Wärmeleitfähigkeit von Böden
Projektanfang: 01.01.2023
Projektende: 31.12.2025
Projektstand: 30.06.2023
Die Temperatur des Bodens und ihre zeitliche und räumliche Verteilung, also der Wärmehaushalt, ist von zentraler Bedeutung für alle Bodenfunktionen. Auch für viele Bodendienstleistungen, wie z.B. die Nutzung des Bodens durch Wärmepumpen zur Gebäudeheizung, ist es wichtig, den Bodenwärmehaushalt gut beschreiben zu können. Beim für die Energiewende notwendigen Bau von Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HGÜ) ist das Wissen über die thermischen Eigenschaften von Böden ebenfalls gefragt. So muss der Boden die Wärme, die bei Betrieb der Erdkabel entsteht, aufnehmen können, damit die Kabel nicht überhitzen und dadurch zerstört werden.
Ein wichtiger Parameter des Bodenwärmehaushaltes ist die Wärmeleitfähigkeit. Sie ist stark vom Wassergehalt des Bodens abhängig, da Wasser, besonders im Vergleich zu Luft, die Wärme sehr gut leitet und durch das Ausbilden von Menisken die Mineralkörner des Bodens schon bei geringen Bodenfeuchten gut miteinander verbindet. Daher erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit sehr stark mit zunehmender Bodenfeuchte, besonders in trockeneren Bereichen mit einem Wassergehalt <10%.
Schematische Darstellung des Wärmeüberganges zwischen zwei Mineralkörnern im Boden bei unterschiedlichen Wassergehalten. Die Länge der Pfeile soll die Leitfähigkeit der einzelnen Punkte symbolisieren, die Flächeninhalte der Pfeile symbolisiert die Menge der übertragenen Wärme. Viel Wärme kann demnach übertragen werden bei hoher Leitfähigkeit oder großer Kontaktfläche
Quelle: BGR
Bisherige mathematische Ansätze zur Beschreibung der Bodenfeuchteabhängigkeit beschreiben nicht den ganzen Bereich der Bodenfeuchte optimal. Häufig zeigen diese Ansätze im trockenen Bereich eine Unterschätzung und im feuchten Bereich (Wassergehalt > 10%) eine Überschätzung. Daher wird in diesem Projekt ein neuer physikalisch basierter Ansatz entwickelt und für verschiedene Bodenarten parametrisiert. Darauf aufbauend sollen Pedotransferfunktionen zur Parametrisierung des Ansatzes entwickelt werden. Dies wird unterstützt durch weitere systematische Messungen der thermischen Eigenschaften von Böden in unserem bodenphysikalischen Labor. Mit den während der Projektlaufzeit gewonnenen Daten zur thermischen Leitfähigkeit von Böden wird die Labor- und Profildatenbank der BGR um Daten zu thermischen Eigenschaften von Böden erweitert.
Die Arbeiten zu Wärmeleitfähigkeit der Böden haben zum Ziel, die fachkundige Beratung der BGR zum Wärmehaushalt von Böden und ihre Funktionen für die Bundesregierung sowie Behörden auf Landes- und Bundesebene zu stärken.
Literatur:
Bericht zur Parametrisierung thermischer Bodeneigenschaften
