Qualitätsgerechte Musterfertigung und praktischer Nachweis der Energieeffizienz und der CO-Vermeidung bei dem Feldeinsatz von Ringrohrerdwärmesonden
Projektdurchführung
BLZ Geotechnik GmbH
Industriepark Str. A // Nr.
39245 Gommern
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Projekt ist in Verbindung mit dem vorangegangenen Projekt unter dem Az: 32284 „Herstellung und Anwendung einer Erdwärmesonde mit hohem Wärmeübertragungsvermögen als Ringrohrsonde“ zu sehen.
Aus numerischen Simulationen ist bekannt, dass eine Ringrohrwärmeübertrager gegenüber den konventionellen Doppel-U-Rohr bis zu 30% mehr Wärmearbeit aus dem Erdreich gewinnen kann. Dieser Wärmetauscher soll an die Bohrlochgeometrie angepasst werden. Es soll in dem Projekt die technische Machbarkeit und die praktische Anwendung im Feldeinsatz nachgewiesen werden. Die Vorarbeiten aus dem Vorprojekt sollen mit der nachgewiesenen Messung der Wärmearbeit den energetischen Vorteil gegenüber den Standardsonden belegen.
Es soll gezeigt werden, dass die neue Sonde mit der vorhandenen Bohrtechnik eingebaut und mit den üblichen Wärmepumpen betrieben werden kann. Die Grundkonzeption der Sonde besteht aus einer Konstruktion mit mehreren Außenrohren und einem Zentralrohr und einer Technologie für die funktionsgerechte Positionierung der Rohre im Bohrloch.
Es wird das Ziel verfolgt in der Klasse der oberflächennahen bis mitteltiefen Geothermie Zirkulationserdwärmesonden die energetisch optimale und wirtschaftlich günstigste Erdwärmesonde zu entwickeln.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Arbeitsschritte wurden die offenen Aufgaben aus dem Vorgängerprojekt aufgenommen mit dem Ziel einen funktionsfähigen Prototyp für die praktische Erprobung zur Verfügung zu stellen. Bei der Erprobung sind alle Anforderungen, die auch für die etablierten Sonden gelten, einzuhalten. Die Sonde muss die behördlichen Anforderungen der Wasserbehörde erfüllen. Es ist sowohl für die Entwickler als auch für die Mitarbeiter der Genehmigungsbehörde Neuland. Die grundsätzliche Konstruktion des neuen Wärmetauschers war durch die umfangreichen numerischen Simulationsergebnisse bekannt und bestätigt. Nur bei konsequenter Umsetzung der theoretischen Kenntnisse in die praktische Anwendung war eine Leistungsverbesserung der Ringrohrerdwärmesonde (RRS) zu erwarten.
Vor diesem Hintergrund und mit den gesammelten praktischen Erfahrungen wurde der Arbeitsplan aufgestellt.
Bei der Suche nach einem geeigneten Musterprojekt für die Erprobung wurde schnell klar, dass es kaum Bauherren gibt, die für eine normale Wärmeversorgung sich auf eine noch nicht erprobte Erdwärmesonde einlassen würden. Durch einen glücklichen Umstand wurde bereits in einem frühen Stadium der Bearbeitung ein Musterprojekt gefunden. Das bedeutete für den Ablauf, dass mit den Aufgaben des vierten Arbeitspaketes, das für das Ende der Bearbeitung vorgesehen war, um den Bauablaufplanes im Gesamtvorhaben des Bauherrn nicht zu stören, begonnen werden musste. Das betraf insbesondere die Arbeitspakete 12 und 13. In den Arbeitspaketen waren vorrangig Kunden- und Behördenbesuche erforderlich, um ein Vertrauen für den Einsatz der Erdwärmesonde bei den Entscheidungsträgern zu finden. Für ein ausschließlich zur Forschung und Entwicklung dienendes Musterprojekt stehen die eigenen Mittel nicht zur Verfügung, so dass zwischen den Bauherrenwünschen und den Forschungszielen ein einvernehmlicher Weg gefunden werden muss. Eine regelmäßig genutzte Erdwärmeanlage zur wohnlichen Wärmeversorgung bietet die idealen Bedingungen für eine vergleichende Nutzung und hat den Vorteil, dass praxisnahe Bedingungen ohne künstliche Eingriffe den Rahmen bilden.
Die geplanten Arbeitsschritte mussten an die fast einmalige und kostengünstige Chance für eine Ersterprobung angepasst werden. Das wurde durch eine Umstellung der Reihenfolge des Ablaufplanes mit improvisiertem Aufwand möglich. Dabei wurde das Risiko der nicht vollständig erprobten Entwicklungsschritte vor dem Ersteinsatz in Abstimmung mit dem Bauherrn in Kauf genommen. Durch eine „Sonder“-gewährleistung der BLZ Geotechnik GmbH wurde die Zustimmung des Bauherrn erreicht. Aus der Überzeugung der Simulationsrechnung wurde eine Garantie für eine gleiche oder bessere energetische Entzugsleistung gegenüber der Doppel-U-Rohrsonde und für die Dichtigkeit der Sonde übernommen.
Unter den neuen Bedingungen im Projektablauf konnten die Arbeitsschritte nicht in der optimalen Abfolge ausgeführt werden. Die dringenden Aufgaben zur Absicherung des Ersteinsatzes hatten dabei Vorrang vor einer Fertigstellung der geplanten Vorhaben zur Herstellung. Der bohrtechnische Einsatz wurde aus den Erfahrungen der Testeinbauten mit dem neuen Kooperationspartner Wassermann GmbH vorbereitet. Die Sicherheit bei Ausfall der Sonde wurde durch Bereitstellung von Standardsonden erreicht, die im Bedarfsfall als Ersatz zum Einsatz gekommen wären.
Aus dem zweiten Komplex der Konstruktion und Fertigung der Vorrichtungen zur Herstellung wurde die geplante Neukonstruktion des Sondenfußes zurückgestellt und eine qualitätsgerechte Verschweißung mit einem zusätzlichen Hilfsprogramm bis zur sicheren Anwendung entwickelt. Die geplante Neukonstruktion des Sondenfußes und die damit verbundene Anpassung der Schweißvorrichtung wurde nach dem Ersteinsatz eingeordnet. In diesem Komplex wurden die Erfahrungen aus dem Feldeinsatz mitberücksichtigt. Konstruktiv wurde der Sondenfuß und auch der -kopf im Durchmesser verstärkt, um Druckbelastungen bei höheren Temperaturen, die während der Regeneration entstehen können, stand zu halten. Diese Verstärkung wurde nach Auswertung der Zeitstandsinnendruckmessung für die Zertifizierung der Sonde erforderlich. Die Schweißverbindungen und alle Komponenten der Erdwärmesonden werden bei der Prüfung 1000h einer Temperatur von 80°C und einem Druck von 10 bar ausgesetzt. Bei den Testmustern dienten als Schweißprüfungen an allen 11 Schweißstellen visuelle Bemusterungen an den längs aufgeschnitten Fügestellen und Druckprüfungen der Qualitätskontrolle. Die Qualität der Schweißung ist durch den automatisierten Prozess und die Fertigungsgenauigkeit reproduzierbar herstellbar.
In Auswertung des Sondeneinbaus wurden Erfahrungen zur Kompensation des Auftriebs mit einem Schwerstück gesammelt, die für nachfolgende Einbauten wichtige Hinweise gegeben haben. Durch Beobachtung und weitere Erprobung des Einbauverhaltens ist die Last des Schwerstückes zu optimieren. Ebenso wurde das Sondenbündel aus den 10 Außenrohren, dem Zentralrohr und dem Verfüllrohr manuell so verdrillt, dass es keine Schlaufenbildung gibt. Solche Schlaufen führen zu Klemmstellen im Bohrloch und behindern den Einbau. Es ist vorgesehen diese erfolgreiche Verdrillung im Fertigungsprozess als Verfahrensschritt zu integrieren.
Ergebnisse und Diskussion
Die überzeugenden Ergebnisse der numerischen Simulation für einen verbesserten Wärmeentzug aus dem Erdreich wurden in der vorliegenden Auswertung der Erstanwendung über eine komplette Heizperiode von 324 Tagen messtechnisch erfasst und ausgewertet. Die theoretischen Erwartungen wurden durch die Messungen bestätigt. Insbesondere die Wärmemengenmessung an den einzelnen Sonden hat sich für Vergleichsmessungen gut bewährt und besitzt eine hohe Aussagekraft. Es wurde unter den verfügbaren Platzverhältnissen auf dem Innenhof des Anwesens 3 Sonden in Reihe angeordnet. Dabei kamen eine DU-Sonde 4x32mm, eine funktionsgerechte RRS1 mit Gewebe schlauch 10x16mm + 1x40mm und eine RRS2 ohne Gewebeschlauch 10x16mm + 1x40mm zum Einsatz. Die 3 Sonden haben untereinander einen Abstand von 7 m. Sie wurden über einen Schacht für die Messtechnik und einen Verteilerschacht mit der Wärmepumpe verbunden.
Für den Nachweis wurde eine Messtechnik ausgewählt, die es ermöglicht von jeder Einzelsonde die Wärmemenge zu erfassen und auf einen Datenlogger zu sichern.
Verbesserungsbedarf gibt es bei der hoch aufgelösten Messung der Wärmemengen an den Einzelsonden mit dem Messort für die Temperaturmessung. Der Test wurde aus Kostengründen an einer Kundenanlage immer im Einvernehmen mit dem Bauherrn durchgeführt. Vor diesem Hintergrund durften die Temperaturfühler nur außen (ohne Öffnung des Leitungssystems) an den PE-Vor- und -rücklaufleitungen angebracht werden. Mit dem Wärmewiderstand über die Rohrwand und dem Einfluss der Umgebungstemperatur ist eine direkte Erfassung der Temperaturen der zirkulierenden Sole nicht möglich. Die Ermittlung der Wärmemenge wurde von diesen Faktoren beeinträchtigt. Da aber alle 3 Erdwärmesonden unter gleichen Bedingungen gemessen wurden, tritt dieser Einfluss bei den drei Sonden gleichermaßen auf. Der Vergleich wird deshalb davon nicht beeinflusst und liefert aussagefähige Ergebnisse. Die Gesamtwärmemenge wird von der Messtechnik der Wärmepumpe erfasst und kann somit zur Korrektur der Einzelwärmemengen an den Sonden mit hinreichender Genauigkeit verwendet werden. Der erzielte Fortschritt auf dem Gebiet der Wärmegewinnung mit Erdwärmesonden und der Nachweis mit aktuellen Messwerten sind ein wichtiger Schritt für deren wirtschaftliche Nutzung.
Dem Arbeitspaket für die Möglichkeit einer praktischen Erprobung mussten andere Aufgaben wie umfassende Planung und Schaffung optimaler technischer Voraussetzungen im zeitlichen Ablauf später eingeordnet werden. Trotz der knappen Zeit für die Planung der ersten Testanlage musste ein Konzept für den Vergleichstest und eine Messtechnik in aller Eile entwickelt werden. Es wurden neue und aus unserer Sicht wertvolle geothermische Ergebnisse und neue Hinweise für die technische Ausführung gesammelt.
An dem Standort, der nur 10 km von dem Betrieb der BLZ Geotechnik GmbH entfernt ist, war die notwendige intensive Betreuung mit vertretbarem Aufwand möglich.
Die Musteranlage besteht aus 3 Sonden, die unter gleichen geologischen Bedingungen, mit gleichem Bohrdurchmesser, gleichem Verfüllbaustoff und gleicher Länge eingebaut sind und ein Bestandsgebäude mit Wärme und Kälte versorgen. Alle Sonden werden von einer Wärmepumpe mit gleicher Rate und gleicher Vorlauftemperatur versorgt. Auf dieser Basis sind vergleichbare Leistungserfassungen der verschiedenen Sonden in idealer Weise gegeben.
Wesentlich für den energetischen und wirtschaftlichen Vorteil sind die gewonnenen Kenntnisse für die nachgewiesene geothermische Leistungssteigerung der neuen Erdwärmesonde gegenüber der verbreiteten Doppel-U-Rohrsonden (U2-Sonde).
Die eingesetzten Mittel sind sinnvoll eingesetzt und werden mit Unterstützung der DBU wesentlich zu einer umweltschonenden und wirtschaftlichen Wärmeversorgung beitragen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
In Simulationsberechnungen wurden die energetischen Vorteile für den Wärmeentzug mit Erdwärmesonden, die aus mehreren kleinen Außenrohren und einem großen zentralen Innenrohr aufgebaut sind, dargestellt. Das Simulationsprogramm ist in
• Häfner, F.; Wagner, R. und Meusel, L. "Bau und Berechnung von Erdwärmeanlagen" Springer-Verlag 2015 beschrieben.
Die theoretischen Voraussetzungen, Simulationsergebnisse und Ergebnisse der praktischen Anwendung sind in den nachfolgenden Veröffentlichungen
• Wagner, R.; Häfner, F.; Heinemann, D. bbr 12-2013 Ringrohrerdwärmesonde - ein System mit optimiertem Wärmeentzug und einer sicheren Verfülltechnologie
• Wagner, R. M., Häfner, F. Meusel, S. Paulo, S. bbr 03-2024 Technologische Reserven von Erdwärmesonden und ihr Beitrag zur Wärmewende - Teil1,
• F., Wagner, R. M., Meusel, S. Paulo, S. bbr 04-2024 Technologische Reserven von Erdwärmesonden und ihr Beitrag zur Wärmewende - Teil2
• Häfner, F., Wagner, R. M., Meusel, S. Paulo, S. bbr 02-2025 Planung, effiziente Auslegung und nachhaltiger Betrieb von Erdwärmeanlagen unter dem Einfluss der Klimaerwärmung
dargestellt und erläutern das große Potential der RRS für den Energiegewinn.
Das Schlauch-Rohr-System wurde 2017 von Wagner, R. als Patent angemeldet - Az.: 10 2017 008 566.8
Auf folgenden Fachtagungen wurde die Sonde in Theorie, Konstruktion und Technologie vorgestellt:
• Deutscher Geothermischer Kongress Essen 2013 Vortrag Wagner, R. u.a. "Ringrohrsonde";
• Geotherm Offenburg 2017 Vortrag Häfner, F. Vergleich der Leistungsfähigkeit von Erdwärmesonden ver schiedener Bauart
• Geotherm Offenburg 2017 Vortrag Wagner, R. Verfüllung von Erdwärmesonden
• Deutscher Geothermischer Kongress München 2017 Vortrag Wagner, R. u.a. Sondentypen - Funktion und Praxiseinsatz
• Deutscher Geothermischer Kongress Essen 2018 Vortrag Wagner, R. u.a. Sondentypen für mitteltiefe Erd wärmegewinnung
• Cleantech - Magdeburg 2017 Vortrag Wagner Innovationen in der oberflächennahen Geothermie
• Geotherm Offenburg 2021 Vortrag Wagner, R. Energieeffiziente Konstruktionen von Erdwärmesonden -Doppel-U-Rohr- und Ringrohrsonde im energetischen, technischen und wirtschaftlichen Vergleich
• Geotherm Offenburg 2022 Vortrag Wagner, R. Praxisvergleich einer Standard-Doppel-U-Rohrsonde mit dem Prototyp der Ringrohrsonde
• Geotherm Offenburg 2023 Vortrag Paulo, S. Die Leistungsfähigkeit der neuen Ringrohr-Erdwärmesonde und des ModX-Softwarepaketes
• Geotherm Offenburg 2023 Vortrag Wagner, R. Wirtschaftliche und energetische Reserven von Erdwärmesonden
• Bohrtechniktage Rostrup 2023 Vortrag Wagner, R. Effizienz einer Ringrohrsonde im Vergleich zur herkömmlichen Doppel- U- Sonde
• Geotherm Offenburg 2024 Vortrag Häfner, F., Wagner, R. Effizienter Betrieb von Erdwärme-Sondenfeldern und ihre aktive Regeneration
• Geotherm Offenburg 2024 Vortrag Wagner, R. Einfluss der Einbau- und Verfülltechnologie auf die Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden
• Geotherm Offenburg 2025 Vortrag Wagner, R. Beurteilung verschiedener Typen von Erdwärmesonden
• Deutscher Brunnenbauertag – Bad Düben 2025 Vortrag Wagner; Häfner Vergleichende_Betrachtung_unterschiedlicher_Erdwärmesonden
Fazit
In dem Projekt wurde nachgewiesen, das mit der RRS ein leistungsfähiger Wärmeübertrager zur Verfügung steht, der die konventionellen Doppel-U-Rohrsonden im 1:1 - Vergleich mit einer Leistungssteigerung von 30% ersetzen kann. Die neue Sonde kann mit der vorhandenen Standardbohrtechnik eingebaut und mit den marktüblichen Wärmepumpen betrieben werden. Durch diesen Leistungsvorteil entstehen beim Bau von Erdwärmeanlagen durch die Reduzierung von Bohrmetern oder kompletter Bohrungen Kostensenkungen in der gleichen Größenordnung wie die energetische Leistungssteigerung. Insbesondere bei großen Sondenfeldern wirkt sich dieser Vorteil deutlich aus. Ein Nachteil ist die kompliziertere Konstruktion der Sonden, die besondere Herstellungsmethoden und komplex automatisierte Fertigungstechnologie erfordern werden. Die dadurch entstehenden Mehrkosten haben aber nur einen geringen Einfluss auf den wirtschaftlichen Gesamtvorteil. Es ergibt sich für die Fortsetzung der Entwicklung die dringende Aufgabe die Fertigung dieses Sondentypes weiter zu entwickeln und soweit möglich zu automatisieren und damit zu beschleunigen um den Bedarf bei größeren Bauvorhaben mit vertretbaren Lieferzeiten abzusichern. Trotz der erfolgreichen Bearbeitung steht das Produkt am Anfang seiner Lernkurve und es können noch große Fortschritte bei der Herstellung und Anwendung erwartet werden, die dann auch die skeptische Betrachtung der Planer, der Kunden und auch der Genehmigungsbehörden verändern werden.