminant mass grows considerably, reaching more than 70% after fve years. The fndings obtained from this thesis can contribute to a wider adoption of shallow geothermal technologies through the enhancement of their environmental and economical services.

A PhD dissertation which presented a numerical modelling study on the long-term behavior in the multiple borehole heat exchanger array system for sustainable utilisation of shallow geothermal energy.

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132

Um den Planungsprozess von oberflächennahen Geothermieanlagen verbessern zu können, ist es von Vorteil, die Parameter zu kennen, welche besonders großen Einfluss auf die Leistung einer solchen Anlage haben. Um dies zu untersuchen, können globale Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Sensitivitätsanalyse beinhaltet ein Parameterscreening mit der One-Variable-At-a-Time-Methode und eine anschließend durchgeführte globale Sensitivitätsanalyse mithilfe von Sobol‘-Indizes. Hierbei werden die Eingabeparameter des verwendeten Berechnungsmodells innerhalb vorher definierter Wertebereiche und gemäß festgelegter Verteilungen variiert, was in einer großen Anzahl an Modelldurchläufen resultiert. Daher kommen bei Sensitivitätsanalysen oftmals approximierte Modelle zum Einsatz, welche das Verhalten des ursprünglichen Berechnungsmodells nachahmen sollen, um auf diese Weise eine geringere Rechenzeit zu erzielen. Hierfür werden in der vorliegenden Arbeit sogenannte Gauß-Prozess-Emulatoren verwendet. In dieser Arbeit werden die genannten Methoden aus mathematischer Sicht vorgestellt und eingeordnet und abschließend an einem analytischen Modell für die Untergrundparameter einer Geothermieanlage vorgeführt.

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Ende der 1970er Jahre sah sich die SED in der DDR gezwungen angesichts hoher Auslandsverschuldung und gestiegener Importpreise für fossile Energieträger stärker in heimische Energiequellen und rationellere Energieanwendung zu investieren. In diesem Kontext und um Anschluss an die internationale Entwicklung zu halten wurde Ende der 1970er und in den 1980er Jahren die Nutzung oberflächennaher und tiefer Geothermie gefördert. Im Rahmen dieser Arbeit wird neben einer chronologischen Darstellung der Geothermieförderung in der DDR eine Einordnung in deren Energiepolitik, der Wärmeversorgung und der Förderung anderer erneuerbarer Energien geleistet. Aufgrund des geringen historischen Forschungsstandes zur Geothermie und der Wärmeversorgung in der DDR allgemein wurde dieser Arbeit ein explorativer Ansatz zugrunde gelegt. Als Quellenbasis dienten unter anderem Artikel aus wissenschaftlichen Zeitschriften der DDR und verschiedene Archivbestände. Ende der 1970er Jahre bis 1983 versuchte die SED den Einsatz von Wärmepumpen für die Wärmeversorgung zu fördern. Obwohl zahlreiche Pilotprojekte wie die Wärmepumpenheizzentrale Dresden fertiggestellt wurden stießen die politischen Planvorgaben auf materielle Engpässe und wenig Nachfrage in der Wärmeversorgung. Nach der abrupten Reduzierung der Zielvorgaben für die Wärmepumpenförderung wurde ab 1984 mit besonderem politischem Interesse die Tiefengeothermie gefördert und hierfür der Spezialbetrieb VEB Geothermie Neubrandenburg gegründet. Von den geplanten Anlagen zur Versorgung von Wohngebieten mit insgesamt 110 MW thermischer Leistung konnten bis zum Ende der DDR tiefengeothermische Heizzentralen in Waren, Neubrandenburg und Prenzlau fertiggestellt werden, was 22% der geplanten Leistung entsprach. Somit scheiterte auch das Großprojekt einer geothermischen Wärmeversorgung von Schwerin. Grund waren unter anderem übersteigerte Planvorgaben, der materielle Mangel in der Wirtschaft der DDR und nicht ausreichende Erfahrungen mit der jungen Technologie. / At the end of the 1970s the socialist party of the GDR was forced by high debts in foreign currency and risen import prices for fossil fuels to invest in indigenous energy sources and more rational energy applications. In this context and to take pace with the international development the SED began at the end of the 1970s and during the 1980s to support the use of geothermal heating. This thesis consists of a chronological representation of the geothermal energy support in the GDR and contextualizes East German energy policy, heat supply and use of other renewable energy sources. Historical sources consist to the main extent on archive material and scientific papers from the GDR. Until 1983 the SED tried to promote the application of heat pumps for heat supply. Even though several pilot projects like the heat pump station in Dresden were successfully erected, the political plan targets collided with material short supply and low demand in the heating business. After the sudden reduction of the political targets concerning heat pumps, special political interest was given to geothermal energy in higher depths since 1984. Therefore a special company the VEB Geothermie Neubrandenburg was founded. From the planned stations for heat supply of residential areas with a total power of 110 MW only 22% were actually finished until the end of the GDR in 1990. Those stations were located in Waren, Neubrandenburg and Prenzlau in the northern part of East Germany. Consequently failed the major project of a geothermal heat supply of the city of Schwerin. Reasons were excessive plan targets, the material short supply in the East German economy and a lack of experiences in the young technology.

Ende der 1970er Jahre sah sich die SED in der DDR gezwungen angesichts hoher Auslandsverschuldung und gestiegener Importpreise für fossile Energieträger stärker in heimische Energiequellen und rationellere Energieanwendung zu investieren. In diesem Kontext und um Anschluss an die internationale Entwicklung zu halten wurde Ende der 1970er und in den 1980er Jahren die Nutzung oberflächennaher und tiefer Geothermie gefördert. Im Rahmen dieser Arbeit wird neben einer chronologischen Darstellung der Geothermieförderung in der DDR eine Einordnung in deren Energiepolitik, der Wärmeversorgung und der Förderung anderer erneuerbarer Energien geleistet. Aufgrund des geringen historischen Forschungsstandes zur Geothermie und der Wärmeversorgung in der DDR allgemein wurde dieser Arbeit ein explorativer Ansatz zugrunde gelegt. Als Quellenbasis dienten unter anderem Artikel aus wissenschaftlichen Zeitschriften der DDR und verschiedene Archivbestände. Ende der 1970er Jahre bis 1983 versuchte die SED den Einsatz von Wärmepumpen für die Wärmeversorgung zu fördern. Obwohl zahlreiche Pilotprojekte wie die Wärmepumpenheizzentrale Dresden fertiggestellt wurden stießen die politischen Planvorgaben auf materielle Engpässe und wenig Nachfrage in der Wärmeversorgung. Nach der abrupten Reduzierung der Zielvorgaben für die Wärmepumpenförderung wurde ab 1984 mit besonderem politischem Interesse die Tiefengeothermie gefördert und hierfür der Spezialbetrieb VEB Geothermie Neubrandenburg gegründet. Von den geplanten Anlagen zur Versorgung von Wohngebieten mit insgesamt 110 MW thermischer Leistung konnten bis zum Ende der DDR tiefengeothermische Heizzentralen in Waren, Neubrandenburg und Prenzlau fertiggestellt werden, was 22% der geplanten Leistung entsprach. Somit scheiterte auch das Großprojekt einer geothermischen Wärmeversorgung von Schwerin. Grund waren unter anderem übersteigerte Planvorgaben, der materielle Mangel in der Wirtschaft der DDR und nicht ausreichende Erfahrungen mit der jungen Technologie.:1. Einleitung 3 2. Energiepolitik in der DDR 7 2.1 Energiepolitik der SED 7 2.2 Regenerative Energiequellen in der Energiepolitik 9 3. Erdwärme in der Energiewirtschaft der DDR 13 3.1 Akteure der Energiewirtschaft 13 3.2 Wärmeversorgung 15 3.3 Nutzung regenerativer Energiequellen 18 4. Oberflächennahe und tiefe Geothermie 22 4.2 Wärmepumpen zur Nutzung von Umweltwärme 22 4.2.1 Wärmepumpen für die rationelle Energieanwendung 22 4.2.2 Fallbeispiel Wärmepumpen-Heizzentrale Dresden 28 4.2.3 Vorzeitiges Ende der Wärmepumpenförderung 33 4.3 Tiefengeothermie im Norden der DDR 35 4.3.1 Hohe Erwartungen an die Tiefengeothermie 35 4.3.2 Grenzen der Leistungsfähigkeit des VEB Geothermie 41 5. Zusammenfassung 48 Literatur 51 Archivalische Quellen 54 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 56 Abkürzungsverzeichnis 57 Physikalisch-technischer Anhang 58 / At the end of the 1970s the socialist party of the GDR was forced by high debts in foreign currency and risen import prices for fossil fuels to invest in indigenous energy sources and more rational energy applications. In this context and to take pace with the international development the SED began at the end of the 1970s and during the 1980s to support the use of geothermal heating. This thesis consists of a chronological representation of the geothermal energy support in the GDR and contextualizes East German energy policy, heat supply and use of other renewable energy sources. Historical sources consist to the main extent on archive material and scientific papers from the GDR. Until 1983 the SED tried to promote the application of heat pumps for heat supply. Even though several pilot projects like the heat pump station in Dresden were successfully erected, the political plan targets collided with material short supply and low demand in the heating business. After the sudden reduction of the political targets concerning heat pumps, special political interest was given to geothermal energy in higher depths since 1984. Therefore a special company the VEB Geothermie Neubrandenburg was founded. From the planned stations for heat supply of residential areas with a total power of 110 MW only 22% were actually finished until the end of the GDR in 1990. Those stations were located in Waren, Neubrandenburg and Prenzlau in the northern part of East Germany. Consequently failed the major project of a geothermal heat supply of the city of Schwerin. Reasons were excessive plan targets, the material short supply in the East German economy and a lack of experiences in the young technology.:1. Einleitung 3 2. Energiepolitik in der DDR 7 2.1 Energiepolitik der SED 7 2.2 Regenerative Energiequellen in der Energiepolitik 9 3. Erdwärme in der Energiewirtschaft der DDR 13 3.1 Akteure der Energiewirtschaft 13 3.2 Wärmeversorgung 15 3.3 Nutzung regenerativer Energiequellen 18 4. Oberflächennahe und tiefe Geothermie 22 4.2 Wärmepumpen zur Nutzung von Umweltwärme 22 4.2.1 Wärmepumpen für die rationelle Energieanwendung 22 4.2.2 Fallbeispiel Wärmepumpen-Heizzentrale Dresden 28 4.2.3 Vorzeitiges Ende der Wärmepumpenförderung 33 4.3 Tiefengeothermie im Norden der DDR 35 4.3.1 Hohe Erwartungen an die Tiefengeothermie 35 4.3.2 Grenzen der Leistungsfähigkeit des VEB Geothermie 41 5. Zusammenfassung 48 Literatur 51 Archivalische Quellen 54 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 56 Abkürzungsverzeichnis 57 Physikalisch-technischer Anhang 58