Richtig bohren und verpressen

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Geothermie
Richtig bohren
und verpressen
von jens kreikenbohm, geschäftsführer des bohrunternehmens geowell
In Zeiten steigender Erdgas- und Erdölpreise ist die Sole/WasserWärmepumpe als eines der zukunftssichersten Heizungssysteme in
einem stetigen Aufwind. Die Funktionssicherheit und Effizienz der
Wärmepumpe hängt im wesentlichen von der Art der Wärmequelle
und der Qualität ihrer Erschließung ab.
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Als Energielieferant bedient sich die Sole/Wasser-Wärmepumpe in der Regel der oberflächennahen Erdwärme in Tiefen bis 400 Meter. Diese
ist überall verfügbar und im Prinzip unbegrenzt.
In 100 Metern Tiefe herrschen ganzjährig konstante Temperaturen von 11 bis 13 Grad – unabhängig von den Jahreszeiten. Fast überall kann
diese Erdwärme mittels einer Erdsonde für eine
Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. In das
Bohrloch, etwa 15 bis 20 Zentimeter im Durchmesser und in den meisten Fällen bis circa 99
Meter tief, wird die Erdwärmesonde eingeführt.
Sie besteht in der Regel aus nahezu unverwüstlichen Kunststoffrohren, von denen jeweils zwei
über einen Sondenfuß miteinander verbunden
sind (Doppel-U-Sonden) und in denen später
die Soleflüssigkeit zirkuliert. Nachdem ein solches Sondenbündel in das Bohrloch eingeführt
worden ist, wird das Loch von unten nach oben
komplett unter hohem Druck mit einer ZementBentonid-Suspension verfüllt.
Diese Verfüllung erfüllt mehrere Zwecke: zum
einen bindet sie die Sonde an das umgebende
Gestein an und ermöglicht in vielen Fällen erst
den Wärmeübergang an die zirkulierende Sole.
Zum Zweiten bietet die Verpress-Suspension
einen nicht unwesentlichen Schutz für die Erdwärmesonde vor Beschädigung durch das drückende Gestein. Die dritte und nicht weniger
wesentliche Funktion der ordentlichen Verfüllung liegt im Schutz der Umwelt: Nur eine
fachgerechte Verpressung des Bohrlochs kann
die Grundwasserstockwerke wieder verschließen und die Verschmutzung des Trinkwassers
durch unzureichend filtriertes Oberflächenwasser verhindern. Beim Verpressmaterial sind
zwei Eigenschaften zu beachten: Je höher seine
Wärmeleitfähigkeit, desto effizienter erfolgt
die Wärmeübertragung zwischen Gebirge und
Sole. Die Leistung der Wärmepumpe wird positiv beeinflusst, sie läuft mit geringeren Energiekosten. Ein weiteres Qualitätsmerkmal des
Verpressmaterials ist seine Unempfindlichkeit
gegenüber Temperaturschwankungen, insbesondere Frost. Immer häufiger wird auf frosttauwechselbeständiges Material geachtet, da
nur dieses die langjährige Haltbarkeit der Verpress-Suspension garantiert.
Erdwärmesonden
richtig dimensionieren
Eine Erdwärmeanlage erfordert weit mehr als eine bloße Bohrung. Bereits in dem etwa
100 Meter tiefen Bohrloch lauern diverse Fehlerquellen.
Eine qualitativ hochwertige Anlage verlangt
eine ausreichend dimensionierte Erdwärmesonde. Am Beginn der Planung steht dabei die
sorgfältige und genaue Ermittlung des Heizbedarfes: Je höher die Heizleistung und die
Zahl der Betriebsstunden, desto größer muss
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die Erdsondenanlage ausfallen, um die nötige
Energie in der geforderten Geschwindigkeit
zu erzeugen. Eine zu kleine Heizung schafft
auch bei größter Anstrengung keine warme
Wohnung. Hier steigen die Verbrauchskosten,
und die Erdsondenanlage wird zu stark beansprucht, was im Extremfall zur unerwünschten
Vereisung der Sonden führen kann. Eine zu
groß ausgelegte Heizung taktet zu häufig und
verbraucht so ebenfalls zu viel Energie. Darüber hinaus sind die Kosten der Anlageninvestition unangemessen hoch.
Zweitens sind geologische Faktoren von Bedeutung: Unterschiedliche Gesteine haben unterschiedliche Entzugsleistungen. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Gesteins gibt
an, wie viel Wärme je Bohrmeter dem Gestein
entzogen beziehungsweise wie viel Kälte zugeführt werden kann. So haben Gesteine mit
hohem Quarzanteil (Quarzit, Granit, Sandstein)
oder mit hoher Dichte (Kalkstein, Dolomitstein)
eine sehr gute, trockene poröse Gesteine mit
hohem Luftanteil wie Sand, Kies oder Ton eine
eher geringe Wärmeleitfähigkeit. Anders sieht
es aus, wenn Sand oder Kies viel Wasser führen. Wasser ist ein erstklassiger Wärmeleiter,
und durch die hohe Durchlässigkeit von Sand
oder Kies führt die Kombination mit Wasser zu
ausgezeichneten Ergebnissen.
Daher ist es unbedingt nötig, vor einer Bohrung
die geologischen Verhältnisse zu erkunden und
die Entzugsleistung der erwarteten Gesteine
zu kalkulieren. Nur so kann eine Unterdimensionierung der Anlage in jedem Fall ausgeschlossen werden. Fachbetriebe beschäftigen
für diese Auslegung eigene Planer, im besten
Fall Geologen, die über geologische Karten, Informationen der verschiedenen geologischen
Landesämter sowie über eigene Bohrergebnisse in der Nähe die notwendigen Eckdaten
recherchieren und auswerten. In der folgenden
Tabelle sind Wärmeleitfähigkeiten (nach VDI
4640 Bl.1 Dez.2000) für eine Auswahl an Gesteinen angegeben, um die mögliche Spannbreite zu veranschaulichen.
Gestein
Magmatische Gesteine:
Basalt
Granit
Rhyolit
Metamorphe Gesteine:
Gneis
Marmor
Metaquarzit
Glimmerschiefer
Tonschiefer
Sedimentgesteine:
Dolomit
Kalkstein, massiv
Quarzit
Sandstein
Tonstein
Lockergesteine:
Kies, trocken
Kies, wassergesättigt
Sand, trocken
Sand, wassergesättigt
Dichte r g/cm³
Wärmeleitfähigkeit l W/(m • K)
Min.-Max.
Mittelwert
2,6-3,2
2,4-3,0
ca. 2,6
1,33-2,29
2,10-4,07
3,06-3,37
(1,7)
(3,4)
(3,3)
2,4-2,7
2,5-2,8
ca. 2,7
ca. 2,6
2,7
1,89-3,95
1,28-3,08
5,86-5,89
1,51-3,14
1,50-2,60
(2,9)
(2,6)
(5,8)
(2,0)
(2,1)
2,6-2,7
ca. 2,7
2,2-2,7
2,5 -2,6
2,83-4,34
2,46-3,98
3,60-6,62
1,28-5,10
1,05-3,02
(3,2)
(2,8)
(6,0)
(2,3)
(2,2)
2,7-2,8
ca. 2,7
2,6 -2,7
2,6-2,7
0,39-0,52
ca. 1,8
0,27-0,75
1,73-5,02
(0,4)
(1,8)
(0,4)
(2,4)
(Tabelle nach VDI 4640 Blatt 1, Stand Dezember 2000)
aussagekräftige Simulation erstellen zu können, ist die Durchführung eines Geothermal
Response Test (GRT) zu empfehlen. Mit einem
GRT wird die effektive Wärmeleitfähigkeit
sowie der Bohrlochwiderstand ermittelt. Mit
den so gewonnenen Werten lässt sich die berechnete spezifische Entzugsleistung überprüfen. Über die EED-Simulation werden Prognoserechnungen für einen Zeitraum von 25 Jahren gerechnet.
Ein von vielen Bohrunternehmen nicht ausreichend berücksichtigter Effekt ergibt sich durch
die Beeinflussung von Sonden untereinander.
So liegt bereits ab zwei Sonden eine negative Beeinflussung der Erdwärmesonden vor.
Um gegenseitigen „Wärmeklau“ zu vermeiden
oder wenigstens zu verringern, sollten die Sonden bestimmte Mindestabstände zueinander
haben. Bei kleineren Bauvorhaben schreibt die
Behörde – zuständig für Erdsondenbohrungen
bis 100 Meter sind in der Regel die unteren
Wasserbehörden der Landkreise – zumeist
einen Abstand von mindestens sechs Metern
zwischen den Sonden vor, zum Nachbargrundstück in den meisten Fällen fünf Meter. Werden
deutlich mehr Sondenbohrungen benötigt, um
die errechnete Anzahl Bohrmeter zu erhalten,
spricht man von einem „Sondenfeld“. Je größer ein Sondenfeld, desto stärker ist die Beeinflussung der Sonden untereinander. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können der Abstand der Sonden untereinander vergrößert
Wechselwirkungen
und Betriebssimulation
Ein besonderer Nachweis einer auf langjährige
Betriebssicherheit ausgelegten Planung kann
mit diversen Simulationsprogrammen (EEDProgramm) erbracht werden. Diese simulieren
aus den Informationen der Geologie die langjährige Entwicklung der Untergrundtemperatur in Verbindung mit dem Betrieb der Sondenanlage. So kann eine Vereisung durch falsche
Dimensionierung vermieden werden. Um eine
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Auch die Solepumpe ist ein entscheidender Baustein der Erdwärmeanlage – idealerweise verfügt
sie über eine elektronische Leistungsanpassung.
Die Rohrleitungen sind gegen Schwitzwasserbildung diffusionsdicht zu isolieren.
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Geothermie
sowie die Sondenanzahl und somit die Gesamtbohrmeterzahl erhöht werden. Dennoch ist bei
einem Sondenfeld eine geringere Wärmeentzugsleistung anzusetzen. Bei solchen Bauvorhaben mit Sondenfeldern sollten ein GRT sowie
eine Langzeitsimulation obligatorisch sein. Ergibt eine EED-Simulation Temperaturveränderungen im Untergrund außerhalb des Toleranzbereichs, ist das Sondenfeld zu klein dimensioniert. Sehr sinnvoll ist die Durchführung eines
GRT an der ersten Bohrung. Die ermittelten
Daten können zeitnah in eine EED-Langzeitsimulation überführt werden, um die Dimensionierung des EWS-Feldes zu überprüfen. Dies
sollte noch während der Bohrphase geschehen, so dass bei einer Unterdimensionierung
der Erdwärmeanlage eine entsprechende Modifizierung des Erdwärmesondenfeldes möglich ist. So kann die Funktion der kompletten
Anlage absichert werden.
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Verpressen sollte die Sonde erneut druckgeprüft werden – so lässt sich ein während des
Einbringens in das Bohrloch entstandener
Schaden ausschließen. Anschließend ist die
Sonde durch ordnungsgemäßes Verpressen
des Bohrloches sicher geschützt.
Fehlerquellen bei der Anbindung
Zur Anbindung der Erdwärmesonden, d.h. ihrer
Verbindung mit der Wärmepumpe, müssen
Länge und Qualität
der Erdwärmesonden
Im Mittel wird in Deutschland eine Entzugleistung von etwa 50 Watt pro Bohrmeter angesetzt. 100 Bohrmeter liefern dementsprechend
eine Entzugsleistung von rund fünf Kilowatt.
Dies entspricht der Kälteleistung einer Wärmepumpe – damit lässt sich eine Heizung von etwa
6,5 KW Heizleistung betreiben. Die Differenz, in
diesem Fall 1,5 KW, kommt dabei aus der Steckdose. 6,5 KW Heizleistung werden also mit dem
Einsatz von 1,5 KW Strom erzeugt, sodass die
sogenannte Leistungszahl (cop= coefficient of
performance) der Wärmepumpe in diesem Fall
ca. 4,3 beträgt. Im Gegensatz zu konventionellen Heizungssystemen wie Gas oder Heizöl
wird bei Wärmepumpen kein Wirkungsgrad angegeben, da nur ein geringer Anteil der Heizenergie über entgeltwerten elektrischen Strom
erzeugt wird und der größte Anteil der Wärme
kostenlos aus der Erde entnommen wird.
Die verwendeten Sonden sind maßgeblich für
die Qualität und Langlebigkeit der Erdwärmesondenanlage. Durchgesetzt haben sich die
eingangs beschriebenen, in der Regel aus PE
gefertigten Doppel-U-Rohr Sonden – zwei Sonden von je 32 oder 40 Millimetern Durchmesser pro Bohrloch. Die Erdwärmesonden müssen werkseitig geschweißt und druckgeprüft
sein, das gilt für den gesamten Prozess von der
Extrudierung der PE-Rohre über den Spritzguss
der Sondenfüße bis zur Verschweißung der PE
Rohre mit den Sondenfüßen. An der Baustelle
sollten Sonden nicht noch einmal geschweißt
werden, lediglich die Verlegung der horizontalen Rohre verlangt eine Verbindung. Vor dem
diese verlängert sowie Rohrgräben erstellt werden. Sind mehrere Erdsonden vorhanden, werden diese in einem Verteiler zusammengeführt.
Je eine Vor- und Rücklaufleitung wird in den
Heizungsraum geführt. Wichtig: die Leitungen
müssen in ein Sandbett gelegt werden. Die
Schweißarbeiten sollten Fachleute ausführen.
Sofern ein Verteiler verwendet wird, muss dieser abgeglichen werden, um später eine gleichmäßige Durchströmung aller Sondenpaare sicherzustellen. Im Gebäude ist eine diffusionsdichte Isolierung der Rohrleitungen unabdingbar. Im späteren Betrieb zirkuliert die Sole mit
Temperaturen zwischen null und sechs Grad,
es käme also an nicht oder schlecht isolierten
Stellen zu erheblicher Schwitzwasserbildung.
Auch die Solepumpe kann die spätere Qualität der Anlage beeinflussen. Ideal sind Hocheffizienzpumpen mit elektronischen Leistungsanpassungen.
Mittlerweile gibt es in Deutschland Betriebe,
die das komplette Werk anbieten. In einem solchen Fall ist die Gewährleistung in einer Hand,
und die komplette Erdwärmeanlage wird ohne
Schnittstellen erzeugt. Verschiedene Betriebe
bieten darüber hinaus mittlerweile auch Garantieerweiterungen für die Erdwärmeanlage
❚
mit Materialgarantie an.
Schematische Darstellung einer Doppel-U-Erdwärmesonde: Die Verfüllung des Bohrlochs mit
einer Zement-Bentonid-Suspension ermöglicht
erst den Wärmeübergang an die zirkulierende
Sole. | Fotos: Stiebel Eltron
Europas Interesse wächst
Ein klarer Fokus überzeugt. Das beweist einmal
mehr die Entwicklung der GeoTHERM – expo &
congress. Die Veranstaltung widmet sich ausschließlich dem Thema Geothermie und findet
nun zum vierten Mal am 25. und 26. Februar
2010 in Offenburg statt.
Die aus Fachmesse und Kongress bestehende
Veranstaltung bietet dem interessierten Fachpublikum in zwei parallel laufenden Kongressen ausführliche Informationen zur Oberflächennahen und Tiefen Geothermie. Alle
Kongressbeiträge sind individuell kombinierbar, wodurch jeder Kongressteilnehmer sein
Programm nach seinen speziellen Bedürfnissen ausrichten kann. Nach Angaben des Veranstalters interessieren sich zurzeit insbesondere Kongressteilnehmer aus Österreich, der
Schweiz und Spanien für die Entwicklungen im
Geothermiemarkt. Bereits ein halbes Jahr vor
der Veranstaltung haben sich 80 Aussteller für
die Fachmesse angemeldet – 2009 waren es am
Ende insgesamt 112. Aus diesem Grund hat die
Messe Offenburg die erste Hallenaufplanung
schon Ende August vorgenommen. Erstmals
zur GeoTHERM 2010 wird sich das Bundesland
Sachsen mit einer Gemeinschaftspräsentation
„made in Saxony“ in der Baden-Arena darstellen. Die Teilnehmer des Gemeinschaftsstands
wollen damit die Wirtschaftskraft Sachsens
im Geothermiebereich aufzeigen. Die Messe
ist am 25. Februar 2010 von 9.30 bis 18.00 Uhr
sowie am 26. Februar 2010 von 10.00 bis 18.00
Uhr für Besucher geöffnet. Das GeoTHERM-Ticket berechtigt sowohl zum Kongress- als auch
Fachmessebesuch und ist als 1-Tages-Ticket für
28,00 Euro und als 2-Tages-Ticket für 48,00
Euro erhältlich.
Das Kongressprogramm sowie die Ausstellerunterlagen können unter www.geotherm-of❚
fenburg.de angefordert werden.