title: Analysis of soil properties regarding the very shallow geothermal potential by applying soil electrical resistivity investigations and concept of spatial potential mapping
title: Untersuchung von Bodenparametern hinsichtlich ihrer Relevanz für die Ermittlung des sehr oberflächennahen geothermischen Potenzials unter Zuhilfenahme geoelektrischer Widerstandsmessungen und Konzept zur Potenzialdarstellung mit digitalen Flächendaten
Creators: name: Schwarz, Hans
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: The global debate on renewable energies often centres purely on generation of electric power. However, as the provision of heat accounts for a large proportion of the total energy demand (just over 50 % in Germany), it is essential to consider the so-called "heat transition" as one part of the energy transition which should not be neglected. Heat pumps are currently the key technology for decentralised heat supply from renewable sources. Due to lower installation costs, air source heat pumps are currently often favoured over the more efficient geothermal heat pump systems. In addition to the investment costs, this is often due to unknown soil properties and with that due to the uncertainty regarding the geothermal potential. With the geothermal potential being more obvious, the efficiency of a geothermal heat pump system would stand out more. And this issue, to define this geothermal potential for very shallow geothermal systems (geothermal collectors and special forms) more distinctly and thus make preliminary explorations more accurate and preliminary planning more effective, is precisely the starting point for the studies conducted in this thesis. Both, the more universal geothermal potential in terms of soil Thermal Conductivity (TC) and the system-specific geothermal potential in terms of heat extraction of particular geothermal systems were analysed. The TC in soil can vary greatly. This parameter therefore strongly influences the performance of a geothermal system and consequently the required extent of the installation. In turn, the TC is mainly dependent on the type of soil and its mineralogical composition, as well as the dry bulk density and water content. If the unsaturated soil area is considered, the water content is additionally dependent on precipitation events and seasonal effects. In the first two studies, the basis was created to record the complexity between these soil parameters and the geophysical relationships in the soil were investigated under laboratory conditions. It is shown that these soil parameters have a major influence on both conductivities. It also became clear how differently these effects work within different soil textures. TC can only be measured point by point and in direct contact with the investigated soil. Electrical Resistivity Tomography (ERT) measurements, on the other hand, can cover large areas cost-effectively and in a non-invasive manner. Therefore, the link between TC and Electrical Conductivity (EC) is crucial for potential assessments of areas through preliminary explorations. However, the result of the laboratory tests showed that a direct correlation between both conductivities, independent of the soil texture, is not possible. For this reason, the bridge from EC to TC was built in the third study. Based on the results of the first two studies, an indirect derivation was developed. For this purpose, a concept was developed in which the calculation of soil properties using EC was linked to a common TC model. If the individual calculation steps are followed, the TC can be calculated independently of soil texture and solely on the basis of EC. The ensuing studies deal with the application of this methodology in the field and the investigation of system-relevant effects, such as temperature development in direct vicinity of geothermal collectors, influences of different soil textures and grouting materials, as well as seasonal dynamics. In addition to the accompanying monitoring of the soil parameters, 2D ERT profiles were measured on various test fields with installed geothermal systems. The inverted resistivities were analysed with regard to various variables (changing temperatures and changing water contents), with regard to soil and bedding material-specific properties, and with regard to the methodology developed to derive TC. In particular, seasonal influences were identified. In addition, depending on the performance of the system, a temperature effect in the direct vicinity of the collector was determined. Furthermore, the water content in particular, but also the soil and bedding material, as well as the bulk density, can be derived. The concept for determining TC was also successfully applied. New developments in this field include the new direct correlation between water content of soil and its EC as well as the indirect correlation concept between EC and TC. On the basis of these results, it is possible to use resistivity measurements as a tool for deriving the thermal properties of soil and thus for determining the potential for very shallow geothermal systems. In addition to the investigations directly on site, a further tool for the preliminary planning of very shallow geothermal plants was developed in a further study in the form of a concept for creating maps, displaying geothermal potential by applying spatial data analysis. In detail, a calculation concept was developed to determine the heat extraction of a specific geothermal collector type by using digital soil and climate data, a digital elevation model and information from VDI 4640-2. This enables the preparation of an area-wide map for any country under investigation, in which heat extraction can be quantitatively determined and visualised in W·m-2 depending on the very shallow geothermal system, the present soil and the local climate. The main information provided by previous developed maps for very shallow geothermal potential was mainly based on the TC of soil. This was also a development that only began over 10 years ago with the EU ThermoMap project and has since found its way into various mapping services of the respective state offices in Germany and other countries. TC was always a value that could be used by specialist planners and other experts, but was not very accessible for determining a specific heat extraction. However, to enable comprehensive assessments of energy utilisation for regional authorities, which is politically demanded in Germany, the potential of geothermal plants must be made quantifiable. The concept developed in this work has already been applied in the GEL-SEP project to several federal states in Austria (Salzburg and Styria), for the creation of regional energy utilisation plans (Ebersberg county) and for the Bavarian Energy Atlas. Despite the data basis of VDI 4640-2 (based on German climate zones), the concept for Austria was developed in such a way that the appropriate regional soil and climate data can be used. This means that this concept can be applied to other federal states in Germany as well as to any other country. The studies published in this thesis provide a comprehensive insight into the subject of evaluating and deriving geothermal potential, whether in terms of TC or heat extraction capacity. Although the investigations were applied to the potential of horizontal, very shallow geothermal systems, the findings are transferable to a wide range of applications that deal with heat transport (e.g. high-voltage underground cables) or electrical resistivity (e.g. earthing systems) in soil.
description: In der weltweit geführten Diskussion zu erneuerbaren Energien geht es häufig rein um die Stromerzeugung. Da aber die Bereitstellung von Wärme einen großen Teil des Gesamtenergiebedarfs einnimmt (in Deutschland knapp über 50 %) muss die sogenannte „Wärmewende“ im Zuge der Energiewende unbedingt mitgedacht werden. Für eine dezentrale Wärmebereitstellung mit erneuerbarer Quelle ist die Wärmepumpe aktuell Schlüsseltechnik. Aufgrund der niedrigeren Installationskosten wird aktuell häufig zur „Luft-Wärmepumpe“ und nicht zu den effizienteren erdgekoppelten Systemen gegriffen. Dies liegt neben den Investitionskosten häufig an der Unbekannten „Boden“ bzw. an der Unsicherheit hinsichtlich des Geothermischen Potenzials. Wäre das jeweilige geothermische Potenzial häufig klarer, so würde auch die Effizienz einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage viel deutlicher. Und genau an diesem Punkt - dieses Potenzial für die oberflächennahsten Geothermiesysteme (Erdwärmekollektoren und Spezialformen) klarer zu Fassen und damit Vorerkundungen genauer und Vorplanungen effektiver zu gestalten - daran setzen die in dieser Arbeit durchgeführten Studien an. Es wurde sowohl das allgemeine Potenzial in Form der Wärmeleitfähigkeit des Bodens als auch systemspezifische Potenzial in Form der Entzugsleistung der jeweiligen Erdwärmeanlagen betrachtet. Die Wärmeleitfähigkeit im Boden kann sehr unterschiedlich ausfallen und dadurch die Performance des Geothermiesystems und folglich den benötigten Umfang der Installation stark beeinflussen. Die Wärmeleitfähigkeit wiederrum ist hauptsächlich abhängig von der Bodenart und dessen mineralogischen Zusammensetzung, sowie von der Trockenrohdichte und vom Wassergehalt. Betrachtet man den ungesättigten Bodenbereich, ist der Wassergehalt zusätzlich von Niederschlagsereignissen und saisonalen Effekten beeinflusst. In den ersten zwei Studien wurde die Grundlage geschaffen die Komplexität zwischen diesen Bodenparametern zu erfassen. Dazu wurde im Labor sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit an große Proben verschiedener Bodenarten bei verschiedenen Lagerungsdichten und Sättigungsgraden gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Bodenparameter einen großen Einfluss auf beide Leitfähigkeiten haben. Außerdem wurde deutlich wie unterschiedlich diese Effekte bei unterschiedlichen Bodenarten wirken. Weil die Wärmeleitfähigkeit im Boden nur punktuell gemessen werden kann und weil mit Geoelektrik-Messungen große Flächen kostengünstig und non-invasiv abgedeckt werden können, ist die Verknüpfung zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit für Potenzialbewertungen von Flächen durch Vorerkundungen entscheidend. Ergebnis der Laboruntersuchungen ist aber, dass eine bodenartunabhängige, direkte Korrelation zwischen beiden Leitfähigkeiten nicht möglich ist. Aus diesem Grund wurde die Brücke von der elektrischen Leitfähigkeit hin zur Wärmeleitfähigkeit in der dritten Studie geschlagen. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten beiden Studien wurde eine indirekte Ableitung entwickelt. Dazu wurde ein Konzept entwickelt, in dem die Berechnung einzelner Basisparameter mit Hilfe der elektrischen Leitfähigkeit mit einem gängigen Wärmeleitfähigkeitsmodell verknüpft wurden. Folgt man den jeweiligen Berechnungsschritten kann die Wärmeleitfähigkeit doch bodenartunabhängig und ausschließlich auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit berechnet werden. Die darauffolgenden Studien befassen sich mit der Anwendung dieser Methodik im Feld und der Untersuchung von systemrelevanten Effekten, wie Temperaturentwicklung in direkter Kollektor-Umgebung, Einflüsse unterschiedlicher Bodenarten und Bettungsmaterialien, sowie saisonaler Dynamik. Dazu wurden neben dem begleitenden Monitoring der Rahmenparameter auf verschiedenen Testfeldern mit eingebauten Geothermiesystemen zweidimensionale Geoelektrik Profile gemessen. Die invertierten Widerstände wurden hinsichtlich verschiedener Variablen (Wechselnde Temperaturen und wechselnde Wassergehalte), hinsichtlich bodenart- und bettungsmaterialspezifischer Eigenschaften, sowie hinsichtlich der entwickelten Methodik zur Ableitung der Wärmeleitfähigkeit untersucht. Vor allem saisonale Einflüsse konnten aufgezeigt werden. Außerdem wurden je nach Leistung des Systems ein Temperatureffekt in direkter Kollektorumgebung festgestellt. Des Weiteren kann vor allem der Wassergehalt, aber auch Boden- und Bettungsmaterial, sowie die Trockenrohdichte gut abgeleitet werden. Das Konzept zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurde ebenfalls erfolgreich angewendet. Als Neuentwicklungen sind in diesem Feld zum einen die neue direkte Korrelation zwischen dem Wassergehalt des Bodens und dessen elektrischer Leitfähigkeit als auch die genannte indirekte Verknüpfung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu sehen. Auf Basis dieser Ergebnisse ist es möglich Geoelektrik-Messungen als Tool für eine Ableitung der thermischen Bodeneigenschaften und damit für eine Potenzialermittlung für oberflächennahste Geothermiesysteme zu verwenden. Neben den Untersuchungen und Entwicklungen direkt am Bodenmaterial wurde in einer zusätzlichen Studie ein weiteres Tool für die Vorplanung oberflächennahster Geothermieanlagen in Form eines Konzepts zur Erstellung von Potenzialkarten mit Hilfe von digitalen Flächendaten entwickelt. Im Detail wurde ein Berechnungskonzept zur Bestimmung der Entzugsleistung eines spezifischen Kollektortyps auf Basis von digitalen Boden- und Klimadaten, einem digitalen Geländemodell, sowie den Informationen der VDI 4640-2 entwickelt. Damit kann für ein beliebiges Untersuchungsgebiet eine flächendeckende Karte erstellt werden, in der Entzugsleistungen quantitativ in W·m-2 je nach Geothermiesystem in Abhängigkeit des Bodens und des regionalen Klimas bestimmt und dargestellt werden können. Hintergrund ist der, dass die Hauptinformation bisheriger Potenzialkarten hauptsächlich auf der Wärmeleitfähigkeit des Bodens beruhte. Und auch das war eine Entwicklung, die erst vor etwas über 10 Jahren mit dem EU-Projekt ThermoMap begann und mittlerweile Einzug in die verschiedenen Kartendienste der jeweiligen Landesämter Deutschlands und anderer Länder hielt. Allerdings war die Wärmeleitfähigkeit immer ein Wert, welcher zwar durch Fachplaner und andere Experten verwendet werden konnte, aber für die Bestimmung einer bestimmten Wärmeenergie nicht sehr zugänglich ist. Im Zuge einer in Deutschland politisch geforderten flächendeckenden Bewertung der Energienutzung müssen die Potenziale der Geothermieanlagen aber quantitativ fassbar gemacht werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Konzept wurde dazu schon im GEL-SEP Projekt auf mehrere Bundesländer in Österreich (Salzburg und Steiermark), für die Erstellung regionaler Energienutzungspläne (Lkr. Ebersberg) und für den Bayerischen Energie Atlas angewendet. Trotz der Datenbasis der VDI 4640-2 (beruht auf Deutschen Klimazonen) wurde das Konzept für Österreich so entwickelt, dass die entsprechenden regionalen Boden- und Klimadaten verwendet werden können. Dadurch kann dieses Konzept genauso für weitere Bundesländer in Deutschland, als auch auf jedes andere Land angewandt werden. Die in dieser Arbeit veröffentlichten Studien zeigen einen umfassenden Einblick in das Thema der Bewertung bzw. Ableitung von geothermischen Potenzialen, ob als Wärmeleitfähigkeit oder als Entzugsleistung. Und auch wenn die Untersuchungen immer unter dem Gesichtspunkt des Potenzials von horizontalen, oberflächennahen Geothermiesystemen durchgeführt wurden, so können die Erkenntnisse doch auf ein breites Feld von Anwendungen, welche sich mit dem Wärmetransport (bspw. Hochspannungs-Erdkabel) oder mit dem elektrischen Widerstand (bspw. Erdungsanlagen) im Boden beschäftigen, übertragen werden.