Kolloquium Bauen in Boden und Fels
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2510-7755
expert verlag Tübingen
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2020
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Saisonale Erdwärmespeicher – Forschungsprojekt oder Standardlösung?
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2020
Bernd Kister
Saisonale Speicher können bei der zukünftigen Energieversorgung durch die Einspeisung von Solarwärme oder Abwärme aus technischen Prozessen und der daraus resultierenden CO2-Emissionsminderung durch einen geringeren Verbrauch fossiler Brennstoffe eine wichtige Rolle spielen. Für die saisonale Speicherung großer thermischer Energie-mengen wurden vier unterschiedliche Konzepte entwickelt. Die Eigenschaften der verschiedenen Speichertypen müssen bei der Entscheidung für einen Speichertyp mit der Anforderung bezüglich der Speichertemperatur, den gesetzlichen Rahmenbedingungen, den natürlichen Rahmenbedingungen sowie dem zur Verfügung stehenden Raum in Einklang gebracht werden. Auch der unterschiedliche Stand der Technik und die bisher gemachten Erfahrungen sind dabei zu berücksichtigen. Bei Erdwärmesonden spielen die Art des Ausbaus und die Auswahl der Baustoffe eine große Rolle für die Leistung einer Anlage. Für Sondenrohre bzw. Kollektoren stehen neue Modelle zur Verfügung. Ihre Eigenschaften werden diskutiert und mit den gängigen Modellen, einfache U-Rohr EWS und Doppel-U-Rohr EWS, verglichen.
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12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 219 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Bernd Kister geotechnical engineering and research, 69151 Neckargemünd Zusammenfassung Saisonale Speicher können bei der zukünftigen Energieversorgung durch die Einspeisung von Solarwärme oder Abwärme aus technischen Prozessen und der daraus resultierenden CO 2 -Emissionsminderung durch einen geringeren Verbrauch fossiler Brennstoffe eine wichtige Rolle spielen. Für die saisonale Speicherung großer thermischer Energie-mengen wurden vier unterschiedliche Konzepte entwickelt. Die Eigenschaften der verschiedenen Speichertypen müssen bei der Entscheidung für einen Speichertyp mit der Anforderung bezüglich der Speichertemperatur, den gesetzlichen Rahmenbedingungen, den natürlichen Rahmenbedingungen sowie dem zur Verfügung stehenden Raum in Einklang gebracht werden. Auch der unterschiedliche Stand der Technik und die bisher gemachten Erfahrungen sind dabei zu berücksichtigen. Bei Erdwärmesonden spielen die Art des Ausbaus und die Auswahl der Baustoffe eine große Rolle für die Leistung einer Anlage. Für Sondenrohre bzw. Kollektoren stehen neue Modelle zur Verfügung. Ihre Eigenschaften werden diskutiert und mit den gängigen Modellen, einfache U-Rohr EWS und Doppel-U-Rohr EWS, verglichen. 1. 1. Einleitung Saisonale Speicher sollen im Idealfall im Sommer gewonnene Sonnenenergie aufnehmen, abspeichern und dabei gleichzeitig ein Gebäude kühlen. Im Winter soll dann die gespeicherte Energie wieder für die Heizung von Gebäuden zur Verfügung stehen. Zu diesem Zweck wurde in den letzten rund 25 Jahren eine Vielzahl von unterschiedlichen Speichern entwickelt und gebaut. Viele dieser Speichertypen wurden als Prototypen im Rahmen von Forschungsprojekten erstellt. Für den Architekt oder Bauingenieur, der in der Regel kein Spezialist für solche Speicher ist, aber einen saisonalen Speicher in sein Projekt integrieren will oder soll, stellt sich dann häufig die Frage nach einer Speicherlösung, die einerseits nicht in ein Forschungsprojekt mündet und andererseits technisch ausführbar, langlebig und finanzierbar ist. Es stellt sich somit die Frage nach Kriterien anhand denen eine Auswahl getroffen werden kann. Eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Auswahl einer Speicherlösung ergibt sich daraus, dass einerseits Anforderungen aus dem Bereich der Haus- und Gebäudetechnik zu erfüllen sind und andererseits rechtliche Rahmenbedingungen, örtliche geologische und hydrologische Gegebenheiten sowie physikalische Grundlagen zu berücksichtigen sind. Auch der für eine Speicherlösung zur Verfügung stehende Platz spielt eine Rolle. 2. Saisonalen Speicherung von Solarwärme Bei der Langzeitbzw. saisonalen Speicherung von Solarwärme gelten folgende Grundsätze (Schmidt & Mangold, 2008): - Die Sonne liefert in den Monaten Mai bis September rund zwei Drittel der in einem Jahr in Deutschland eingestrahlten Solarenergie. - Der Hauptteil des jährlichen Wärmeverbrauchs von Wohngebäuden liegt dagegen mit deutlich über zwei Dritteln in der Heizperiode zwischen Oktober und April. Abb. 2.1: Langzeit-Wärmespeichertypen nach Schmidt et al. (2003) Um große Teile der heute für die Heizperiode auf-gewendeten fossilen Energien einzusparen, muß daher Solarenergie im Sommer gewonnen und in saisonalen Wärmespeichern bis in den Winter gespeichert werden. Für die 220 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? saisonale Speicherung großer thermischer Energiemengen wurden vier unterschiedliche Konzepte entwickelt (Abb. 2.1): - Heißwasserspeicher, - Kies/ Wasser-Speicher, - Aquifer-Wärmespeicher - Erdsonden bzw. Erdsondenfelder. 2.1 Heißwasser-Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher bestehen aus einem großen Behälter, der mit Wasser als Speichermedium betrieben wird. Je höher die Temperatur des gespeicherten Wassers ist bzw. je größer das Volumen ist, umso mehr Energie kann gespeichert werden. Um Wärmeverluste zu minimieren, müssen diese Wärmespeicher gedämmt werden. Aufgrund dieser weitgehenden thermischen Isolierung ist der Einfluss der thermischen Eigenschaften des diese Speicher umgebenden Mediums auf den Heißwasser-Wärme-speicher gering. Da trotz der thermischen Isolierung Wärmverluste nicht vollständig verhindert werden können, sollte das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Speichers möglichst klein gewählt werden. Um die trotz Isolierung abgestrahlte “Restwärme” mit zu nutzen, schlägt Jenni bei kleineren Speichern vor, die Wärmespeicher im Gebäude zu intergrieren (Abb. 2.2). Abb. 2.2: Saisonaler Wärmespeicher Typ “Jenni” integriert im Gebäude (Quelle: Jenni Energietechnik AG). Bei entsprechender Materialauswahl können Heißwasser-Wärmespeicher bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, d.h. bis zu 90°C. Sie eignen sich daher sehr gut, wenn mit hohen Temperaturen, z.B. aus Kraft-Wärme-Kopplungsprozessen oder Sonnenkollektoren, gearbeitet werden soll. Werden Temperaturen benötigt, die über der im Speicher vorhandenen Temperatur liegen, müssen zusätzliche Wärmeerzeuger zur Nachheizung integriert werden. Abb. 2.3: Solar unterstützte Nahwärmeversorgung mit Heißwasser-Wärmespeicher (Schmidt & Mangold, 2008) Heißwasser-Wärmespeicher sind aufgrund ihrer Eigenschaften (ungiftig, hohe spezifische Wärme) heute in verschiedensten Größen verfügbar. Ein saisonaler Heißwasser-Wärmespeicher für ein Einfamilienhaus erfordert eine Speichergröße von mindestens 20 m³ Wasser. Für eine größere Anzahl von Wohneinheiten müssen diese Speicher entsprechend groß gewählt werden (Abb. 2.3). Die Dimensionen ausgeführter Behälter- und Erdbecken-Wärmespeicher variieren zwischen 100 m³ bis über 10 000 m³. Zu den größten in Deutschland ausgeführten Projekten gehört ein Heiß-wasser-Wärmespeicher in Friedrichshafen - Wiggenhausen mit 12’000 m3 für 391 Wohneinheiten und einen Kindergarten (Ochs et al.; 2006; Benner et al., 2003). Generell ist bei diesem Speichertyp zu prüfen, ob die statischen Lasten aus dem Gewicht des Speichers vom Untergrund aufgenommen werden können. Das Dämmmaterial für diese Speicher ist entsprechend der statischen und thermischen Belastung auszuwählen. Der Wandaufbau muß einerseits dicht gegenüber dem Wärmespeichermedium sein und andererseits soll das Eindringen von Feuchtigkeit aus dem Erdreich in die Wärmedämmung verhindert werden. Dies ist daher besonders wichtig, da Untersuchungen gezeigt haben, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit von Wärme-dämmstoffen unter Feuchteeinfluss bei hohen Temperaturen (60° - 80°) um bis zu fünf mal höher sein kann als der Bemessungswert nach DIN 4108 (Ochs et al, 2006). Abbildung 2.4 zeigt beispielhaft den Wandaufbau für einen Erdbecken-Wärmespeicher. Die Mehrzahl der bisher realisierten großen Behälter-Wärmespeicher wurde aus Platzund/ oder architektonischen Gründen ganz oder partiell In den Untergrund gebaut. Die Kosten für die Erd- und Spezialtiefbaumaßnahmen können hierbei die Kosten für den eigentlichen Speicherbau überschreiten und in ungünstigen Fällen sogar mehr als 60% der Gesamtkosten ausmachen (Ochs et al., 2006). 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 221 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Abb. 2.4: Beispiel für den Wandaufbau und die Wärmedämmung bei einem Erdbecken-Wärme-speicher (Ochs, 2013) 2.2 Kies/ Wasser-Wärmespeicher Bei Kies/ Wasser-Wärmespeichern wird als Speichermedium ein Gemisch aus Kies, Sand oder Erde und Wasser verwendet. Das Speichermedium befindet sich in einem Erdbecken bzw. einer Grube. Die Grube wird durch Kunststoffbahnen wasser- und wasserdampfdicht ausgekleidet und dann mit Kies, Sand oder Erde bzw. einer Kombination aus diesen Materialien sowie Wasser gefüllt. Die Be- und Entladung des Wärmespeichers erfolgt direkt, z. B. mit Brunnenpaaren bzw. perforierten Rohren, oder indirekt, z. B. mit Rohr-schlangen im Speicherinneren, die als Wärmeüber-träger dienen (Marx et al., 2011). Kies/ Wasser-Wärmespeicher sind durch die Kiesfüllung druckstabil. Es ist daher keine tragende Deckenkonstruktion erforderlich, wie bei einem Heißwasser-Wärmespeicher. Das Areal über dem Speicher kann somit genutzt werden. Allerdings ergeben sich durch die Kiesfüllung auch Nachteile, denn die volumenspezifische Wärmekapazität ist kleiner als bei reinem Wasser (nur ca. das 0,5 bis 0,75-fache von reinem Wasser). Um die gleiche Wärmemenge speichern zu können, wie in einem Heißwasser-Wärmespeicher, muss das Speichervolumen aufgrund der geringeren Wärmekapazität des Kies - Wasser - Gemisches im Vergleich zu Wasser, um bis zu 50% vergrößert werden. Ein weiterer Nachteil dieses Speichertyps besteht darin, dass im Falle einer Leckage der Dichtungsbahnen der Wärmespeicher nicht bzw. nur unter großem Aufwand repariert werden kann. Wie die Heißwasser-Wärmespeicher, so können auch Kies/ Wasser-Wärmespeicher bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, d.h. in Abhängigkeit von der Temperaturstandfestigkeit der inneren Abdichtung, bis zu Maximaltemperaturen von ca. 90 °C. Bei der Mehrzahl der bisher ausgeführten Pilotanlagen zur solar unterstützten Nahwärmeversorgung mit vergrabenen Langzeit-Wärmespeichern (Heißwasser-Wärmespeicher und Kies/ Wasser-Wärmespeicher) sind die Wärmeverluste höher als bei der Planung berechnet. Ursachen hierfür sind (Ochs, 2013): - Wärmeverluste durch veränderte Temperaturverläufe aufgrund geänderter Lasten oder Systemkonfigurationen gegenüber dem Planungsstand. - Geringere Temperaturschichtung als ursprünglich angenommen. - Höhere Wärmeverluste im meist ungedämmten Bodenbereich aufgrund höherer Rücklauf- und somit Speicherbodentemperaturen. - Die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Wärmedämmung wurde bei bisherigen Aus-legungen als konstant angenommen. Neuere Untersuchungen haben aufgezeigt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmung signifikant mit zunehmendem Wassergehalt der Wärmedämmung erhöht. Der Effekt ist bei hohen Temperaturen (ab 40 °C) noch ausgeprägter. - Die Qualität der Wandaufbauten ist teilweise unzureichend ausgeführt. International sind über 30 Projekte dokumentiert, wobei sich die Mehrzahl in Europa und dort in Deutschland und in den skandinavischen Ländern befinden (Ochs, 2013). 2.3 Aquifer-Wärmespeicher Beim Aquifer-Wärmespeicher werden, wie der Name schon sagt, grundwasserführende Schichten genutzt. Zum Betrieb eines Aquifer-Wärmespeichers müssen daher geeignete geologische und hydrogeologische Bedingungen vorhanden sein. Hierzu gehört eine ausreichende Ergiebigkeit des Grundwasserleiters, ein Durchlässigkeitsbeiwert kf von mindestens 10-5 m/ s, eine gute Dichtheit der begrenzenden Schichten und eine sehr geringe Fließgeschwindigkeit im Grundwasserleiter. Da Aquifer-Wärmespeicher nicht wie Behälter-Wärme-speicher isoliert werden können, spielen bei diesem Speichertyp auch die geothermischen Bedingungen eine Rolle. In unseren Breiten werden die obersten 10 bis 20 m des Untergrunds durch das jahreszeitliche Klima beeinflusst, d.h. sie unterliegen einer jahreszeitlichen Temperaturschwankung (vgl. Abb. 2.5). Unterhalb dieser Zone liegt die Temperatur bei ca. 10°C und steigt dann mit zunehmender Tiefe an. Die als geothermische Tiefenstufe bezeichnete Temperaturzunahme mit der Tiefe beträgt im Normalfall 3°C pro 100 m. In Deutschland werden geothermische Einrichtungen als oberflächennah bezeichnet, wenn sie sich oberhalb einer Tiefe von 400 m befinden. Daraus ergibt sich für oberflächennahe Aquifer-Wärmespeicher ohne Wärmeeinspeisung oder hydrothermalen Einfluß eine maximal mögliche nutzbare Temperatur von ca. 20°C. Für eine Direktheizung mit etwa 60°C müsste der Aquifer folglich in einer Tiefe von ca. 2000 m liegen. 222 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Abb. 2.5: Beispiel für den jährlichen Temperaturverlauf in einem Boden in unterschiedlichen Tiefen (Williams & Gold, 1976) Speicher, welche auf einem nicht direkt nutzbaren Temperaturniveau betrieben werden, und deshalb immer mittels einer Wärmepumpe entladen werden müssen, werden als Niedertemperaturspeicher bezeichnet. Die Wärmepumpe hebt die gespeicherte Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau und benötigt hierfür eine höherwertige Antriebsenergie. Bei einem Aquifer-Wärmespeicher wird über einen oder mehrere Entnahmebrunnen dem Speicher Grundwasser entnommen. Im Sommerbetrieb wird dieses Wasser mittels eines Wärmeüberträgers erwärmt und über einen oder mehrere Schluckbrunnen wieder in den Untergrund eingeleitet. Die Ausspeicherung im Winter erfolgt dann durch eine Umkehrung der Durch-strömungsrichtung (Abb. 2.6). Im Aquifer entsteht um die Brunnen eine Warmbzw. eine Kaltzone. Der Abstand der Brunnen ist so zu wählen, dass kein “thermischer Kurzschluss” entsteht. Abb. 2.6: Betriebsweise eines Aquifer-Wärmespeichers (Sanner, 2004) Der Aquifer-Wärmespeicher stellt einen Eingriff in das Grundwasser dar. Die rechtlichen Grundlagen für Eingriffe in das Grundwasser und dessen Nutzung und damit auch für alle Nutzungen der oberflächennahen Geothermie sind in Baden Württemberg das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und das Wassergesetz Baden-Württemberg (WG). Als oberster Grundsatz gilt hier, dass Arbeiten zur Erschliessung des Grundwassers zu untersagen sind, wenn mit einer nachteiligen Veränderung des Grundwassers zu rechnen ist. Hieraus ergibt sich für die oberflächennahe Nutzung, dass die maximalen Beladetemperaturen eines Aquifer-Wärme-speichers in der Regel stark begrenzt sind, um die Grundwasserqualität und den Grundwasserchemismus nicht negativ zu beeinflussen. Insbesondere bei Temperaturen oberhalb von etwa 50°C kann es zu bio-logischen und geochemischen Veränderungen des Grundwassers und damit zu Ausfällungen im Grundwasserleiter sowie den Brunnenfiltern kommen. Letzt-endlich kann dies zum Versagen der gesamten Anlage führen. Aus diesen Gründen werden oberflächennahe Aquifer-Wärmespeicher in der Regel in einem kleinen Temperaturintervall ΔT < 15°C, d.h. mit Temperaturen zwischen 5°C und 20°C betrieben. Die Speicherung von Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau hat jedoch auch den Vorteil, dass keine grossen Temperaturdifferenzen zur Umgebung entstehen und somit die Wärmeverluste gering sind. Wenn Aquifer-Wärmespeicher mit höheren Temperaturen betrieben werden sollen, erfolgt dies in größeren Tiefen und in Aquiferen, für die keine anderweitige Grundwassernutzung vorgesehen ist. Für die Nutzung von tiefliegenden Aquiferen als Aquifer-Wärme-speicher ist zudem zu beachten, dass für die Durchführung von Bohrungen mit Teufen von mehr als 100 m eine bergrechtliche Freigabe nach dem Bundesberg-gesetz (BBergG) erforderlich ist. Für den Nahwärmeverbund der Parlamentsgebäude im Spreebogen in Berlin wurden zwei separate Aquifere als Aquiferspeicher erschlossen (Abb. 2.7). Ein in einer Tiefe von ca. 60 m liegender Aquifer dient dabei als Kältespeicher. Ein zweiter, in ca. 320 m Tiefe gelegener Aquifer dient als Wärmespeicher (Sanner et al., 2005). Abb. 2.7: Lage der Aquifer-Wärmespeicher (ATES) unter dem Reichstagsgebäude in Berlin (Sanner et al., 2005) Mit Aquiferspeichern können große Speichervolumina zu relative geringen Kosten erschlossen werden. Allerdings sind vor der Realisation sehr aufwändige geologische und hydrogeologische Abklärungen durch-zuführen. Die Investitionskosten für solche Speicher ergeben sich daher hauptsächlich aus den Kosten für die Erkundung des Untergrundes. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 223 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? 2.4 Erdwärmesonden bzw. Erdsondenfelder Im Gegensatz zu Aquifer-Wärmespeichern sind Erdwärmesonden oder Erdsonden Teil eines geschlossenen Kreislaufsystems, d.h. das Wärmeträgermedium hat hier keinen direkten Kontakt zum Untergrund. Über Rohrleitungen in einer Bohrung wird das Wärme-trägermedium in den Untergrund geführt, nimmt dabei Wärme auf oder gibt sie an den Untergrund ab und wird dann zur weiteren Nutzung wieder zurück zur Oberfläche geführt. Erdwärmesonden (EWS) werden in der Regel als U-Rohr-EWS, Doppel-U-Rohr-EWS oder als EWS mit einem Koaxialrohr ausgeführt (Abb. 2.8). Abb. 2.8: Typische Erdwärmesonden: a) einfache U-Rohr-EWS; b) Doppel-U-Rohr-EWS; c) EWS mit Koaxialrohr Neben den in Abb. 2.8 dargestellten Standardgeometrien wurden auch komplexere Geometrien entwickelt, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Das Ziel ist dabei meist durch eine größere Kontaktfläche den Wärmestrom zu erhöhen. So wurde z.B. der Wirkungs-grad von Multi-U-Rohr-Sonden untersucht. Die Wär-mestromrate in einer Sonde mit 3 U-Rohren wies dabei gegenüber einer einfachen U-Rohr-Sonde eine um ca. 25% höhere Wärmetransferrate auf. Eine weitere Erhöhung der Anzahl der U-Rohre in einer Sonde führte jedoch zu keiner wesentlichen Steigerung mehr (vgl. Zhao et al., 2016). Liu et al. (2015) schlagen als Weiterentwicklung der U-Rohr-Sonden eine EWS mit 3 Rohren für den Zufluss in die Bohrung und einem Rohr mit vergrößertem Querschnitt für den Rückfluss vor (Abb. 2.9). Der thermische Bohrlochwiderstand der neuen I3-Typ-EWS war im Experiment 15.8% bzw. 31.1 % geringer als bei einer Doppel-U-Rohr-EWS bzw. bei einer einfachen U-Rohr-EWS. Ljungqvist et al. (2013) entwickelten einen Sondenkollektor der als TIL-GHEX-Sonde bezeichnet wird (Thermal Insulated Leg - Ground Heat Exchanger). Der TIL-GHEX-Kollektor besteht aus einem thermisch isolierten Rohr mit einem Durchmesser von 40 mm in der Mitte, welches von 6 bis 12 Rohren mit einem kleineren Durchmesser von 16 mm umgeben ist (Abb. 2.10). Abb. 2.9: I3-Typ-EWS nach Liu et al. (2015) mit 3 Rohren für den Zufluss in die Sonde und einem Rohr mit vergrößertem Querschnitt für den Rückfluss Abb. 2.10: Uponor TIL-GHEX- Kollektor (Ljungqvist et al., 2013) 224 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Ljungqvist et al. (2013) geben an, dass durch diese Anordnung der Rohre der thermische Bohrloch-widerstand signifikant reduziert und damit die Wärme-transferrate erhöht wird. Die Kosten für den Kollektor seien zwar höher als bei einer einfachen U-Rohr-Sonde, aber durch den neuen Sondentyp könnten die Bohrungen bis zu 50% kürzer ausgeführt werden, so dass die Kosten für die EWS insgesamt geringer ausfallen würden als bei einer U-Sonde. Eine ähnliche Struktur mit einem Zentralrohr und mehreren koaxial angeordneten Aussenrohren weist der von Wagner (2017) als Ringrohrsonde bezeichnete Sondentyp auf (Abb. 2.11). Die Aussenrohre sind auf der Aussenseite eines schwach durchlässigen Gewebe-schlauchs befestigt. Das Rohrbündel wird mit dem Gewebeschlauch zusammengefaltet und in die Bohrung verbracht. Im Anschluss wird der Gewebeschlauch von unten nach oben verfüllt. Durch das Verfüllen des Gewebeschlauchs werden die Aussenrohre zur Bohr-lochwandung hin verschoben und es ergibt sich so zum einen eine größere Kontaktfläche für den Wärmestrom und zum anderen ein vergleichsweise großer Abstand zum Zentralrohr. Abb. 2.11: Schnitt durch eine Muster-Ringrohrsonde (Wagner, 2017) Die Gesamtkosten für die Ringrohrsonde sollen in etwa gleich hoch sein wie bei einer Doppel-U-Rohr-Sonde. Die um bis zu 3-fach höheren Material- und Herstellungskosten für den Kollektor der Ringrohrsonde sollen durch die geringeren Verfüllkosten annähernd ausgeglichen werden. Als maximale Sondenlänge wird von Wagner (2017) eine Teufe von 150 m angegeben. In der Literatur werden auch Koaxialrohre mit komplexer Geometrie beschrieben (vgl. Abb. 2.12). Bei der Aufteilung des äusseren Ringraums dieser Sonden geht es darum, neben einem höheren Wärmeaustausch durch eine größere Fläche, auch eine turbulente Strömung in den kleineren Rohrsegmenten zu erzielen. Durch die unmittelbare Nähe von Innenrohr und Aussenrohr-segmenten ist eine thermische Isolierung des Innenrohrs von Vorteil. Abb.2.12: Beispiele für Koaxialrohre mit komplexem Querschnitt (Bild links aus Urchueguía et al., 2019; Bild rechts aus Acuna & Palm, 2010) Die Geothex-Koaxialsonde ist ein weiterer komplexer Sondentyp. Sie besteht aus einem thermisch isolierten Innenrohr. und einem Aussenrohr, in dem spiralförmig verlaufende Rippen angeordnet sind (Abb. 2.13). Durch diese Konstruktion ergibt sich nach Witte (2012) ein sehr kleiner thermischer Widerstand der Sonde und zwar auch dann, wenn laminare Strömung in der Sonde auftritt. Zudem wird angegeben, dass bei einer Durchflußmenge von ca. 0.5 m3/ Stunde die Druckverluste in der Sonde vergleichbar sind mit den Werten einer U-Rohr-Sonde. Abb. 2.13: Geothex-Koaxialsonde mit thermisch isoliertem Innenerohr und spiralförmig verlaufenden Rippen im Aussenrohr (Quelle: Geothex BV) (Witte, 2012) Allen Sonden-Bauarten ist gemein, dass sie üblicherweise in senkrecht erstellten Bohrungen ausgeführt werden und daher der Platzbedarf an der Geländeoberfläche gering ist. Dafür reichen die Sonden jedoch bis in erhebliche Tiefen von z.T. mehreren hundert Metern, d.h. die Bohrungen müssen in der Regel mehrere geo-logische Schichten und eventuell auch mehrere Grundwasserleiter durchfahren. Dies birgt jedoch auch immer die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen Grundwasserleitern, zum einen schon durch den Bohrvorgang selbst und zum anderen durch eine unvollständige Verfüllung der EWS. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 225 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Aufgrund von Schadensfällen durch EWS-Bohrungen in der Vergangenheit (Staufen, Kamen, Böblingen, etc.) und den damit verbundenen Irritationen über die Sicherheit der oberflächennahen Geothermie, wurden in Baden-Württemberg Leitlinien zur Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden erlassen (LQS EWS, 2018). Diese Leitlinien sind auch Teil des Verfahrens zur wasserrechtlichen Erlaubnis bei der unteren Wasser-behörde. In den LQS EWS sind unter anderem Vorgaben zu folgenden Punkten festgelegt: - Zertifizierung des Bohrunternehmens und Qualifikation des Bohrpersonals, - Haftpflichtversicherung der Bohrfirma mit einer Deckungssumme von mindestens 8 Millionen Euro, - Mindestabstand zur Grundstücksgrenze, - Dokumentation der EWS-Bohrung, - Eigenschaften und Verarbeitung der Baustoffe sowie deren Prüfung, - Sondeneinbau und Abdichtung. Zum Bohrdurchmesser vermerken die Leitlinien, dass der Bohrdurchmesser so zu wählen ist, dass das Sondenbündel einschließlich des erforderlichen Abdichtungs- und Überwachungsequipments problemlos eingebracht und der verbleibende Ringraum vollständig abgedichtet werden kann. Bei EWS-Bohrungen, die Gips- oder Anhydritzonen erreichen können, legen die Leitlinien fest, dass die Bohrung beim Antreffen des Gipsspiegels abzubrechen ist. Für einen Langzeit-Wärmespeicher bzw. einen saisonalen Wärme- und Kältespeicher sind mehrere EWS notwendig. Ab einer Mindestanzahl von 5 EWS und einer Heizleistung von mehr als 30 kW spricht man von einem Sondenfeld (LQS EWS, 2018). Sonden-felder können aus einer sehr großen Anzahl von EWS bestehen (> 100). Sie können dann ganze Häusergruppen oder große Gebäude wie Mehrfamilienhäuser, Industrie- und Verwaltungsgebäude, Hotels, Mehrzweckgebäude usw. Beheizen bzw. Kühlen. Durch ein Sondenfeld kann ein sehr großer “Boden-körper” als Speichermedium aktiviert werden. Wie bei einem Aquifer-Speicher, so gibt es auch bei einem Sondenfeld keine thermische Isolierung nach aussen, d.h. wenn ein solcher Speicher aufgeladen wird auf Temperaturen, die oberhalb des natürlichen Temperaturniveaus liegen, findet ein Wärmetransport in das Umfeld des Speichers statt. Im Gegensatz zu Aquiferspeichern, bei denen der Wäremtransport konvektiv über das Wasser stattfindet, erfolgt der Wärmetransport im Untergrund in der ungesättigten Zone über Wärme-leitung. Dieser Prozeß erfolgt sehr viel langsamer und ist vom Temperaturgradient abhängig. Generell läßt sich bei den Sondenfeldern, ähnlich wie bei den Heißwasser- und Kies/ Wasser-Speichern, die Aussage treffen, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Speichers möglichst klein gewählt werden sollte, d.h. eine Anordnung der Sonden in einer Kreis-fläche ist einer Anordnung in einer rechteckigen Fläche vorzuziehen und der Durchmesser des Sondenfeldes sollte im Idealfall dabei etwas kleiner sein als die Bohrtiefe. Die einzelnen EWS eines Sondenfeldes beeinflussen sich auch gegenseitig. Die Anzahl, Anordnung und der Abstand der EWS zueinander sind daher sowohl für den Nutzungsgrad des Sondenfeldes als auch für das Langzeitverhalten von großer Bedeutung. Der gegenseitige thermische Einfluß zwischen einzelnen EWS in einem Sondenfeld ist zunächst bei Inbetriebnahme noch sehr gering, nimmt mit der Zeit aber immer stärker zu. Andererseits nimmt der thermische Einfluss einer EWS auf ihre Nachbarsonden mit zunehmendem Abstand zwischen den Bohrungen ab und wird vernachlässigbar, wenn der Abstand der Sonden größer als die Tiefe der Bohrungen ist (Pesl et al. 2008). Bei einem Sondenfeld, welches als saisonaler Speicher genutzt wird, wird der Abstand der einzelnen EWS durch die Zeitdauer von Laden und Entladen, die physikalischen Eigenschaften des Untergrundes (Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit) sowie die bei der Auslegung ermittelte Sondendichte bestimmt. Ein stationärer Zustand wird dabei in der Regel nicht erreicht. Auch bautechnische Aspekte sowie die Form und Größe des zur Verfügung stehenden Grundstücks beeinflussen die Auslegung eines Sondenfeldes. Für Sondenfelder, die im Niedertemperaturbetrieb gefahren werden, wird in der VDI 4640, Blatt 3 (2001) noch ein Sondenabstand im Bereich von 2 bis 5 m als typisch angesehen. Das Bayerische Landesamt für Umwelt (BLU) gibt hingegen an, dass der Abstand der Sonden untereinander mindestens 6 m, besser 10 m betragen sollte (2013). Auch der Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme mit Erdwärmesonden in Baden-Württemberg (LQS EWS, 2018) sieht in der Regel einen Sondenabstand von 10 m vor. Handregeln, wie diejenige von Eskilson (1987), die einen Abstand von mindestens halber Sondenlänge angibt, überbewerten, insbesondere bei EWS über 100 m, hingegen den Platzbedarf und schränken die Verwendbarkeit der Technologie unangemessen ein. Bei größeren Sondenfeldern erfolgt die Auslegung des Sondenfeldes, d.h. die Festlegung der Sondenabstände und Sondentiefen heute in der Regel mit Hilfe von Simulationsprogrammen (vgl. z.B. Huber & Pahud, 1999; Sauer et al., 2008; Bayer et al., 2014; Schulte et al., 2016). Ist die Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds bekannt, so lassen sich so sehr viel genauere Angaben zur Auslegung von Erdwärmesondenfeldern machen. Für die Errichtung und den Betrieb von Erdwärme-sondenanlagen sind die gleichen rechtlichen Rahmen-bedingugnen einzuhalten wie bei den Aquifer-Speichern, d.h. das Wasserhaushaltsgesetz (WHG), in Baden-Württemberg das Wassergesetz für Baden-Württemberg (WG) sowie das Bundesberggesetz (BBergG). Schädliche Veränderungen der physika-lischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Wassers und des Untergrunds durch den Betrieb von Erdsonden sind zu vermeiden. In Wasserschutzgebieten ist der Bau und Betrieb von Erdwärmesonden in der Regel verboten. 226 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? 3. Wärmetransport, thermischer Bohrlochwiderstand und Einflussgrößen Der Wärmetransport zu und in einer Erdwärmesonde lässt sich in zwei Phasen unterteilen - den Wärmetransport im ungestörten Untergrund und - den Wärmetransport von der Bohrlochwandung bis zum Wärmeträgerfluid im Sondenrohr. Der Wärmetransport im Boden in der ungesättigten Zone wird im Wesentlichen durch zwei Parameter, die Wärmeleitfähigkeit des Bodens und den Wassergehalt im Boden bestimmt. Der Wärmetransport von der Bohrlochwand in das Wärmeträgerfluid im Sondenrohr wird bestimmt durch die thermischen Eigenschaften des Verfüllmaterials, des Sondenrohrmaterials sowie der Sondengeometrie, d.h. Anordnung des Sondenrohrs bzw. der Sondenrohre im Bohrloch, sowie der Gestaltung der Sondenrohre. Diese Größen ergeben zusammen mit der Strömungsart (laminar oder turbulent) den thermischen Bohrloch-widerstand der Sonde. Um die Wärmetransportrate einer EWS zu erhöhen ohne gleichzeitig die Tempera-turdifferenz zwischen Untergund und Wärmeträgerfluid zu erhöhen, ergeben sich somit drei grundsätzliche Vorgehensweisen: 1. Der konvektive Wärmetransport im Wärme-trägerfluid im Sondenrohr wird erhöht. Dies lässt sich durch eine Veränderung des Strömungsregimes von laminar zu turbulent erreichen. 2. Die Wärmeverluste zwischen Zufluss- und Abfluss-Sondenrohr werden reduziert, d.h. ein thermischer Kurzschluss wird weitgehend verhindert. 3. Die Verwendung eines Verfüllmaterials mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu einem besseren Wärmetransport zwischen Sondenrohr und Bohrlochwand. Für Nicht-Koaxialsonden, wie einfache U-Rohr-EWS und Doppel-U-Rohr-EWS führen die Forderungen 2 und 3 jedoch zu einem Widerspruch, den die Verwendung eines Verfüllmaterials mit hoher Wärmeleitfähigkeit führt bei diesem Sondentyp gleichzeitig auch zu einem höheren Wärmestrom zwischen Zufluss- und Abfluss-Sondenrohr (Abb. 3.1). Gesteinstyp Wärmeleitfähigkeit λ [W/ (m*K)] spez. Wärmekapazität ρc [MJ/ (m3 * K)] Dichte ρ [1000 * kg/ m3] Wertebereich empfohlener Rechenwert Wertebereich empfohlener Rechenwert Ton, trocken 0.4 - 1.0 0.6 1.5 - 1.6 1.5 1.8 - 2.0 Ton, wassergesättigt 0.9 - 2.3 1.4 2.0 - 2.8 2.3 2.0 - 2.2 Sand, trocken 0.3 - 0.8 0.5 1.3 - 1.6 1.4 1.8 - 2.2 Sand, wassergesättigt 1.5 - 4.0 2.3 2.2 - 2.8 2.4 1.9 - 2.3 Kies/ Steine, trocken 0.4 - 0.5 0.4 1.3 - 1.6 1.4 1.8 - 2.2 Kies/ Steine, wassergesättigt 1.6 - 2.0 1.7 2.2 - 2.6 2.3 1.9 - 2.3 Moräne fest gelagert 1.7 - 2.4 1.8 1.5 - 2.5 2.0 1.9 - 2.5 Torf 0.2 - 0.7 0.4 0.5 - 3.8 1.6 0.5 - 0.8 Tabelle 3.1: Bodenkennwerte gemäß Schweizer Norm SIA 384/ 6 für Lockergestein Abb. 3.1: Temperaturfeld um eine Doppel-U-Rohr-Sonde in einem horizontalen Schnitt, Rohrdurch-messer: 32 mm, Bohrlochdurchmesser: 115 mm, Wärmeleitfähigkeiten: Verfüllmaterial 1 W/ (m*K), Untergrund 2 W/ (m*K), Wärmeeintrag: 50 W/ m Bohrlochstrecke (Hellström, 1998) 3.1 Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds Die Wärmeleitfähigkeit oder thermische Leitfähigkeit, λ [W/ (m*K)], beschreibt die Fähigkeit eines Materials zum Energietransport durch Wärmeleitung. Bei einem porösen Material, wie einem Lockergestein, hängt die Wärmeleitfähigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Feststoffes (λs), der Porosität (Φ) und dem Sättigungsgrad (Sr) ab. In Tabelle 3.1 sind Werte für die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Lockergesteine zusammengefasst. Die Wärmeleitfähigkeit l eines Bodens nimmt mit zunehmendem Sättigungsgrad zu (Bild 3.2). Es lassen sich grob 3 Phasen unterscheiden. Wenn der Sättigungsgrad sehr gering ist, findet zunächst allenfalls eine Benetzung der Kornoberflächen statt und die Wärmeleitung erfolgt über die Korn-zu-Korn-Kontakte (Bild 3.3, links). Mit zunehmendem Sättigungsgrad entstehen Flüssigkeitsbrücken an den Korn-zu-Korn-Kontakten, d.h. die Fläche über die eine Wärmeleitung erfolgen kann, nimmt zu und damit auch die thermische Leitfähigkeit (Bild 3.3, Mitte). 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 227 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Schliesslich sind die Porenräume weitgehend mit Flüssigkeit gefüllt und es findet keine weitere Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit mehr statt (Bild 3.3, rechts). Daraus ergibt sich, dass sowohl eindringendes Wasser als auch Austrocknungsvorgänge (z.B. durch Erhöhung der Temperatur) zu einer Veränderung der Wärmeleitfähigkeit führen. Abb. 3.2: Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Sättigungsgrad eines Kieses nach Fricke et al. (1992). Die obere und untere Kurve repräsentieren die Grenzkurven für die Messdaten, die mittlere Kurve entspricht dem Mittelwert der Messdaten. Abb. 3.3: Sättigungsphasen eines granularen Stoffs: a) die Flüssigkeit benetzt lediglich die Partikel, b) es bilden sich Flüssigkeitsbrücken an den Korn-zu-Korn- Kontakten, c) die Flüssigkeit füllt den Porenraum weitgehend aus (Fricke et al.; 1992) Durch ein hohes Wärmetransportvermögen des Untergrunds kann die Wärme besonders gut zu den Sonden gelangen bzw. von dort in den Untergrund abgeführt werden. Andererseits bedeutet ein hohes Wärmetrans-portvermögen gleichzeitig auch größere Wärmebzw. Kälteverluste des Speichers an seine Umgebung. 3.2 Thermischer Bohrlochwiderstand Der thermische Bohrlochwiderstand gibt den Temperaturverlust beim Übergang von Wärme aus dem Gebirge auf das Wärmeträgermedium oder umgekehrt an. Zur mathematischen Beschreibung des Bohrlochwider-stands kann nach Eskilson & Claesson (1987) unter Annahme stationärer Bedingungen der horizontale, auf Konvektion und Wärmeleitung basierende Wärme-transport im Bohrloch mit Hilfe einer Dreieckschaltung thermischer Widerstände, auch als Δ-Modell bezeichnet, beschrieben werden. Bauer (2011) hat in seiner Dissertation zweidimensionale Widerstands-Kapazitäts-Modelle (WKM) für Erdwärmesonden entwickelt, welche die hohe Genauigkeit bei stationären Berechnungen und die Flexibilität des Δ-Modells mit den transienten Fähigkeiten eines WKM vereinen. In Abb. 3.4 sind diese Modelle für eine EWS mit einem Koaxialrohr, eine einfache U-Rohr-EWS sowie eine Doppel-U-Rohr-EWS dargestellt. Abb. 3.4: Horizontale Querschnitte und zugehörige Widerstands-Kapazitäts-Modelle für Koaxialsonde, einfache U-Rohr-EWS und Doppel-U-Rohr-EWS; Ti: Fluidtemperatur; Tgi: Temperatur des Füllmaterials; Tb: Temperatur der Bohrlochwand; Cg: Thermische Kapazität; Rii: Thermischer Widerstand (Bauer, 2011) Abb. 3.4 zeigt die Anordnungen der Sondenrohre, wie sie üblicherweise den Berechnungsmodellen bei solchen Sonden zugrunde gelegt werden. Versuche, die am Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zu-kunftsfähige thermische Energiesysteme ausgeführt wurden, haben jedoch gezeigt, dass die tatsächliche Anordnung der Sondenrohre in einer Bohrung bei Doppel-U-Rohr-EWS von der für die Bemessung angenommenen Position der Sondenrohre signifikant abweichen kann und dies selbst dann, wenn Abstandhalter in einem Abstand von nur 1 m eingebaut wurden (Riegger et al., 2013, Abb. 3.5). Von Acuna & Palm (2010) wurden numerische Berechnungen zum thermischen Bohrlochwiderstand für eine einfache U-Rohr-EWS und eine komplexe Koaxialsonde vorgestellt. Abb. 3.6 zeigt den Einfluss der Position der Sondenrohre auf den thermischen Bohrlochwiderstand. 228 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Abb. 3.5: Querschnittsbilder einer Doppel-U-Rohr-EWS mit Abstandshaltern in einem Tiefenbereich, in dem die Abstandshalter in einem Abstand von nur 1 m eingebaut waren. Die beiden Bilder machen deutlich, wie stark sich die Positionen der Sondenrohre im Bohrloch bereits innerhalb eines Meters ändern können (Riegger et al., 2013). Abb. 3.6: Vergleich der aus numerischen Berechnungen ermittelten thermischen Bohrlochwiderstände für eine einfache U-Rohr-EWS und eine komplexe Koaxialsonde in Abhängigkeit von der Lage der Sondenrohre im Bohrloch (Acuna & Palm, 2010) Die Sondenrohre werden beim Einbau in das Bohrloch von einer Rolle bzw. Haspel in das Bohrloch abgelassen. Die Aufwicklung auf eine Rolle führt jedoch zu Krümmungen beim Sondenrohr, die beim Abrollen und Einbringen des Sondenrohrs in die Bohrung nicht vollständig rückgängig gemacht werden können. Die Versuche am Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme haben aufgezeigt, dass eine Zentrierung der Sondenrohre im Bohrloch trotz Abstandhaltern oder Zentriehilfen nicht erfolgte. 3.3 Rohrströmung Ein wesentlicher Faktor für eine optimale Wärmeübertragung vom Erdreich auf das Wärmeträgerfluid ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluids im Sondenrohr. Die Strömungsgeschwindigkeit sollte bei minimaler Pumpenleistung noch zu einer turbulenten Strömung im Rohr führen. Bei einer laminaren Rohr-strömung verlaufen die Stromlinien parallel. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in der Mitte des Rohrs am grössten und nimmt zum Rand hin parabelförmig ab. Da sich die geringste Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Rohrinnenfläche befindet und bei einer laminaren Strömung keine Durchmischung stattfindet, findet auch nur ein vergleichsweise geringer Wärme-austausch zwischen Wärmeträgerfluid und Rohrwand statt. Im Falle einer turbulenten Strömung reduziert sich zwar die maximale Strömungsgeschwindigkeit und es erhöht sich die notwendige Pumpenleistung, dafür findet aber eine Durchmischung des Wärmeträgerfluids durch Wirbelbildung und damit verbunden ein insgesamt höherer Wärmeaustausch statt. Mit Hilfe der dimensionslosen Reynoldszahl Re lässt sich abschätzen, ob eine Strömung laminar oder turbulent verläuft. Sie ist gegeben durch: Dabei ist r die Dichte des Fluids, v die Strömungsgeschwindigkeit, η die dynamische Viskosität des Fluids und l eine für den betrachteten Strömungsvorgang charakteristische Länge. Im Falle einer Strömung in einem Rohr entspricht l dem Rohrdurchmesser. Die Strömungsgeschwindigkeit wird durch Messen der Durchflussmenge pro Zeit bestimmt, d.h. es handelt sich hier um eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit. Der sprunghafte Übergang von der laminaren zur turbulenten Rohr-Strömung erfolgt bei etwa Rekrit ≈ 2000. Der genaue Wert der Reynoldszahl für den Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung lässt sich jedoch nur experimentell ermitteln. Auch spielt die Wandrauigkeit für den Umschlag von laminar zu turbulent eine Rolle. Generell kann gesagt werden, dass für Reynoldszahlen kleiner 2000 die Rohrströmung laminar sein wird. Witte (2012) hat Laborversuche an einer U-Rohr-Sonde mit einem Aussendurchmesser von 32 mm und einer Wandstärke von 6 mm durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurden sowohl der Strömungszustand und die Reynoldszahl ermittelt als auch der thermische Bohrlochwiderstand gemessen. Für eine laminare Strömung lag die Reynoldszahl unter 1500, für eine turbulente Strömung über 2900. Der gemessene Bohrlochwiderstand war bei der laminaren Strömung um rund 60% höher als bei der turbulenten Strömung. Um eine turbulente Strömung auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten in einer U-Rohr-Sonde zu erhalten, haben Kurevija et al. (2019) Versuche mit einem Sondenrohr durchgeführt, welches auf der Innenseite mit Rippen ausgestattet ist (Abb. 3.7). Mit diesem als TurboCollectorTM bezeichneten Sondenrohr in einer einfachen U-Rohr-EWS konnte im Vergleich zu einer Doppel-U-Rohr-EWS mit glatter Rohrwand der thermische Widerstand reduziert und der Wärmeertrag um 6.5% gesteigert werden. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 229 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Abb.3.7: Sondenrohr TurboCollectorTM mit Rippen auf der Innenseite (Kurevija et al., 2019) Im direkten Vergleich zweier Doppel-U-Rohr-EWS, einmal mit glatter Innenwand und einmal mit der gerippten Innenwand des TurboCollectorTM, betrug der Unterschied beim Wärmeertrag sogar 18.7%. Raymond et al. (2015) haben aufgezeigt, dass bei einer Koaxialsonde eine Erhöhung der Durchflussmenge und dem damit verbundenen Umschlag der Strömung von laminar zu turbulent im Ringraum der Sonde, dazu führen kann, dass sich der thermische Bohrloch-widerstand um bis zu 32% reduziert und sich die Leistung der EWS dadurch entsprechend erhöht (Abb. 3.8). Abb. 3.8: Änderung des Bohrlochwiderstands mit der Durchflussmenge für zwei Koaxialsondenquerschnitte, der Knick in den Kurven erfolgt durch den Umschlag der Strömung von laminar zu turbulent im Ringraum der Sonden (Raymond et al., 2015) Als Wärmeträgerfluid wird bei EWS häufig Wasser eingesetzt, da es im Falle einer Havarie der Anlage damit zu keinen Umweltschäden kommt. Ausserhalb von Wasserschutzgebieten wird in Baden-Württemberg der Einsatz von Glykol in einer wässrigen Lösung bis zu einem Anteil von 25 % als vertretbar eingestuft, wenn eine dauerhaft schädliche Veränderung des Grundwassers durch zusätzliche Schutzvorkehrungen zur Begrenzung von Leckagemengen vermieden wird. Generell dürfen in Wärmeträgerfluiden keine biologisch schwer abbaubaren Stoffe, keine chlorierten Verbindungen und keine Schwermetallsalze als Zusatzstoffe (z. B. als Korrosionsinhibitor) verwendet werden. Reines Wasser als Wärmeträgerfluid in der EWS kann eine Verlängerung der EWS um bis zu 50% notwendig machen. Mit einem thermisch verbesserten Verfüllmaterial kann diese Mehrlänge jedoch wieder reduziert werden. Dies führt zwar zu höheren Baukosten, aber der Betrieb mit reinem Wasser ist effizienter und lohnt sich über die Gesamtlebensdauer gesehen. 3.4 Rohrmaterial Als Werkstoff für die Sondenrohre wird in der Regel Polyethylen (PE) eingesetzt. Die Rohre müssen den auftretenden Systemdrücken (Differenz zwischen Innen und Aussendruck der EWS) standhalten, korrosions-beständig sein und gute Schweisseigenschaften auf-weisen (vgl. z.B. AWP-T1, 2007). Für den Werkstoff PE100- RC wird von verschiedenen Herstellern eine Wärmeleitfähigkeit von l = 0,40 W/ (m*K) bei 20° C angegeben. Die minimal zulässige Temperatur solcher Rohre liegt bei -20° C, die maximal zulässige Temperatur bei 40° C. Für höhere Temperaturen können Sondenrohre aus Polybutylen eingesetzt werden. Bei sehr hohen Temperaturen und grossen Tiefen bleibt lediglich der Einbau von Metall-Verrohrungen. Tiefe Koaxialsonden sind nur mit Metall-Verrohrungen herstellbar. Bei diesen Verrohrungen ist das Problem der Hinterfüllung nur schwer zu lösen. Eine fehlerhafte oder gar fehlende Hinterfüllung führt jedoch zu grossen, thermischen Kontaktwiderständen, wodurch nur relativ bescheidene Quellentemperaturen realisierbar sind (Huber, 2005). 3.5 Verfüllmaterial Der Hohlraum zwischen Sondenrohr und Bohrloch-wand muss vollständig und lückenlos verfüllt werden. Nicht vollständig verfüllte EWS erbringen die erwartete Entzugsleistung nicht und die erforderliche Heizleistung der Wärmepumpe bei Niedertemperatursystemen wird dann nicht mehr erreicht. In der Schweiz wurde bei Stichprobenkontrollen bei der Ausführung von EWS festgestellt, dass bei angekündigten Kontrollen 15% der Bohrungen Mängel an der Hinterfüllung aufwiesen. Bei nichtangekündigten Kontrol- 230 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? len betrug der Anteil der Bohrungen mit Mänglen an der Hinterfüllung sogar 38%. Bis zu einer Tiefe von 150 m gilt die Realisierung von EWS im Allgemeinen als problemlos, dafür nehmen die Schwierig-keiten ab Tiefen von 250 m deutlich zu (Hess et al., 2016). Die im Zusammenhang mit Erdwärmesonden aufge-tretenen Schadensfälle haben in Baden-Württemberg zur Entwicklung verschiedener Verfahren für die Qualitätskontrolle sowohl während der Bauphase als auch nach der Installation von Erdwärmesonden geführt (LQS EWS, 2018). Bereits während des taggleichen Hinterfüllvorgangs und nach bereits erfolgter Hinterfüllung muss kontrolliert werden, ob die Hinterfüllung auf der gesamten Länge des Ringraumes der EWS vollständig vorhanden ist. Die vorgeschriebene Überwachung des Hinterfüllvorgangs basiert methodisch entweder auf der Messung des durch die Verfüllung hervorgerufenen Druckanstiegs oder auf der Messung einer Dotierung der Hinterfüllsuspension. Materialien, die für die Hinterfüllung einer EWS ein-gesetzt werden sollen, müssen die folgenden Vorgaben erfüllen: - Die Stabilität der Mischung muss gewährleistet sein, d.h. die Mischung soll genügend thixotrop sein und weder Sedimentation noch Entmischung ermöglichen. - Der Baustoff soll dauerhaft einen Durch-lässigkeitsbeiwert kf ≤ 1x10-9 m/ s erreichen, um die Abdichtung und Wiederherstellung der Trennhorizonte sicherzustellen. Dieser Wert für kf muss auch nach der Frost-Tau-Prüfung vorhanden sein. - Die Angaben des Herstellers zur Dichte der verpressfertigen Suspension sind einzuhalten. Die Mindestdichte der angesetzten Suspension muss 0.3 g/ cm3 größer als die Dichte der ein-gesetzten Bohrspülung sein. Bei Baustellenmischungen muss das spezifische Gewicht der Suspension zwischen 1,1-1,2 g/ cm³ beim Eintritt in das Bohrloch betragen und es muss ein Mischprotokoll erstellt werden. - Die Dauerhaftigkeit, d.h. die Sulfatbeständig-keit in Gebieten mit sulfathaltigem Gestein muss gegeben sein. - Die Umweltverträglichkeit des Baustoffs muss gewährleistet sein, d.h. die Bestandteile der Hinterfüllung dürfen nicht umweltgefährdend sein. Für die Hinterfüllung von EWS wurden bzw. werden verschiedene Baustoffe eingesetzt. Generell lässt sich zwischen werksfertigen Verfüllbaustoffen und Baustellenmischungen unterscheiden: - Zement-Bentonit-Mischungen aus dem Brunnenbau und für Hohlraumabdichtungen (sogenannte „Dämmer“) - Baustellenmischungen aus Zement, Bentonit und Quarzsand in unterschiedlicher Zusammensetzung - Thermisch verbesserte Fertigprodukte für Erd-wärmesonden Der Wärmeleitfähigkeit eines Baustoffs für die Hinterfüllung einer EWS kommt eine große Bedeutung beim thermischen Bohrlochwiderstand zu. Standardbaustoffe erreichen hier meist keine Wärmeleitfähigkeit deutlich über einem Wert von λ = 0.8 W/ m*K. Mit thermisch optimierten Verfüllmaterialien lassen sich hingegen Wärmeleitfähigkeiten von ca. 2 W/ m*K erzielen. Wie vorstehend bereits ausgeführt erhöht sich bei einfachen U-Rohr-EWS und Doppel-U-Rohr-EWS durch die Verwendung thermisch optimierter Verfüllmaterialien aber auch der Wärmestrom zwischen den Rohrschenkeln (Kurzschlusseffekt, vgl. Abb. 3.1). Um einen optimalen Wärmefluss zwischen Untergrund und Sondenrohr zu erreichen, schlägt die LQS EWS (2018) vor, dass die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials mindestens so hoch sein soll, wie die Wärmeleitfähig-keit des die Sonde umgebenden Untergrunds. Abb. 3.9 zeigt die Verbesserung der thermischen Eigenschaften einer Erdwärmesonde bei Verwendung eines thermisch optimierten Verfüllmaterials mit der doppelt so hohen Wärmeleitfähigkeit, wie der eines Standardbaustoffs mit einem Wert von λ = 0.8 W/ m*K (Ebert et al.; 2000). Abb. 3.9: Auswirkung einer Variation der Wärme-leitfähigkeit λV des Verfüllmaterials auf die Wärme-widerstände für Kurzschluss-Effekt Rk, Übertragung ans Erdreich Ru und separiertes Bohrloch Rs sowie auf die Übertragungsleistung für langfristige (Qu) und kurzfristige (Qu,s) Temperaturänderungen. Es wurde die in Abb. 3.10 dargestellte Sondengeometrie zugrunde gelegt (dB= 150 mm; dR= 32 mm; WR= 3 mm; D=122 mm; außerdem λR =0.4 W/ m*K, αF= 1000 W/ m²K, 1/ αRV = 1/ αVE = 0) (Ebert et al., 2000) 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 231 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Abb. 3.10: Geometrie und Bezeichnungen der von Ebert et al. (2000) untersuchten Doppel-U-Rohr-EWS Durch die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit λV redu-ziert sich zwar Rk stärker als Ru, aufgrund der sich einstellenden Temperaturverhältnisse ergab sich trotzdem eine Steigerung der Übertragungsleistung. Diese betrug für den Einsatz der Erdwärmesonden für saisonale Wärmespeicherung (Betrachtung von Qu) immerhin 11%. Bei dem Einsatz von Erdwärmesonden im kurzzeitigen Wechselbetrieb (Betrachtung von Qu,s) oder in thermisch leicht regenerierbarem Erdreich ergab sich sogar eine Steigerung von 26% (Ebert et al., 2000). 3.6 3.6 Einfluss des Bohrlochdurchmessers Von Ebert et al. (2000) wurde zudem eine Parameterstudie zum Einfluss des Bohrlochdurchmessers bei einer EWS durchgeführt. Betrachtet wurden 3 Bohr-lochdurchmesser dB = 120 mm, 150 mm und 220 mm. Es wurde ein einheitlicher Abstand von der Bohrloch-wand von (dB- D)/ 2 = 14 mm gewählt, um einerseits eine problemlose Einbringung der Sondenrohre zu gewährleisten und andererseits einen möglichst großen Abstand der Vor- und Rücklaufrohre zueinander zu erreichen. Die Ergebnisse für die drei Bohrlochdurchmesser zeigt Abb. 3.11. Abb. 3.11: Variation des Bohrlochdurchmessers dB bei festem Abstand der Rohre (dR= 32 mm; WR= 3 mm) vom Bohrlochrand (dB-D)/ 2 = 14 mm. Bezeichnungen gemäss Abb. 3.10, Rk = Kurzschluss-Widerstand, Ru = Wärmewiderstand Erdreich, Rs = Bohrlochwider-stand, Qu = Übertragungsleistung, Qu,s = Übertragungsleistung für kurzzeitige Temperaturänderungen (Ebert et al., 2000) Luo et al. (2013a) haben ebenfalls den Einfluss des Bohrdurchmessers bei Doppel-U-Rohr-Sonden untersucht. Hierbei handelt es sich aber um eine experimentelle Studie und die Schenkelabstände bei den Sondenrohren blieben mit 70 mm konstant (Abb. 3.12). Es wurden insgesamt 18 Bohrungen installiert, die sich aufgrund der drei verwendeten Bohrlochdurchmesser von 121 mm, 165 mm und 180 mm in drei Sondenfeld-Segmente mit jeweils 6 EWS unterteilen. Der Abstand der Bohrungen beträgt 6 m und die Anlage wird zum Heizen und Kühlen eines Bürogebäudes mit einer Nutzfläche von 1530 m2 genutzt. Abb. 3.12: Schematische Darstellung der von Luo et al. (2013a) verwendeten EWS-Geometrien Das verwendete Verfüllmaterial für die Bohrungen hat eine Wärmeleitfähigkeit von 2.35 W/ (m*K). Die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes wurde mit dem Thermal Response Test (TRT) zu 2.5 - 2.6 W/ (m*K) ermittelt und liegt damit über dem Wert der Wärme-leitfähigkeit des Verfüllmaterials. Luo et al. (2013a) stellten bei ihren Untersuchungen fest, dass die saisonale Kühlleistung durch den Wärme-austausch über die EWS bei den EWS mit dem Bohr-durchmesser 165 mm gegenüber den EWS mit dem Bohrdurchmesser 121 mm um 3.2% höher lag. Für die EWS mit einem Bohrdurchmesser von 180 mm lag die Kühlleistung sogar um 7.1% höher gegenüber den EWS mit dem Bohrdurchmesser 121 mm. Aus den beiden vorliegenden Untersuchungen ergibt sich, dass zumindest bei Doppel-U-Rohr-Sonden ein größeres Bohrloch Vorteile beim Wärmeaustausch mit dem Untergrund bieten kann. 4. Vergleich U-Rohr-Sonden/ Koaxialsonde Ein Vergleich einer komplexen EWS-Koaxialsonde, bestehend aus einem Mittelrohr mit Durchmesser 60 mm und 8 kleineren Aussenrohren mit einem Durchmesser von 20 mm, mit einer einfachen U-Rohr-EWS bzw. einer Doppel-U-Rohr-Sonde wird von Hellström (1998) vorgestellt. Er gibt an, dass sich für die komple- 232 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? xe EWS-Koaxialsonde ein thermischer Bohr-lochwiderstand ergab, der geringer ist als für die beiden anderen Sondentypen: - Einfache U-Rohr-EWS 0.11 K/ (W/ m) - Doppel-U-Rohr-EWS 0.06 K/ (W/ m) - Komplexe Koaxialsonde 0.03 K/ (W/ m) Häfner & Wagner (2012) haben in einer numerischen Studie zu unterschiedlichen Bauarten von EWS festgestellt, dass in einem einjährigen Dauerbetrieb Koaxialsonden und Mehrrohrsonden im Leistungsvergleich besser abschneiden als U-Rohr-Installationen. Der Leistungsunterschied kann nach Häfner & Wagner (2012) bis zu 50% betragen. Abb. 4.1 zeigt auch, dass der Einsatz von Zement als Verfüllbaustoff mit l = 1.7 W/ (m*K) bzw. thermisch aktivierten Verfüllbaustoffen mit l = 2.3 W/ (m*K) zwar zu einer Leistungssteigerung bei allen EWS führt, diese jedoch bei den Koaxialsonden und Mehrrohrsonden kleiner ausfällt als bei den U-Rohr-Installationen. Abb. 4.1: Vergleich der geothermischen Leistung im theoretischen Dauerbetrieb nach einem Jahr (Wasserzirkulation). Als Bezugsgröße (100%) dient die Leistung einer U-Rohr-Sonde von 1.26 kW (Häfner & Wagner, 2012) Raymond et al. (2015) haben ebenfalls eine numerische Studie durchgeführt, um unterschiedliche Bauarten von EWS zu vergleichen. Auch sie kommen zum Schluss, dass durch den Einsatz von Koaxialsonden anstatt von U-Rohr-Sonden die Leistung gesteigert bzw. die erforderliche Sondentiefe reduziert werden kann. Für ein synthetisches thermisches Lastprofil, welches allerdings vom Kühlzyklus dominiert war, ermittelten Raymond et al. (2015) eine um bis zu 23% kürzere Sondenlänge für Koaxialsonden im Vergleich zu U-Rohr-Sonden. Neben dem kleineren Bohrlochwiderstand bei den Koaxialsonden führen Raymond et al. (2015) an, dass das Wasservolumen in den betrachteten Koaxialsonden bis zu 28 mal größer war als in den U-Sonden und sich daraus eine deutlich höhere Wärmekapazität bei diesen Sonden ergibt (vgl. Abb. 4.2). Abb. 4.2: Vergleich des Energiebetrags, der notwendig ist, um das Wasser in den dargestellten EWS-Querschnitten um 1 K zu erwärmen (Raymond et al., 2015). 5. Zusammenfassung Saisonale Speicher können bei der zukünftigen Energieversorgung durch die Einspeisung von Solarwärme oder Abwärme aus technischen Prozessen und der daraus resultierenden CO2-Emissionsminderung durch einen geringeren Verbrauch fossiler Brennstoffe eine wichtige Rolle spielen. Für die Auswahl eines saisonalen Speichertyps gibt es vier Hauptkriterien: - Der Temperaturbereich mit dem der Speicher betrieben werden soll, - die gesetzlichen Rahmenbedingungen, die die Erstellung eines bestimmten Speichertyps erlauben oder verbieten, - die natürlichen Rahmenbedingungen (geologische und hydrogeologische Eigenschaften des Untergrunds) sowie - der zur Verfügung stehende Raum. Wenn der Speicher mit sehr hohen Temperaturen bis zu 90° betrieben werden soll, so wird die Wahl auf einen Heißwasserspeicher oder einen Kies/ Wasser-Speicher fallen. Theoretisch kämen auch tiefliegende Aquifer-Speicher in Frage. Bei hohen Temperaturen von bis zu 90° ist jedoch auch bei einem Aquifer-Speicher in einer Tiefe von 500 bis 600 m mit mineralischen Ausfällungen zu rechnen, da es sich um ein offenes System handelt und die natürliche Temperatur aufgrund der normalen geothermischen Tiefenstufe in dieser Tiefe lediglich bei ca. 25 bis 30°C liegen wird. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 233 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? Voraussetzung für Aquifer-Speicher sind zudem günstige geologische und hydrogeologische Untergrundbedingungen, die nicht überall vorhanden sind. Für Aquifer-Speicher im oberflächennahen Bereich sind die gesetzlichen Rahmenbedingungen recht eng gefasst, da sie direkt in das Grundwasser eingreifen. Letzteres dürfte auch die bisher sehr geringe Anzahl solcher Speicher in Deutschland erklären. Erdsondenfelder erfordern eine größere Anzahl von Bohrungen und mit zunehmender Tiefe steigt auch der Preis pro Bohrmeter. Hinzu kommt, dass bei Bohrungen mit einer Tiefe von über 100 m die Vorgaben des Bundesberggesetzes (BBergG) zu erfüllen sind. Der Vorteil von Erdsondenfeldern liegt andererseits im relative geringen Flächenverbrauch an der Gelände-oberfläche bei gleichzeitiger Erschließung von großen Speichervolumina. Als Niedertemperaturspeicher können Erdsondenfelder ausserhalb von Grundwasser-schutzzonen meist überall installiert werden. Die meisten EWS werden heute als Doppel-U-Rohr- Sonden ausgeführt. Die Sondenrohre werden von verschiedenen Herstellern angeboten und sind preisgünstig. Allerdings gibt es auch bei den Sondenrohren bzw. Kollektoren neue Entwicklungen, die zu geringeren thermischen Bohrlochwiderständen und damit zu einer besseren geothermischen Leistung einer EWS führen. Diese Sondenrohre sind jedoch meist deutlich teurer als als die Standardrohre, die für Doppel-U-Rohr-Sonden verwendet werden. Abb. 5.1: Investitionskosten bisher realisierter Großwärmespeicher als Funktion des Speichervolumens (Quelle: Solites Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart) Durch die bessere Wärmeausbeute mit neuen Sondenkonstruktionen lassen sich andererseits Bohrmeter einsparen und so die Mehrkosten bei den Sondenrohren und Kollektoren durch Einsparungen bei den Bohrkosten wieder redu-zieren oder eventuell sogar ausgleichen. Nachteilig bei neuen Sondenkonstruktionen ist, dass sie in den Simulationswerkzeugen in der Regel noch nicht berück-sichtigt sind und erst wenige Erfahrungen vorliegen. Der thermische Einfluss von Wärmebzw. Kälte-speichern auf den Untergrund bleibt in der Regel dann gering, wenn die Wärmebilanz im Untergrund im Jahresverlauf ausgeglichen ist und die Speicher-temperatur auf nicht mehr als 20 °C erhöht wird. Bei Mittel-und Hochtemperatur-Wärmespeichern (20 °C bis 90 °C Speichertemperatur) ist im Einzelfall zu prüfen, ob die durch die Wärmeverluste des Speichers entstehende Erwärmung des Untergrunds am jeweiligen Standort hingenommen werden kann. Für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines Speichers ist die Einbindung in das Gesamtsystem maßgeblich. Abb. 5.1 zeigt die Investitionskosten bisher realisierter Großwärmespeicher als Funktion des Speichervolumens umgerechnet in m3 Wasseräqui-valent. Erdsondenfelder weisen hiernach ein günstiges Verhältnis von Investitionskosten zu Speichervolumen auf. Behälterspeicher (Kies/ Wasser-Speicher und Heiß-wasserspeicher) sind demnach eher als eine teure Lösung anzusehen. 234 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Saisonale Erdwärmespeicher - Forschungsprojekt oder Standardlösung? 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