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Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen - Leistungsvermögen und Alterationsverhalten

Rüther, Johanna :
Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen - Leistungsvermögen und Alterationsverhalten.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen - Leistungsvermögen und Alterationsverhalten
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis is part of the research project “Poröse Polyethylenfilter für geothermische Brunnen – Leistungsvermögen und Alterationsverhalten“ at the Institute of Applied Geoscience, Department of Geothermal Science and Technology. The purpose of this project was to analyze the different hydrochemical and thermophysical processes in well systems. Recommendations for well design should be developed within this scope. Thereby the life time and efficiency of shallow geothermal well systems should be increased. In this study diverse filter and filter systems were studied referring to suitability regarding geothermal issues. Focus of the analyses was the structural, hydraulic and mechanical characterization of porous high-density polyethylene filter types. Additionally to these requirements of well and filter systems, the main topic was alteration and scaling of wells, which are induced by difference in temperature during heating and cooling. The thermomechanical, hydrochemical and thermophysical processes, which occur in well systems, were studied, simulated and modelled in order to estimate the long term behavior of the filter systems. The structural properties were researched by gas driven pycnometry, micro X-ray computer tomography (μXCT) and environmental scanning electron microscope (SEM) coupled with energy-dispersive X-ray micro spectroscopy (EDX). The mechanical evaluation was performed by tempered uniaxial compressive and tensile strength tests. In the course of analysis of hydraulic properties and characterization of scaling behavior, new test rigs were developed and a test field was installed. SEM-EDX enabled qualitative and quantitative studies of induced scaling at micro scale. The analyses were complemented by X-ray diffractometry (XRD) and Xray fluorescence spectroscopy (XRF). Object of research were four porous polyethylene filter types (PE-HD) and three slotted polyvinyl chloride filter systems (PVC). The studies of structure and mechanics clarify the diverse properties of PVC and PE-HD filters according to material and filter manufacturing. PE-HD filters are characterized by large porosity from 25 to 40 percent. The open area of PVC filters is up to ten times lower. This low porosity and the material itself result in relative high ultimate compressive strength of 15 MPa. The porous filter type, characterized by pore sizes of 200 μm, shows the best mechanical performance of the PE filters. This is based on relatively low porosity (25 to 35 percent). Consequently the strength of filter elements is a function of porosity and material. A temperature affected prognosis of filter strength in the range of 10 to 40 °C is possible due to the thermomechanical analyses. Ultimate uniaxial compressive and tensile strength declines with rising temperature caused by the thermoplastic character of the analyzed filter materials. The maximal installation depth of porous PE filters is defined by collapse strength. Since the installation of filter gravel is not required, the depth can reach up to 120 m. Consequently, the porous PE filter is exposed to not more than 20 °C in a geothermal well system. The research on filter hydraulics and scaling results in a second classification of filter systems: 1. Fine porous filters (pore diameter = 20 resp. 40 μm) are dominated by linear laminar flow regime within the filter matrix (Re < 1). The filter systems are poorly permeable (K = 3 resp. 6·10-11 m2). The Reynolds number and hydraulic conductivity increases proportionally to porosity of the fine porous filter. 2. The filter systems with pore or slot size ≥ 200 μm are characterized by non-linear laminar up to turbulent flow regime within the filter matrix. The permeability of these filter types is approximately 1·10-10 m2. The flow regime alters to laminar with increasing porosity. The findings of hydraulic analyses prove that the filter hydraulic conductivity is not reduced by fluid temperatures up to 40 °C and mineralization up to 900 μS·cm-1. The studies in field and laboratory illustrate that not only porous PE, but also slotted PVC filters are affected by incrustations. Scaling can be assumed after long operation times at fluid temperatures above 10 °C. The experimental data is complemented by the results of the calculated models. These models deliver a reliable prognosis which can be proofed by SEM and EDX results. SEM images document scaling of ferric oxides and calcium carbonate on plastic surfaces for coarse porous filter types of PE-HD and PE-HMW. This behavior is based on large pore size and the presence of metalliferous nanoparticles on the plastic surface. These nanoparticles promotes adsorption of in water preticipated minerals on the interface of filter and fluid. The increased flow velocity in the pore spaces prohibits nucleation in the pores themselves. The fine porous filter types are more sensitive to scaling compared to the coarse porous filter systems. SEM images show immense nucleation in the small pore spaces (pore diameter = 20 resp. 40 μm). The extreme nonpolar filter material ultrahigh molecular weight polyethylene (PE-UHMW) prohibits the growth of crystals on its plastic surface. Hence scaling is generated directly in the pore spaces and clogging occurs. The clogging results in a decrease of filter hydraulic conductivity. According to geotechnical, hydraulical and scaling evaluation all porous PE-HD (especially pore size = 200 μm) and slotted PVC filter systems are suitable for shallow geothermal well systems at typical groundwater conditions (T~10 °C). Based on low permeability and high sensitivity to scaling, the fine porous filter systems can be only utilized for application in minor mineralized aquifers with low hydraulic conductivity.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 09 Jun 2016 12:20
Last Modified: 03 Aug 2016 07:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54741
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 2 May 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5474
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