Die Geothermiebranche ist dabei, sich neu aufzustellen. Hintergrund sind die aus dem Bestand an geothermischen Anlagen gewonnenen Erfahrungen bei der Qualitätsverbesserung rund um das Bohrloch sowie die veränderten energiepolitischen Rahmenbedingungen. Mittelfristig könnte das Wärmeplanungsgesetz der Branche einen entscheidenden Impuls geben, denn mit dem Ausbau geothermiebasierender Nah- und Fernwärmeanlagen vereinfacht sich die Dekarbonisierung des Gebäudebestandes ganz erheblich. Die geothermische Eignung eines Standortes lässt sich mit dem unkomplizierten Zugang zu den landes- und bundesweiten geologischen Daten im Abgleich mit den vorhandenen Oberflächendaten zum Gebäudewärmebedarf künftig auch für Nicht-Geologen per Mausklick abrufen. In einem nächsten Schritt könnte die Robotisierung der Bohrverfahren entscheidende Impulse zur Kostensenkung beitragen. Schon ist vom schlafenden Riesen die Rede, der bereits am Erwachen sei. Ob die Einzelsonde für die Wärmepumpe eines Einfamilienhauses davon profitieren wird, bleibt abzuwarten. Allgemein geht die Entwicklung in der oberflächennahen Geothermie hin zu größeren Sondenfeldern, geothermischen Pendelspeichern und saisonalen Aquiferspeichern.
Bundesweit einheitliche Karten zur oberflächennahen Geothermie in Arbeit
Dr. Thomas Agemar vom Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik in Hannover erklärt: „Daten zum Potenzial der oberflächennahen Geothermie fehlen bislang weitgehend.“ Er begründet dies damit, dass die geologischen Daten zur oberflächennahen Geothermie bislang Ländersache sind und von den jeweiligen Behörden eigenständig erhoben und herausgegeben werden. Im Gegensatz dazu stehen die Daten über die Tiefengeothermie seit 2007 bundesweit über das geothermische Informationssystem GeotIS als virtueller Geothermie-Atlas im Internet zur Verfügung. Künftig werden im Rahmen des Forschungsvorhabens „WärmeGut“ auch die Daten der oberflächennahen Geothermie einheitlich aufbereitet und zentral in einer Datenbank – auch als 3D-Temperaturmodell – zur Verfügung stehen, bekräftigt Agemar. Bei dieser Gelegenheit sollen auch vorhandene Datenlücken geschlossen werden.
Um die Ermittlung des geothermischen Potenzials zu vereinfachen, sollen auch Oberflächendaten zum Wärmebedarf implementiert werden. In Zusammenarbeit mit der Hochschule Biberach werde zudem eine neue Funktion hinzugefügt, mit der es möglich sei, das Erdwärmepotenzial von Sondenfeldern interaktiv für verschiedene Konfigurationen zu berechnen. Im Hinblick auf die überaus erfolgreichen Projekte mitteltiefer Geothermieanlagen in den Niederlanden sollen auch Daten aus dieser Geothermiesparte künftig wissenschaftlich aufbereitet und einheitlich zur Verfügung gestellt werden, so Agemar. Ziel dieser Vereinheitlichung sei die Ansprache neuer Nutzergruppen mit wenigen oder gar keinen Fachkenntnissen.
Die Bedienung soll möglichst einfach und interaktiv sein, damit jeder Interessierte mit wenigen Mausklicks die Eignung eines Standorts für die geothermischen Nutzungsvarianten tief, mitteltief und oberflächennah abrufen kann, inklusive geothermischer Bewertung des Standorts auf einer Skala von 1 (erfüllt nicht die Mindestanforderungen) bis 6 (erfüllt Mindestanforderungen 6-fach).
Thermische Ergiebigkeit langfristig absichern
Es ist kein Geheimnis, dass Sondenfelder über die Zeit der Nutzung auskühlen und damit die Effizienz der Anlage gemindert wird. Allgemein gilt: Je tiefer die Sonde und je geringer der Abstand zwischen den Sonden, desto schneller kühlt das Erdreich aus. Im Extremfall vereist das Sondenfeld sogar und der Betrieb der Wärmepumpenanlage wird dadurch immer unwirtschaftlicher. Besonders wichtig ist die Sicherstellung einer langfristigen thermischen Ergiebigkeit bei der Nutzung der oberflächennahen Geothermie im Zusammenhang mit der Transformation bzw. Dekarbonisierung bestehender Wärmenetze, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) bis 2045 gefördert werden.
David Kuntz und Florian Schwinghammer von der GeoAlto GmbH, Rottenburg am Neckar, haben dazu in den letzten Jahren verschiedene standortbezogene Potenzialanalysen für Erdwärmesonden (EWS) bzw. für Brunnen- und Grundwasser zur Nutzung oberflächennaher Geothermie für die Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen durchgeführt. Neben dem Bereich Wärmerückführung/Regeneration von Sonden/Sondenfeldern setzt das Unternehmen auf die simulationsgestützte Betriebsprognose, die auf der Basis verfügbarer geologischer Daten unter anderem den Sondenabstand, die Sondentiefe, die voraussichtlichen Vollnutzungsstunden, die Spitzenlast sowie Wärmerückführstrategien berücksichtigt. Auch die Nutzung des Erdsondenfeldes als saisonaler Pendelspeicher für die Versorgung mit Wärme und Kälte lasse sich damit simulieren. Kuntz warnt davor, Erdwärmesonden ohne Wärmerückführung zu betreiben, denn über die Jahre gehe der COP der Wärmepumpe aufgrund der Auskühlung des Erdreichs kontinuierlich zurück. Oft sei es wirtschaftlicher, ganz auf Erdsondenfelder zu verzichten und stattdessen Grundwasser als Wärmequelle zu nutzen. Neben den rechtlichen Randbedingungen und Einflussfaktoren bewertet GeoAlto auch den Erschließungsaufwand sowie mögliche Konflikte aufgrund der aktuellen Landnutzung.
Bild: Solites
Starke Temperaturwechsel beeinflussen die Systemdurchlässigkeit
Oft sind es unscheinbare Details, die die vertikale hydraulische Systemdurchlässigkeit eines Erdwärmesonden-Bauwerks beeinflussen. Da in ausgeführten Sonden relevante Messungen zu den Eigenschaften von Hinterfüllbaustoffen, Frost-Tau-Wechseln, Temperatursprüngen des Fluids sowie zum Einfluss von Druckunterschieden bei der Verfüllung nicht messbar sind, hat das ZAE Bayern in München im Rahmen des Verbundprojekts „Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme (QEWSplus)“ die Versuchsstände und Messverfahren weiterentwickelt. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Baustoff- und Sondenkontingente im Labor auf ihren Einfluss auf die Systemdurchlässigkeit reproduzierbar zu überprüfen.
Micha Pinnekamp, wissenschaftlicher Mitarbeiter des ZAE Bayern, stellte die Ergebnisse des ZAE-Teams vor und trifft folgende Aussagen:
Nachteil dieser Versuchsanordnung sei, dass der Einfluss des Gebirges auf die Sonde nicht erfasst werden kann, so Pinnekamp. Dazu liefert jedoch das folgende Projekt von Solites weitere Hinweise:
Erkenntnisse aus freigelegten Erdwärmesonden
Verbundvorhaben rund um die Qualitätssicherung und -steigerung von Erdwärmesonden begleiten die Geotherm von Anfang an. Jetzt ist Yannick Reduth von Solites aus Stuttgart und seinem Team ein Coup gelungen, der den Verfüllvorgang und das tatsächliche Erscheinungsbild von EWS im Untergrund in einem neuen Licht erscheinen lässt und damit wichtige Erkenntnisse für künftige Verfüllstrategien und Verfüllmaterialien liefert.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus dem Gemeinschaftsprojekt QEWSplus:
Die Ergebnisse stammen sowohl aus einem Filtrationsversuchsstand als auch aus acht real niedergebrachten EWS in einem Steinbruch. Nach einer Standzeit von einem Jahr wurden die unterschiedlich verfüllten bzw. unterschiedlichen Sondenbauformen (Doppel-U, Wellrohr, mit und ohne Abstandshalter) lageweise freigelegt und unbeschädigt geborgen. Neben der visuellen Prüfung wurden die rückgebauten Sondenabschnitte analog zu den Filtrationsversuchen (Prüfstand) auf Dichte, Wassergehalt, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität untersucht. Dabei zeigte sich, dass die wesentlichen Änderungen der Baustoffeigenschaften mit den Filtrationsversuchen übereinstimmen. Alle freigelegten EWS entsprechen in ihrer Verfüllqualität den in Baden-Württemberg vorgegebenen Qualitätskriterien.
Bild: Solites
Erdwärmesonden automatisiert prüfen
Erdwärmebohrungen, das Installieren von Erdwärmesonden und die anschließende Verfüllung gehören zu den risikoreichsten Arbeiten rund um die Erdwärmepumpenanlage. Auftraggeber und Auftragnehmer wollen deshalb sichergehen, dass Erdwärmesonden den gängigen Normen entsprechen. Nach den Geländehebungen in Staufen im Breisgau im Jahr 2007 (ca. 50 Millionen Euro Schadenssumme, bei weiter steigenden Gebäudeschäden) und anderen Orten sind potenzielle Anwender gegenüber EWS-Wärmepumpenanlagen noch immer zurückhaltend. Der Anteil der in Deutschland jährlich installierten Erdwärmepumpen lag zuletzt bei etwa 26.000 Anlagen, das sind nur etwa 7 % des jährlichen Absatzes an Wärmepumpen. Um Vertrauen in diese Technologie zurückzugewinnen, muss die Qualität rund um das Bohrloch weiter verbessert werden, so der allgemeine Tenor auf der Veranstaltung.
Ernst Rohner von der Engeo AG aus Arnegg in der Schweiz konstatiert: „Der Markt verlangt nach geprüft eingebauten Erdwärmesonden.“ Die Erfahrungen rund um das Bohrloch haben zu einer Revision der Norm SIA 384/6 „Erdwärmesonden“ geführt, die unter anderem auch Fragen der Definition des Auslegungszeitraumes (Einfluss künftiger Erdwärmesonden in der Umgebung, aktive Regeneration) sowie eines aktualisierten Prüfverfahrens berücksichtigt. Grob gesagt soll bei jeder EWS-Bohrung der Hinterfüllungsvorgang der Erdwärmesonden elektronisch erfasst und ausgewertet werden. Um die oft sehr komplexen Zusammenhänge zwischen Bohrloch, Hinterfüllungsmaterial (Typ und Volumen), Sondentypen, Sondenmaterial sowie Sondentiefe in den Griff zu bekommen, hat Engeo den Prüfautomaten H-EP (Hinterfüllungs- und Erdwärmesonden-Prüfgerät) entwickelt. Damit sei eine normkonforme Prüfung der eingebauten Erdwärmesonde möglich, so Rohner. Mehr noch: Der Prüfautomat unterstützt den Benutzer auf dem grafischen Display; Vorkenntnisse seien nicht erforderlich, auch ein Fernzugriff am Gerät durch externe qualifizierte Mitarbeiter sei möglich. Zeitgleich erstellt und bewertet das Gerät Protokolle und versendet diese optional direkt ab Baustelle fälschungssicher und mit GPS-Koordinaten des Messortes. Peter Hubacher von Hubacher Engineering, bekannt als schweizerischer Wärmepumpen-Doktor, lobt das Gerät in seinem Testbericht als „geniale Erfindung“. Sämtliche nach SIA-Norm 384/6 vorgegebene Vorgänge seien mit diesem Gerät „in hoher Qualität kontrollierbar“, so Hubacher.
Grundwasser beeinflusst Enhanced Thermal Response Test
„Wer misst, misst Mist“ – diese alte Volksweisheit scheint in der oberflächennahen Geothermie ihre Bestätigung gefunden zu haben. Aber der Reihe nach: Im Rahmen des Verbundvorhabens „QEWSplus“ zur Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung oberflächennaher geothermischer Systeme wurden vom Projektpartner Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Messungen im Bohrloch durchgeführt. Es geht um den Enhanced Thermal Response Test (ETRT), bei dem nicht nur die effektive Wärmeleitfähigkeit bestimmt wird, sondern auch ein möglicher Grundwasserfluss, der die Leistung einer Sonde, je nach Fließgeschwindigkeit, beeinflusst. Der ETRT unterscheidet sich vom normalen Thermal Response Test (TRT) dadurch, dass zusätzlich ein Heizkabel mit einer definierten Heizleistung in den Untergrund eingebracht wird. Die daraus resultierende Temperaturentwicklung in der Sonde wird über ein Glasfaserkabel bestimmt. Bekannt ist, dass der Grundwasserfluss die Auswertung der ETRT-Ergebnisse signifikant beeinflusst. Bei Versuchen mit verschiedenen Messmethoden in einem Testfeld mit hoher Grundwasserfließgeschwindigkeit wurden Abweichungen von bis zu 12 % gemessen, berichtet die KIT-Mitarbeiterin Anna Albers. Dabei wurde unter anderem festgestellt, dass von der Länge des oberirdisch verlegten Teils des Heizkabels eine vergleichsweise hohe Messungenauigkeit ausgeht, je nachdem ob das Heizkabel frei liegt oder abgedeckt wird. Diese und andere Erkenntnisse sollen in eine Empfehlung für die Durchführung von ETRT mit einfließen.
Bild: Engeo AG
Ringrohrsonden mit Vorteilen
Ähnlich wie Solites, KIT, ZAE und EWS-Tech arbeitet auch die in Freiberg in Sachsen ansässige BLZ Geotechnik an Projekten zur Qualitätsverbesserung von Erdwärmesonden. Dr.-Ing. Rolf Michael Wagner würdigt die gemeinsamen Anstrengungen der beteiligten Forschungsinstitute mit dem Hinweis, dass die Forschungsarbeiten rund um Erdwärmesonden das Gefährdungspotenzial deutlich reduziert hätten und die Akzeptanz für die Erdwärmenutzung heute dadurch deutlich höher sei. Dennoch gebe es beim Verfüllprozess einer Erdwärmesonde immer noch Schwachpunkte, wie beispielsweise die Rohranordnung im Bohrloch, das Anbringen von Abstandshaltern oder Zentralisatoren, die zu Fehlstellen in der Verfüllsäule führten, sowie die Geschwindigkeit des Verfüllvorgangs und das eingesetzte Verfüllmaterial. Wichtig sei, dass sich der Verfüllbaustoff beim Verfüllvorgang nicht entmische, da sonst die geforderte geringe Systemdurchlässigkeit nicht erreicht werde. Dazu gehöre auch eine vollständige Verdrängung der Bohrspülung durch die Suspension, die durch den Einbau von Abstandshaltern nicht immer gewährleistet werden könne. Eine zu schnelle Verfüllung des Bohrlochs führe zu Turbulenzen und damit zu einer ungleichmäßigen Verfüllung.
Gute Erfahrungen habe man mit dem momentan noch nicht sehr stark verbreiteten Sondentyp „Ringrohrsonde“ gemacht. Hierbei werde eine veränderte Einbau- und Verfülltechnologie genutzt, die erweiterte Möglichkeiten der Positionierung der Sondenrohre und der Abdichtung biete. Insbesondere die Anordnung der Rohre innerhalb eines durchlässigen Gewebeschlauches führe zu besseren Verfüllergebnissen.
Im zweiten Teil seines Berichts geht Wolfgang Schmid unter anderem auf die sich verändernden energiepolitischen Rahmenbedingungen und das Wärmeplanungsgesetz für klimaneutrale Fernwärme ein.
Bild: BLZ Geotechnik
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Bild: M. Dertinger-Schmid
