Die Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie fassen den Stand der Technik zusammen. Das Ziel ist die fachgerechte Erschließung des Untergrunds für geothermische Zwecke sowie die Vermeidung von Schäden für den Untergrund und das Grundwasser einerseits und an der Anlage sowie der Bebauung andererseits. Die Empfehlungen sollen als Arbeitshilfe die optimale und nachhaltige geothermische nung, Bauausführung und Betrieb begleiten. Die Fach- und Genehmigungsbehörden erhalten die Möglichkeit, sich bei ihren Entscheidungen und Vorgaben an den Empfehlungen zu orientieren. Der Arbeitskreis (AK) Geothermie wurde 2004 in Bochum gegründet und wurde 2007 zum gemeinsamen Arbeitskreis der Fachsektionen Hydrogeologie der DGG und Ingenieurgeologie der DGG/DGGT. Rund 20 aktive Fachkollegen/Innen aus Hochschulen, Behörden und Ingenieurbüros beteiligen sich an dem 2- bis 3-mal pro Jahr tagenden AK Geothermie.
ISBN 978-3-433-02967-1
EA – Geothermie
Nutzung des Untergrunds am konkreten Standort in Beratung, Pla-
Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie
Vorwort Die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie hat in den vergangenen zehn Jahren enorme Zuwächse erfahren. Mit der stetig steigenden Anzahl von Geothermieanlagen ging eine steile technische Entwicklung einher. Schadensfälle im Zusammenhang mit der Herstellung und dem Betrieb der geothermischen Anlagen traten auf und waren vielfach im Fokus medialer Aufmerksamkeit. Insbesondere zeigen diese bekannt gewordenen Schadensfälle, dass das Bohren in Tiefen von bis zu einigen hundert Metern ein technisches Handeln ist, welches ein verantwortungsvolles Vorgehen im Sinne qualitätsgesicherter Planung, Ausführung und Betrieb der Anlagen erfordert. Die Vermeidung von Schäden durch oberflächennahe geothermische Anlagen ist wesentliche Voraussetzung einer nachhaltigen geothermischen Nutzung, insbesondere beim Schutz der Grundwasservorkommen vor nachteiliger Beeinflussung. Die vorliegenden Empfehlungen verstehen sich als ein Beitrag zur qualitätsgesicherten Ausführung derartiger Anlagen. Es ist eines der Ziele des Arbeitskreises Geothermie der Fachsektion Hydrogeologie der DGG und der Fachsektion Ingenieurgeologie der DGG und der DGGT, die weite Verbreitung der Nutzung der Geothermie als umweltfreundliche Energiequelle zu fördern und dabei den Schutz der Wasservorkommen sehr weitgehend zu berücksichtigen. Die Empfehlungen wurden sowohl von den Autoren als auch von den herausgebenden Verbänden DGG und DGGT als Hilfestellung und nicht als technisches Regelwerk im Sinne einer Norm konzipiert. Dementsprechend enthalten die Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie auch einige lehrbuchartige Passagen und einen umfangreichen Teil zum Genehmigungsrecht. Zum Zeitpunkt der Drucklegung war ein Normungsvorhaben für die Oberflächennahe Geothermie nicht in Sicht. Es wird aber weiterhin als erforderlich angesehen. Das Autorenteam und die temporären Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Arbeitskreises sind Hydrogeologen, Ingenieurgeologen und Ingenieure aus Planung, Baugewerbe, Baustoffindustrie, Behörden und Hochschulen haben die vorliegenden Empfehlungen in mehrjähriger Arbeit erstellt. Dabei war den Beteiligten immer bewusst, dass Teile der Inhalte auch eine fachliche Kontroverse auslösen können. Zur Sicherstellung der fachlichen Qualität des Inhaltes der vorliegenden Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie wurden die Empfehlungen des Arbeitskreises einem Begutachtungsverfahren unterzogen. Prof. Dr. Ingrid Stober, Regierungspräsidium Freiburg, Prof. Dr. Rolf Bracke, Internationales Geothermiezentrum, Bochum, sowie Prof. Dr. Dmitry V. Rudakov, National Mining University, Dnipropetrovsk, haben mit unterschiedlicher Sichtweise diese wichtige und anspruchsvolle Aufgabe übernommen. V
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Ihre Anmerkungen und Kommentare wurden sorgfältig in der vorliegenden Version der EA Geothermie berücksichtigt. Neben dem Begutachtungsverfahren wurde die EA Geothermie drei Monate öffentlich über den Verlag im Internet zugänglich gemacht. Die interessierte Öffentlichkeit war aufgefordert, Anmerkungen, Kommentare und Änderungsvorschläge innerhalb eines Zeitraumes von drei Monaten abzugeben. Das Autorenteam hat jeden einzelnen Beitrag aus dieser Richtung zur Kenntnis genommen, bewertet und an vielen Stellen Änderungen an Text und Grafik vorgenommen. Wir sind Ihnen, die diese Beiträge geleistet haben, sehr dankbar für diese wertvolle Mitarbeit an der EA Geothermie. Die Autoren der Empfehlungen sind: Sprecher des Arbeitskreises – Prof. Dr. rer. nat. Ingo Sass Fachgebiet Angewandte Geothermie Technische Universität Darmstadt Schnittspahnstraße 9 64287 Darmstadt Stellvertretender Sprecher – Dr. rer. nat. Dirk Brehm BGU, Bielefeld Ständige Mitglieder des AK – Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Georg Coldewey Institut für Geologie und Paläontologie Westfälische Wilhelms-Universität Münster – Dr. rer. nat. Jörg Dietrich HeidelbergCement, Enningerloh – Dr. rer. nat. Rainer Klein boden & grundwasser, Amtzell – Dipl.-Min. Torsten Kellner Berlin – Dipl.-Ing. Dipl.-Geol. Bernd Kirschbaum Umweltbundesamt, Dessau VI
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– Dipl.-Geol. Clemens Lehr Geotechnisches Umweltbüro Lehr, Bad Nauheim – Dipl.-Geol. Adam Marek Umweltamt Stadt Bielefeld – Dipl.-Ing. Philipp Mielke Fachgebiet Angewandte Geothermie Technische Universität Darmstadt – Prof. Dr. rer. nat. Lutz Müller Fachbereich Umweltingenieurwesen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Höxter – Dr. rer. nat. Björn Panteleit Geologischer Dienst für Bremen – Dipl.-Geol. Stefan Pohl geo consult POHL, Bendorf – Dipl.-Geol. Joachim Porada Porada GeoConsult GmbH & Co.KG, Harsefeld – Dipl.-Ing. Stefan Schiessl TERRASOND GmbH & Co. KG, Günzburg – Dr. rer. nat. Marec Wedewardt Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt, Berlin – Dominik Wesche, M. Sc. Geowissenschaften Institut für Geologie und Paläontologie Westfälische Wilhelms-Universität Münster Prof. Dr. Ingo Sass Darmstadt, Dezember 2013
Dank Im Namen der herausgebenden Fachgesellschaften und der Mitglieder des Arbeitskreises Geothermie der DGG und DGGT ist es uns ein Anliegen, den zahlreichen engagierten Personen zu danken, die die Entstehung dieses VII
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Buches unterstützt, gefördert und mit gestaltet haben. Als temporäre Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Arbeitskreises bedanken wir uns bei Dipl.-Geol. Gisela Augustin, Hamburg Dipl.-Ing. Arne Buss, Berlin Dr. Verena Herrmann, GMP-Geotechnik GmbH, Würzburg Dr. Claus Heske, CDM Smith Consult GmbH, Bochum Dr. habil. Holger Knoke, IBES GmbH, Neustadt/W. Prof. Dr. Martin Sauter, Universität Göttingen Dipl.-Geol. Ingo Schäfer, Geologisches Landesamt, Krefeld Prof. Dr. Dietmar Schenk, Universität Mainz († 2008) Dipl.-Geol. Christian Spang, Dr. Spang Ingenieurgesellschaft für Bauwesen, Geologie und Umwelttechnik mbH, Witten Dipl.-Geol. Andreas ter Glane, HPC AG, Göttingen Ohne die permanente Organisation und Unterstützung durch Frau Simone Ross-Krichbaum und Frau Dunja Sehn, beide Technische Universität Darmstadt, wäre die enge Folge an Arbeitssitzungen und Abstimmungen gar nicht möglich gewesen. Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, M. Sc., Technische Universität Darmstadt, übernahm die Rolle eines Fachlektors, wofür auch ihm besonders zu danken ist. Carolin Tissen und Andreas Hofheinz, Hilfskräfte an der TU Darmstadt, waren insbesondere bei der Zusammenführung von Texten, Layoutfragen, Einbindung von Abbildungen und Setzen der Gleichungen für die EA Geothermie zuverlässige Mitarbeiter. Weiterhin danken wir den Vorständen und Geschäftsführungen der beteiligten Fachgesellschaften und Fachsektionen für die aktive Unterstützung der Arbeit des Arbeitskreises Geothermie. Im Namen aller Arbeitskreismitglieder und den die EA Geothermie herausgebenden Verbände DGG und DGGT danken wir Frau Prof. Dr. Stober, Freiburg, und Herrn Prof. Dr. Bracke, Bochum, für die Übernahme der verantwortungsvollen und sehr arbeitsintensiven Aufgabe der Begutachtung.
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Inhaltsverzeichnis Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XXV
Formelzeichen und Indizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII 1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Grundlagen der Geologie, Hydrogeologie und Geotechnik . Grundlagen der Geothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarspeicherzone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geosolarer Übergangsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terrestrische Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anthropogene thermische Beeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselwirkungen geothermischer Anlagen mit dem Untergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Hydrochemische Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Wechselwirkungen zwischen geothermischen Systemen und Grundwasserorganismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 12 27 31 34 34
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2
Geothermische Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geschlossene Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdwärmesonden (Geothermiesonden) . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfersonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdwärmekollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiepfähle und erdberührende Betonbauteile . . . . . . . . . Offene Systeme (direkte Grundwassernutzung). . . . . . . . . . . Brunnenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geothermie Nutzung im Bergbau und Hohlraumbau . . . . . Geothermische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aquiferspeicher (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) . Erdwärmesondenspeicher (Borehole Thermal Energy Storage, BTES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Kavernenspeicher (Cavernous Thermal Energy Storage, CTES)
35 36 37 39 40 40 48 49 53 58 60 64 68 68 70 71
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Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5
Wasserrecht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Europäische Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deutsches Recht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bergrecht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerstättenrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Naturschutz und Landschaftspflege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingriffsregelung nach dem Bundesnaturschutzgesetz . . . . . Schutzausweisungen in Landschaftsplänen . . . . . . . . . . . . . . Europäisches ökologisches Netz „Natura 2000“ . . . . . . . . . . Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung . . . . . . . . . .
76 76 77 78 80 81 81 82 82 84
5
Grundlagen der Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.1 5.2 5.3
Projektablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erkundungsbedarf für Erdwärmesondenanlagen . . . . . . . . . Modelle zur Simulation des Wärmetransportes. . . . . . . . . . .
86 90 92
6
Bohrungen und Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.5.1
97 100 103 111 116
6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6 6.5.7
Bohrverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zum Ausbau von Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Bohrlochabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geologische und hydrogeologische Einflüsse. . . . . . . . . . . . . Response Test Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen und Messprinzip eines Geothermal Response Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermischer Bohrlochwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitätssicherung mit Hilfe des GRT. . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung instationärer GRT-Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderquellen-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enhanced Geothermal Response Test . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118 119 122 123 125 127 144
7
Planung, Herstellung und Betrieb geschlossener Systeme. . . .
151
7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6
Erdwärmesondenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung und Dimensionierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfüllung des Ringraums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Verfüllbaustoff . . . . . . . . . . . . . . . . . Nicht vollständig abgedichtete Erdwärmesonden . . . . . . . . . Druck- und Durchflussprüfung an Erdwärmesonden . . . . . . Wärmeträgermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7.1.7 Horizontale Anschlussleitungen und Schnittstelle zur Haustechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.8 Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.9 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.10 Rückbau und Stilllegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Erdwärmekollektoren (EWK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Planung und Bemessung von Kollektoranlagen . . . . . . . . . . 7.2.2 Bauausführung von Flächenkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Bauausführung von Erdwärmekörben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Verlegung der Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 Füllen und Entlüften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.6 Wärmeträgermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.7 Druckprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.8 Inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.9 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.10 Betrieb der Erdwärmekollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.11 Auswirkungen des Betriebes der Erdwärmekollektoren . . . . 7.2.12 Rückbau / Stilllegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
200 202 205 207 207 208 211 212 212 213 213 213 213 214 215 215 217
8
Planung, Herstellung und Betrieb offener Systeme . . . . . . . . .
219
8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.1.7 8.1.8 8.2
Brunnenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung und Dimensionierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauausführung, Qualitätssicherung, Dokumentation. . . . . . Pumpversuch und Brunnentest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrochemische und mikrobiologische Einflüsse . . . . . . . . . Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stilllegung und Rückbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxisbeispiel Brunnenanlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aquiferspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
219 226 228 228 228 232 237 237 238 242
9
Risikopotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
245
9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.2 9.2.1
Die 5-M-Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mensch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geologische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quellfähige und setzungsempfindliche Gesteine . . . . . . . . . .
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9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.6
Lösliche Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überkonsolidierte und porenwasserdruckanfällige Gesteine Tektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdfall-, Senkungs- und Bergsenkungsgebiete. . . . . . . . . . . . Gasaustritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrogeologische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gespanntes und artesisch gespanntes Grundwasser . . . . . . . Stockwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrochemische Gradienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserqualität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwelttechnische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Altlasten und Altablagerungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bergbau, Bergbaufolgeschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Risiken beim Sondeneinbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsrisiken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251 251 252 252 252 253 254 254 254 256 256 256 257 257 257 258 260
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
263
Gesetze, Normen, Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
269
Leitfäden von Ländern und Kommunen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
Glossar A bis Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Geothermische Anlagen
Für die meisten Anwendungen geothermischer Energie (Heizen, Prozesswärme, Speicherung) sind die Temperaturen des oberflächennahen Untergrundes für die unmittelbare energetische Nutzung zu gering. Das gilt sowohl für offene (direkte) Systeme, bei denen das Grundwasser entnommen, thermisch genutzt und meist wieder eingeleitet wird, als auch für geschlossene (indirekte) Systeme, bei denen ein Wärmeträgermedium (Flüssigkeit oder Gas) in geschlossenen Rohrleitungssystemen dem Untergrund Wärme entzieht oder zuführt. In diesen Fällen ist die Erhöhung der Nutzungstemperaturen durch Wärmepumpen der häufigste Fall. Wärmepumpen arbeiten prinzipiell wie Kühlschränke, allerdings mit umgekehrter Wirkungsweise. Dem Untergrund wird Wärme entzogen, um diese für den Heizbetrieb im Wohnhaus zu nutzen. In einem geschlossenen Kreislauf befindet sich in der Wärmepumpe eine leicht siedende Flüssigkeit als Arbeitsmedium. Diese wird durch den Verdampfer bei niedrigen Temperaturen verdampft und nimmt dabei Wärme auf. Durch die Kompression des Verdichters wird das Temperaturniveau des Dampfes weiter erhöht und gelangt so in den Verflüssiger. Ein Wärmeaustauscher gibt die Wärme des Dampfes an den Heizkreislauf ab. Der Dampf wird hierbei durch Kondensation verflüssigt. Durch ein Expansionsventil wird der Druck abgebaut. Das so abgekühlte Kältemittel wird wieder verflüssigt und dem Verdampfer zugeführt. Hier beginnt der Kreislauf erneut (Abbildung 3.0.1).
Abbildung 3.0.1 Funktionsschema einer Wärmepumpe; Grafik: Bundesverband Wärmepumpe e.V., 2013 Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie. 1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) und der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e.V. (DGG). © 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG
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Abbildung 3.0.1 versteht sich als Beispiel für eine derzeit übliche Bauart von Wärmepumpen. Es sind u. a. verschiedene Kompressionswärmepumpen und Absorptionswärmepumpen verfügbar und in Entwicklung, die in den vorliegenden Empfehlungen jedoch nicht weiter behandelt werden. Auf dem Markt sind verschiedene geothermische Systeme, die eine Kombination aus direkter und indirekter Nutzung ermöglichen. Wegen der bisher geringen Verbreitung dieser Spezialsysteme wird in den Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie nur am Rande darauf eingegangen. Die Grundlagen, wie sie bei den geschlossenen und offenen Systemen diskutiert werden, gelten selbstverständlich auch bei diesen Systemen. 3.1
Geschlossene Systeme
Es existieren unterschiedliche Ausführungen geschlossener Systeme, die sich in Erdwärmesonden, Verdampfersonden, Direktverdampfersonden, Erdwärmekollektoren, Erdwärmekörbe und Energiepfähle unterteilen lassen. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Bauausführung, dem Flächenbedarf und der Tiefenlage bzw. Teufe der Systeme. Geschlossene Systeme verfügen über ein unterirdisches Rohrleitungssystem, das als Wärmeaustauscher fungiert. Es kommen unterschiedliche Rohrmaterialien zum Einsatz. Hauptsächlich werden Polyethylenrohre hoher Dichte (PE-HD), Stahlrohre und Kupfer verbaut. In jüngster Zeit werden für Polyethylenrohre praktisch nur noch hochspannungsrißbeständige Werkstoffe mit der Bezeichnung PE100-RC (RC: resistant to crack) eingesetzt. Nach Herstellerangaben eignet sich PE100-RC beispielsweise für die sandbettlose Verlegung von Rohren. PE100, PE80 sowie hochvernetztes Polyethylen (PE-X) und andere Materialien werden nur in geringerem Umfang eingesetzt. Im Folgenden wird von PE-100-RC Rohren ausgegangen, wenn nicht ausdrücklich alternative Rohrmaterialien angesprochen werden. 3.1.1
Erdwärmesonden (Geothermiesonden)
Erdwärmesonden (EWS), synonym als Geothermiesonden bezeichnet, werden überwiegend zur Erschließung oberflächennaher geothermischer Energie verwendet. Dabei kommen U-Rohr-EWS, Doppel-U-Rohr-EWS und koaxiale EWS zur Anwendung (Abbildung 3.1.1). Bei den meisten Erdwärmesondenanlagen wird zurzeit die Doppel-U-Rohr-EWS eingesetzt. Abbildung 3.1.2 und Abbildung 3.1.3 zeigen stark schematisiert das überwiegend verbreitete Bauprinzip einer EWS. Lediglich aus graphischen Gründen wurde die EWS nur mit einem U-Rohr dargestellt. Obwohl die Doppel-U-Rohr40
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Bauart am häufigsten eingesetzt wird, ist anzumerken, dass die Einfach-URohr-Variante vor allem bei tieferen Bohrlöchern (ab ca. 250 – 300 m) zum Einsatz kommt, um u. a. den Einbau der Sondenrohre zu erleichtern. Beim Übergang zu den horizontalen Anschlussleitungen und innerhalb der horizontalen Leitungsabschnitte selbst ist darauf zu achten, dass kein schwer zu entlüftender Hochpunkt entsteht. In Abbildung 3.1.2 und Abbildung 3.1.3 sind schematisch Außen- und Innenzentrierungen (s. u.) für die Sondenrohre dargestellt. Durch eine Innenzentrierung wird der thermische Kontakt zwischen Vor- und Rücklaufrohren minimiert. Sie erleichtert den Einbau, da die Verdrillung des Rohrbündels verringert wird, und nimmt ggf. den Verpressschlauch bzw. das Verpressrohr auf. Die Außenzentrierung (Abstandhalter) soll den Kontakt des Rohrbündels oder des Koaxialrohres mit der Bohrlochwand verhindern und die Umhüllung mit Hinterfüllmaterial verbessern. In Abhängigkeit von den Gebirgsverhältnissen, dem eingesetzten Bohrverfahren und dem Zustand des Bohrloches kann der Einbau von Abstandhaltern zu erhöhten Einbauwiderständen führen (Kapitel 9). Der Einsatz von Außenzentrierungen ist projektbezogen zu definieren.
Abbildung 3.1.1 Funktionsschemata einer a) U-Rohr-Erdwärmesonde, einer b) Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde, einer c) Koaxial-Erdwärmesonde mit innengeführtem Rücklauf und einer d) Koaxial-Erdwärmesonde mit außengeführtem Rücklauf; rot: Vorlauf, blau: Rücklauf; in Bezug auf die Wärmepumpe angegeben; Grafik: Sass & Mielke, 2012
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Planung, Herstellung und Betrieb geschlossener Systeme
Zu den geschlossenen Systemen der Erdwärmenutzung zählen vertikale und geneigte Erdwärme- und Verdampfersonden, horizontal verlegte Erdwärmekollektoren sowie Erdwärmekörbe und Energiepfähle. Ein untertägiges Rohrleitungssystem fungiert bei den geschlossenen Systemen als Wärmeaustauscher. Vertikal eingebaute Erdwärmesonden werden zurzeit am häufigsten eingesetzt. An die Qualität der für die geschlossenen Systeme verwendeten Anlagenkomponenten und Einbaumaterialien sind hohe Anforderungen zu stellen, um die Effizienz und Langzeitbeständigkeit der gesamten Anlage sicherzustellen und Risiken für Boden und Grundwasser zu minimieren. Für die Sicherheit der Anlage und für den Schutz der Umwelt sind erforderlich: – sorgfältige Planung unter Berücksichtigung der geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse, – qualitätsorientierte und qualitätsüberwachte Herstellung, – Dokumentation der Herstellung und der Abnahmeprüfungen, – ordnungsgemäßer Betrieb im Sinne der Rechtsvorschriften und deren Auslegung und – fachgerechte Wartung. Qualitätssicherung und Dokumentation sind neben der Sicherheit der Anlage auch zur Beurteilung zukünftiger Arbeiten auf dem genutzten Grundstück und zur Beurteilung des wirtschaftlichen Wertes der Anlage bei Eigentumswechsel von großer Bedeutung. 7.1
Erdwärmesondenanlagen
Vertikale Erdwärmesondenanlagen stellen die überwiegende Form der oberflächennahen geothermischen Systeme dar, die in Deutschland realisiert werden. 7.1.1
Planung und Dimensionierung
Erdwärmesondenanlagen werden über die Festlegung der minimalen und maximalen Vor- und Rücklauftemperaturen ausgelegt. Zur Vermeidung von Vereisungen im Untergrund ist es notwendig, dass die Eintrittstemperatur des Wärmeträgermediums in die Erdwärmesonde −3 °C nicht unterschreitet. Zwischen dem Anschluss des Rücklaufs an die Wärmepumpe bzw. Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie. 1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) und der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e.V. (DGG). © 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG
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den Wärmetauscher der WP-Anlage und der Erdwärmesonde entstehen thermische Verluste oder treten thermische Gewinne auf je nach Art, Beschaffenheit und Bauweise der Anbindungsrohrleitung. Diese Temperaturdifferenzen sind messtechnisch oder rechnerisch zu bestimmen und in die Auslegung der Gesamtanlage einzubeziehen. Im Idealfall (vernachlässigbar kurze Transportleitungen etc.) kann in dieser Anordnung eine Temperaturspreizung von 3 °C genügen. Wird als Wärmeträgermedium Wasser ohne Beimengungen von Frostschutzmitteln verwendet, ist die Anlage so auszulegen, dass in Wärmetauscher und Wärmepumpe keine Vereisungen eintreten können. Zum Schutz davor ist ein Frostschutzwächter (Vorgaben der Wärmepumpen-Herstellerfirma beachten) einzubauen oder ein entsprechend dimensionierter Sekundärkreislauf (ggf. in Kombination mit einem Pufferspeicher) zu installieren. Bei der Wahl des Hinterfüllbaustoffs der Erdwärmesonde sind die Auslegungstemperaturen zu berücksichtigen. Weiterhin ist die wirtschaftlich-technische Betriebszeitspanne ein wesentliches Bemessungskriterium. Aus geothermischer Sicht ist der Eintritt in quasi-stationäre Wärmeentnahmeverhältnisse im Untergrund eine sinnvolle Orientierung. In Abhängigkeit der in Abschnitt 2.2 diskutierten Einflussgrößen werden quasi stationäre Verhältnisse bei Einzelerdwärmesonden oder EWS-Feldern nach etwa 5 bis 15 Jahren erreicht. Es sind aber auch betriebs- und projektbedingte Konstellationen möglich, bei denen diese Zeiträume deutlich unter- oder überschritten werden. Auslegungszeiträume von 30 bis 50 Jahren sind daher meistens sinnvoll. Die Schweizer Norm SIA 384/6 (2010) schreibt z. B. eine Simulationsdauer von 50 Jahren vor. 7.1.1.1 Allgemeine Anforderungen Grundlage für die Planung einer Erdwärmesondenanlage sind die Leistungsangaben zum Heiz- und Kühlbetrieb sowie die objekt- und nutzungsbedingten Arbeitsgrößen, die von den betrachteten Zeiträumen abhängen. In Kapitel 5 sind die Planungs- und Überwachungstätigkeiten beschrieben. Sie gelten bis auf die systembedingten Abweichungen auch für die anderen geothermischen Systeme wie z. B. Brunnenanlagen und Energiepfähle. Für die Planung und Bemessung von geothermischen Anlagen gelten neben den technischen Anforderungen und Zielen die wasserrechtlichen Regelungen der jeweiligen Bundesländer (Kapitel 4). Bei der hydraulischen Auslegung von Erdwärmesondenanlagen ist eine klassische Optimierungsaufgabe zu lösen. Ziel ist es, die Leistungszahl (ε) der Wärmepumpe zu maximieren und den Hilfsenergieaufwand, im Wesentlichen ist dies der elektrische Strom für die Umwälzpumpe, zu minimieren. Durch Reduzierung der Pumpenleistung nimmt der Massenstrom des 152
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Wärmeträgermediums in den Erdwärmesonden ab. Bei Unterschreitung eines systemspezifischen Massenstroms geht die turbulente Strömung in eine laminare Strömung über. Bei laminarem Fluss sinkt aufgrund fehlender interner Durchmischung im Wärmeträgermedium die Entzugsleistung der Erdwärmesonde. Daraus resultiert eine niedrigere Fluidtemperatur beim Eintritt in den Verdampfer der Wärmepumpe und damit eine geringere Effizienz der Anlage, da die erforderliche elektrische Arbeit des Verdichters ansteigt. Umgekehrt bewirkt die Erhöhung des Massenstroms bis zum Erreichen einer turbulenten Strömung eine höhere Entzugsleistung der Erdwärmesonden. Daraus resultieren eine höhere Fluidtemperatur im Verdampfer der Wärmepumpe und damit eine höhere Leistungszahl der Wärmepumpe. Zwar wird hierbei mehr Hilfsenergieaufwand benötigt, aber die Gesamteffizienz der Anlage durch die erhöhte Leistungszahl ist im Regelfall größer. Bei der hydraulischen Auslegung der gesamten Erdwärme-Sondenanlage müssen die Leitungsdurchmesser und Leitungslängen der Erdwärmesonden und der Anschlussrohre hinsichtlich des hydraulischen Druckverlusts aufeinander abgestimmt werden. Der Gesamtdruckverlust und damit die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe sind immer größer als die Summe der Druckverluste der einzelnen Sonden. In Abbildung 7.1.1 sind beispielhaft die hydraulischen Druckverluste in Abhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms für die zwei gängigsten U-Rohrsondentypen aus PE-HD Werkstoff (32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm) dargestellt. Der zwischen 0,5 und 1,0 m³ ∙ h−1 bei beiden Kurven erkennbare Anstieg der Druckverluste ist auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zurückzuführen. Erwartungsgemäß werden für den größeren EWS-Durchmesser niedrigere Druckverluste berechnet. Die Abhängigkeit der Druckverluste von der Sondenlänge der U-Rohrsondentypen 32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm ist in Abbildung 7.1.2 dargestellt. Für das gewählte Beispiel (s. Abbildungsunterschrift) liegen die Druckverluste der EWS 32 × 2,9 mm etwa Faktor 2,8 über denen der EWS 40 × 3,7 mm. Weiterhin ist die notwendige Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe zur Überwindung des Druckverlustes dargestellt. Die Leistungsaufnahme wurde jeweils aus dem Produkt aus Druckabfall und Volumenstrom sowie einem Wirkungsgrad der Umwälzpumpe von 25 % errechnet. Die Druckverluste, in Abbildung 7.1.1 und Abbildung 7.1.2 dargestellt, wurden mittels den von Huber & Ochs (2007) angegebenen Formeln berechnet. Druckverluste in Wärmepumpe, Horizontalleitungen, Verteiler und weiteren Armaturen sind nicht berücksichtigt, jedoch die 180°-Umlenkung am Sondenfuß. Aufgrund der unsteten Zunahme des Druckverlustes mit steigender EWS-Länge ist ab einer Sondenlänge von 120 m zur Minimierung der Druckverluste eine EWS mit 40 × 3,7 mm einzusetzen. 153
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Abbildung 7.1.1 Druckverluste in Abhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms für die Doppel-U-Rohr-EWS 32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm für Wasser mit 4 °C als Wärmeträgermedium und einer Sondenlänge von 120 m
7.1.1.2 Achsabstände von Erdwärmesonden Erdwärmesonden können sich gegenseitig thermisch beeinflussen. Dies gilt sowohl für die Erdwärmesonden einer Gruppe oder eines Feldes, als auch für Einzelsonden auf benachbarten Grundstücken. Bei der Planung sind daher Mindestabstände der Erdwärmesonden zu berücksichtigen, um einen nachhaltigen Betrieb auch in baulich dicht genutzten Gebieten zu gewährleisten. Bei der Festlegung von Abständen von Erdwärmesonden sind zu beachten: – Abstandsvorgaben aus den Leitfäden der Bundesländer und des BbergG, – Abstandsauflagen aus der bergrechtlichen Situation untertage, – Vertikalabweichung des eingesetzten Bohrverfahrens im konkreten Gebirge, – Planungsbeeinflussende Merkmale der geologischen Verhältnisse, – Berücksichtigung der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit, – Berücksichtigung von Schwankungen der Grundwasserströmungsrichtung, 154
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Abbildung 7.1.2 Druckverluste in Abhängigkeit der EWS-Länge für typische Doppel-U-Rohrsonden mit Wasser (4 °C) als Wärmeträgermedium und einem Volumenstrom von 2 m³/h (turbulente Strömung) sowie die zugehörigen Leistungsaufnahmen der Umwälzpumpe (angenommener Wirkungsgrad: 25 %)
– Geometrie der betroffenen Grundstücke, – Nutzung der Anlage (Heizung, Heizung/Kühlung, Speicherung). Der axiale Mindestabstand von zwei vertikalen Erdwärmesondenbohrungen beträgt in Abhängigkeit von den Regelungen des jeweiligen Bundeslandes 5 m bis 10 m. Bei größeren Mehrsondenanlagen sind rechnerische Nachweise zu führen, um u. a. die geeigneten Abstände festzulegen. Gleiches gilt für die Abstände von Erdwärmesonden zu den Grundstücksgrenzen. Das Land Berlin empfiehlt beispielsweise in seinem Leitfaden Mindestabstände für zwei Erdwärmesondenanlagen von 10 m, gibt aber keinen Mindestabstand zu Nachbargrundstücken vor. Die thermische Beeinflussung der Anlagen untereinander ist sowohl abhängig von den standortspezifischen geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen (siehe Kapitel 5) als auch von benachbarten geothermischen Nutzungen. 155
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