Thermische Nutzung von Haldenschwelbränden

Transkript

1 Verbundvorhaben Klimaschutz: Thermische Nutzung von Haldenschwelbränden Teilvorhaben Technische Beratung Förderkennzeichen 01 LS Abschlussbericht für: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Projektträger im DLR Abteilung Umweltforschung und technik Herr Dr. Jochen Stuck Heinrich-Konen-Str Bonn bearbeitet von: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT Dipl.-Ing. Peter Schwerdt Telefon: 0208/ peter.schwerdt@umsicht.fraunhofer.de Osterfelder Straße Oberhausen Telefon: Fax: Internet: info@umsicht.fraunhofer.de Oberhausen, Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01 LS05088 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

2 II

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungen Tabellen III V VIII 1 Vorwort 1 2 Wissenschaftliche Zielstellung und Projektverlauf 2 3 Gewinnung und Nutzung geothermischer Energie Einteilung Tiefengeothermie Oberflächennahe Geothermie im herkömmlichen Sinne Haldengeothermie Grundlagen und Verfahren Wärmegewinnung Stromerzeugung Kälteerzeugung Verteilnetze für Wärme und Kälte 13 4 Standortsuche Kriterienliste Eigenschaften der untersuchten Bergehalde Auswahl des Anlagenstandortes 17 5 Feldlabor Erdwärmesonden Erdsonde - Vorentwurf Erdsonde umgesetztes Design Bohrarbeiten Dichtigkeitstests Temperaturmessungen Projektierung und Detailplanung des Feldlabors Hydraulische und anlagentechnische Auslegung Störfallsicherheit Messdatenerfassung und Anlagensteuerung 36 III

4 5.5.4 Regelung Aufbau und Inbetriebnahme des Feldlabors Weitere Arbeiten 53 6 Feldversuche zum Wärmeentzug aus dem Haldenkörper Messprogramm Datenaufbereitung und Verbreitung Anlagenbetreuung Auswertung und Ergebnisse Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb 61 7 Scale up Allgemeine Bewertung verschiedener Wärmenutzungsformen Wärmenutzungskonzept zur Energieversorgung der neuen Betriebsgebäude am Haldenstandort Ausgangslage Alternatives Konzept unter Einbeziehung der Haldenwärme Wärme- und Kältebedarf bei modifiziertem Versorgungskonzept Beispielrechnung für die Ermittlung der Heizlast Beispiel für die Ermittlung der Wärmeverluste durch Luftwechsel Werkstattgebäude mit Lagerräumen Bürogebäude mit Behandlungshalle Optimierung der Heiz- und Kühllast 68 8 Know-How-Transfer 70 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Bildanhang 74 IV

5 Abbildungen Abbildung 1: Schema des HDR-Verfahrens am Standort Soultz-sous- Forêts, Elsaß 4 Abbildung 2: Geothermieanlage kleiner Leistung mit Wärmepumpe zur Gebäudeheizung 6 Abbildung 3: Haldenentwicklung 8 Abbildung 4: Schema eines möglichen Wärmeentzuges aus einer Halde 11 Abbildung 5: ORC-Prozeß zur Stromerzeugung aus geothermischer Wärme 12 Abbildung 6: Vorisolierte, flexible Voll-Kunststoff-Zweirohrleitung für Heizwassernetze 14 Abbildung 7: Verlegung von Flex-Rohren im Graben 14 Abbildung 8: Haldenstandort mit bekannten Warmbereichen 17 Abbildung 9: Geplanter Standort der Feldexperimente im Warmbereich 6 18 Abbildung 10: Konzept für die experimentelle Untersuchung der Bohrlochergiebigkeit der Geothermiesonden 19 Abbildung 11: Schematischer Aufbau einer EWS 20 Abbildung 12: Lageplan der ESW und des Containers 20 Abbildung 13: Bohrschema der Sonden 1-3 mit zugehörigen Messpegeln Abbildung 14: Koaxiale Erdwärmesonde, Variante 1, mit PEX-Innenrohr 22 Abbildung 15: Schema der Anschlüsse und Einrichtungen am EWS- Sondenkopf 23 Abbildung 16: Konzept des Sondenkopfes mit Anschlüssen 24 Abbildung 17: Beginn der Bohrarbeiten auf der Halde im WB 6 25 Abbildung 18: Ausbringung des mit der Schnecke erbohrten Bohrgutes aus dem heißen Haldenkörper 25 Abbildung 19: Fortsetzung der Messpegelbohrungen mit einem alternativen Schneckentyp (Hohlschnecke) 26 Abbildung 20: Mit Kappe verschlossenes unteres Ende einer 3 Erdsonde Abbildung 21: Verschweißen einer Erdsonde aus segmentweise eingebrachten Einzelrohren (je 6 m) 26 Abbildung 22: Gemuffte und geschweißte Verbindung zwischen den Rohrsegmenten 26 Abbildung 23: Verfüllung des Ringspaltes zwischen Erdsonde und Hüllrohr mit Sand 27 Abbildung 24: Betonring um den Sondenkopf als Zugangsschutz 27 Abbildung 25: Vollständige und verschließbare Abdeckung des Sondenkopfes 27 Abbildung 26: Erster Druck- und Dichtigkeitstest mit Luft V

6 Abbildung 27: Gemessener Druckabfall und Leckraten der Mantelrohre von EWS 1,2 und 3 28 Abbildung 28: Dichtigkeitstest am Sondenkopf mit Druckluft und Leckspray 29 Abbildung 29: Nachweis und Ortung kleinster Leckagen mit Helium- Tracergas und mobilem Detektor 29 Abbildung 30: Vorrichtung zur Temperaturprofilmessung in den Pegelrohren 30 Abbildung 31: Beispiel aus dem Auswertungs-Programm für Temperaturmessungen 31 Abbildung 32: RI-Anlagenschema mit den wichtigsten Auslegungsparametern 33 Abbildung 33: Mehrschicht-Verbundrohr 34 Abbildung 34: Umwälzpumpe für Sonden- und Kühlerkreis 34 Abbildung 35: Berechnung des Rohrreibungsverlustes in den Anschlussleitungen (hier: EWS1) 34 Abbildung 36: Datenlogger Delphin TopMessage (oben) und Moeller EASY SPS Module (unten) 37 Abbildung 37: Reduziertes MSR-Schema des Feldlabors 38 Abbildung 38: Reduziertes R+I-Schema des Geothermie-Feldlabors 39 Abbildung 39: Auszug aus Ablaufplan der Anlagensteuerung 40 Abbildung 40: Aufbau für Programmierung und Test der EASY-SPS 41 Abbildung 41: EASY-Kompakt-SPS mit Ein-/Ausgabemodulen während der Programmerstellung bei Fraunhofer UMSICHT 41 Abbildung 42: Vorderansicht des komplett montierten Schaltschranks 42 Abbildung 43: Detaildarstellung des Schaltschrank-Bedienfeldes 42 Abbildung 44: Blockschaltbild eines EWS-Kreislauf-Regelkreises 43 Abbildung 45: Regelungsmodus 1 44 Abbildung 46: Regelungsmodus 2 44 Abbildung 47: Regelungsmodus 3 45 Abbildung 48: Regelungsmodus 4 45 Abbildung 49: Regelungsmodus 5 45 Abbildung 50: Blockschaltbild des Kühlkreislauf-Regelkreises 46 Abbildung 51: Regelung des Kühlkreislaufes 46 Abbildung 52: Sprungantworten von P-, I- und D-Gliedern 47 Abbildung 53: Anlagencontainer der Wärmeentzugseinrichtung auf der Halde 48 Abbildung 54: Vorgefertigte Sondenpumpengruppe mit Anschlüssen 49 Abbildung 55: Systemkomponenten des Feldlabors während der Montagephase 49 Abbildung 56: Trockenkühler zur Wärmeabfuhr an die Umgebung 50 Abbildung 57: Windmessstation mit Schutzgitter 50 VI

7 Abbildung 58: Verlegung der Sondenanschlussleitungen zum 35 m entfernten Feld 1 51 Abbildung 59: Einbringung der Innenrohre aus Kupfer 51 Abbildung 60: Einbringung des oberen Rohrabschnittes (Doppelmantel- Edelstahlrohr) 51 Abbildung 61: Montage des Innenrohres unter dem Sondendeckel- Flansch 52 Abbildung 62: Sondenkopf mit vollständiger Bestückung und Anschlüssen 52 Abbildung 63: Erste Messdaten nach Beginn des Wärmeentzugs aus Sonde 1 53 Abbildung 64: Messpegelköpfe mit den Schutzrohren der herausgeführten Thermoelementleitungen 54 Abbildung 65: Aufgebrochene Standard- Türverriegelungen des Containers 55 Abbildung 66: Zusätzliche Zugangssicherung mit 120er U-Stahl und verdecktem Diskusschloss 55 Abbildung 67: Übersichtsdiagramm der Anlage Gesamtleistung, Kühlkreis 58 Abbildung 68: Betriebsdaten der EWS1 während eines TRT mit anschließender Pause 59 Abbildung 69: Verlauf einiger TRT und Erholungsphasen an EWS 2 59 Abbildung 70: Messwerte und Wärmeleistung der EWS 3 während der TRT-Reihenversuche 60 Abbildung 71: Gesamtleistung und kumulierte Wärmeentzugsleistungen 60 Abbildung 72: Lageplan für den Neubau der Betriebsgebäude 62 Abbildung 73: Heizlastkurve des Werkstattgebäudes mit Lagerräumen 66 Abbildung 74: Heiz- und Kühlbedarf des Bürogebäudes mit Behandlungshalle 66 Abbildung 75: Abschätzung der Heiz- und Kühllast für den Neubau der Betriebsgebäude 67 Abbildung 76: Geordnete Jahresdauerlinie ohne/mit Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,6 sowie Leistung der Geothermieanlage 68 Abbildung 77:Jahresdauerlinien mit und ohne Optimierung sowie unter Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors 69 Abbildung A-78: Fertigungszeichnung der Sondenköpfe mit Anschlüssen 74 Abbildung A-79: Fertigungszeichnung für Erdsonden-Doppelmantel- Rohr 75 Abbildung A-80: Anzeigebildschirm des Datenloggers, Messstellenliste mit Momentanwerten 80 Abbildung A-81: Grundriss Bürogebäude und Behandlungshalle 83 Abbildung A-82: Grundriss Werkstatt- und Lagergebäude 84 VII

8 Tabellen Tabelle 1: Wärmeleistungen von Erdwärmesonden [REU 04] 7 Tabelle 2: Nutzungssysteme geothermischer Energie 10 Tabelle 3: Leckraten und ihre Erscheinungsformen 29 Tabelle 4: Auszug aus der Messstellen- und Komponentenliste 38 Tabelle 5: Regelgrößen und Stellglieder der fünf Regelungsmodi 43 Tabelle 6: Reglerauswahl nach gegebenen Regelgrößen [LIE 04] 47 Tabelle 7: Versorgung des Neubaus -Planungsdaten Ausgangslage 63 Tabelle A-8: Thermische und hydraulische Auslegung des der Anlagentechnik 76 Tabelle A-9: Übersicht MSR - Ein- und ausgehende Signale des Geothermie-Feldlabors 79 Tabelle A-10: Messwerte als Rohdaten im Auswertungsprogramm 81 Tabelle A-11: Messwerte und berechnete Größen des Anlagenbetriebs 82 Tabelle A-12: Bauliche Kenndaten der neuen Betriebsgebäude 85 Tabelle A 13: Randbedingungen zur Heiz- Kühllastberechnung 86 VIII

9 1 Vorwort Der hier vorliegende Abschlussbericht ist Bestandteil des Verbundprojekts Thermische Nutzung von Haldenschwelbränden, an dem folgende Partner beteiligt waren: RWTH Aachen (Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen / Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe), Dipl.-Ing. Sylvia Kürten, AOR Dipl.-Ing. Martin Feinendegen, Dipl.-Ing. Yves Noel Fraunhofer-Institut UMSICHT, Oberhausen, Dipl.-Ing. Peter Schwerdt DMT GmbH & Co. KG, Essen, Dipl.-Ing. Andreas Klein Aix-o-therm GeoEnergien, Marl, Dr. rer. nat. Roland Gaschnitz, M.Sc. Ziel des Projekts war die Quantifizierung des geothermischen Potentials von Haldenschwelbränden. Dazu wurde auf einer Halde im westlichen Ruhrgebiet eine geothermische Pilotanlage bestehend aus drei Erdwärmesonden installiert und erprobt. Darüber hinaus wurden verschiedene Grundlagenuntersuchungen durchgeführt. Das Gesamtprojekt gliedert sich im Wesentlichen in vier Teilprojekte, für die jeweils ein Projektpartner die Verantwortung besitzt. Die Ergebnisse wurden durch den Projektverbund erzielt; die Verwertung liegt bei den jeweiligen Partnern. Die einzelnen Ergebnisse sind den entsprechenden Teilberichten zu entnehmen: Teilprojekt Standsicherheit von Haldenkörpern und Simulation von Haldenschwelbränden (RWTH Aachen) Teilprojekt Technische Beratung (Fraunhofer UMSICHT) Teilprojekt Bergaufsicht, Planung und Koordination (Brandschutz und Sicherheitstechnik), Bestandsaufnahme und Prognose von Haldenschwelbränden (DMT) Teilprojekt Scale Up (aix-o-therm) Der hier vorliegende Bericht beschreibt die durchgeführten Arbeiten und Ergebnisse zum Teilprojekt Technische Beratung, das vom Fraunhofer Institut UMSICHT, Oberhausen bearbeitet wurde. Weitergehende Informationen zu den anderen Teilprojekten sind den Berichten der jeweiligen Projektpartner zu entnehmen und an entsprechender Stelle kenntlich gemacht. Der Projektverbund dankt dem Haldenbetreiber für die Möglichkeit der Installation der Pilotanlage auf der Halde und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) vertreten durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) für die finanzielle Förderung des Projekts. 1

10 2 Wissenschaftliche Zielstellung und Projektverlauf Bergehalden prägen bis heute die Steinkohlenreviere weltweit. Eine in der Öffentlichkeit wenig bekannte Tatsache besteht in dem Vorhandensein von Haldenschwelbränden. Diese entstehen durch die Oxidation von Restkohle mit eingetragenem Luftsauerstoff; sie sind vor allem in alten Haldenkörpern verbreitet. Allein in Nordrhein-Westfalen sind 8 Bergehalden mit Schwelbränden bekannt, deutschland- und weltweit betrachtet liegt die Zahl bedeutend höher. Haldenschwelbrände gelten bisher primär als Gefahrenquelle für die Standsicherheit und die Umgebung. Zusätzlich geht von schwelenden Abraumhalden eine Belastung für die Umwelt durch das frei werdende Kohlendioxid (CO2) sowie weitere klimaschädliche Gase aus. Haldenschwelbrände bieten aber auch auf Grund der hohen Temperaturen als Folge des Brandes im Haldenkörper ein großes und bisher nicht beachtetes energetisches Potential für eine Nahwärmeversorgung. Bei einer erfolgreichen Nutzung des energetischen Potentials können für den Haldenbetreiber wirtschaftliche Erträge erzielt werden. Zusätzlich trägt die geothermische Nutzung von Haldenschwelbränden zu einer verbesserten Umweltbilanz bei, da durch die geothermische Nutzung fossile Brennstoffe substituiert werden können. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsvorhabens wurde die energetische Nutzung von Haldenschwelbränden am Beispiel einer Bergehalde im westlichen Ruhrgebiet untersucht. Die Bearbeitung erfolgte durch einen Projektverbund, zu dem zwei Forschungsinstitute der RWTH Aachen (Geotechnik im Bauwesen und Technologie der Energierohstoffe), das Forschungsinstitut Fraunhofer UMSICHT mit Sitz in Oberhausen, das Zentrum für Brand- und Explosionsschutz der DMT GmbH, Essen sowie das Ingenieurbüro aix-o-therm GeoEnergien, Marl, gehören. Auf Grund der breiten fachlichen Ausrichtung der Projektgruppe war es möglich, die energetische Nutzung von Haldenschwelbränden in ihrer Gesamtheit zu untersuchen. Zu den Zielen des Forschungsvorhabens zählten die Quantifizierung der geothermischen Nutzbarkeit von Haldenschwelbränden, die Erweiterung der Kenntnisse über die im Haldenkörper ablaufenden Prozesse sowie die Erprobung eines technischen und wirtschaftlichen Verfahrens für die energetische Nutzung von Haldenschwelbränden. Ziel des von Fraunhofer UMSICHT bearbeiteten Teilvorhabens innerhalb des Verbundprojektes war die technisch/wissenschaftliche Begleitung der Arbeiten, insbesondere im Zusammenhang mit dem experimentellen Untersuchungen vor Ort und den Konzepten zur Wärmenutzung. Nach Mitwirkung bei der Grundlagenermittlung, der Standortsuche und der Vorplanung der technischen Anlagen für die Wärmeentzugsversuche wurden von UMSICHT der Aufbau der Versuchseinrichtungen geleitet, Messdaten aufgenommen und der Versuchsbetrieb überwacht. 2

11 3 Gewinnung und Nutzung geothermischer Energie Bei der Grundlagenermittlung im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche wurden von UMSICHT insbesondere die technischen Voraussetzungen und Möglichkeiten des Entzugs der Verbrennungswärme aus dem Untergrund untersucht. Betrachtet wurden konventionelle Geothermie-Anwendungen, spezielle Hochtemperatursondierungen ebenso wie die verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten zur Einsparung fossiler Energie durch Substitution anderer, fossiler Energieträger bei potentiellen Verbrauchern. 3.1 Einteilung Im inneren Kern der Erde werden Temperaturen bis zu 5000 C vermutet. Die Wärme, die von dort an die Erdoberfläche dringt, wird als Geothermie oder Erdwärme bezeichnet. Vulkane, Geysire und heiße Quellen sind besonders deutliche Auswirkungen der geothermischen Aktivitäten. In der Erdkruste machen sich unterhalb der neutralen Zone (Bereich zwischen 10 und 20 m, unterhalb dessen die Bodentemperaturen zeitlich konstant sind ) mit zunehmender Tiefe stark steigende Temperaturen bemerkbar. Der Temperaturgradient ist regional jedoch sehr unterschiedlich. In Deutschland kann er zwischen 2 und über 8 K je 100 m betragen, je nach geologischer Vorgeschichte des Untergrundes. Erdwärme ist unabhängig von Wetter und Klima immer verfügbar und damit zumindest theoretisch die zuverlässigste der regenerativen Energien. Prinzipiell werden folgende Nutzungstechnologien unterscheiden: Hydrothermale Systeme: Im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere). Petrothermale Systeme (Hot-Dry-Rock): Im Untergrund werden mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert. Tiefe Erdwärmesonden: Ein Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde Wärmepumpen Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann Niedertemperaturwärme (z.b. 30 C warmes Grundwasser) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden und damit der energetischen Nutzung zugänglich gemacht werden. 3

12 Bei Tiefen von mehr als m spricht man von Tiefengeothermie, sonst von oberflächennaher Geothermie Tiefengeothermie Heiße Wasserreservoirs und Gesteinskörper in tiefen Erdschichten können im Prinzip für Wärmegewinnung oder Stromerzeugung genutzt werden. Heißes Thermalwasser kann je nach Druckverhältnissen der Lagerstätte direkt oder mittels Pumpen an die Oberfläche geleitet werden. Bei hohen Drücken und Temperaturen des Lagerstättenwassers, wie sie in geologischen Anomalien in manchen Regionen der Welt vorliegen (z.b. Island, Italien, USA, Indonesien) kann bei Druckabsenkung entstehender Dampf direkt in Turbinen zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Andernfalls kann die Wärmeenergie in Wärmetauschern auf einen separaten Wärme-Kraft-Prozess (z.b. ORC) übertragen werden. Um die Wärme aus heißen, trockenen Gesteinsformationen zu gewinnen, kann Wasser in die Tiefe gepumpt und durch das Gestein erhitzt wieder nach oben gefördert werden (Hot-Dry-Rock-Verfahren, HDR). Abbildung 1: Schema des HDR-Verfahrens am Standort Soultz-sous-Forêts, Elsaß Quelle: [BVG] Im elsässischen Soultz-sous-Forêts (Oberrheingraben) wird seit 1987 in einem europäischen Forschungsprojekt an der Entwicklung des HDR-Verfahrens gearbeitet. Im Sommer 2008 wurde dort erstmals mit dem Probebetrieb eines geothermischen Kraftwerks begonnen, das die im Tiefengestein gespeicherte Wärme nutzt. Im Unterschied zu anderen Geo-Kraftwerken, die natürliche Heißwasser- oder Dampfvorkommen anzapfen, wurden bei dieser Anlage in m Tiefe vorhandene Risse und Spalten im 200 C 4

13 heißen Granit durch Wasserinjektion unter hohem Druck erweitert ( Fracking ) und zu einem geologischen Wärmetauscher verbunden [MIL 09]. Eine Anlage, die ein Heißwasservorkommen zur Stromerzeugung nutzt, befindet sich seit 2003 in Neustadt-Glewe, Mecklenburg-Vorpommern. Dort werden aus 100 m³/h Wasser von 98 C, das auf 72 C abgekühlt wird, etwa 230 kw elektrische Leistung und 11 MW Wärme zu Heizzwecken gewonnen [LUN 05]. Etwa sechs weitere Anlagen sind in Deutschland in Betrieb bzw. in Planung oder Bau, darunter im Oberrheingraben das Geothermiekraftwerk Landau mit 3 MW Stromerzeugungskapazität sowie die Anlage in Unterhaching, im Süddeutschen Molassebecken in der Nähe von München, mit etwa 38 MW thermischer und 3,6 MW elektrischer Leistung. Eine weitere Variante der Tiefen Geothermie stellen tiefe Erdwärmesonden dar, wie sie z.b. zur Versorgung des Gebäudes SuperC der RWTH Aachen in 2004/2005 angelegt wurden. Es handelt sich dabei um mindestens 1000 m tiefe Bohrungen, mit denen heiße Gesteinsschichten erschlossen werden. In die Bohrung wird ein koaxiales Doppelrohr eingebaut, durch das Wasser als Wärmeträger zirkuliert und die Wärme aus dem heißen Untergrund zur Nutzung an die Oberfläche transportiert. Im Ringraum der Sonde fließt das Wärmeträgerfluid unter Wärmeaufnahme abwärts bis zum tiefsten Punkt und wird in der im Inneren eingehängten Steigleitung wieder aufwärts geführt. Durch geeignete Maßnahmen muss dabei verhindert werden, dass sich das aufsteigende Fluid im Kernrohr zu stark abkühlt, damit es an der Oberfläche noch ein für die Nutzung ausreichend hohes Temperaturniveau besitzt. Tiefensonden stellen ein geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung dar, da das Wärmeträgerfluid keinen direkten Kontakt zum Gestein oder Grundwasser hat. Die mögliche Entzugsleistung hängt neben technischen Parametern von den Gesteinstemperaturen und der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins ab. Nachteilig ist dabei, dass die Wärmeübertragungsfläche nur in der Oberfläche des Mantelrohres besteht, wodurch die mögliche Wärmeleistung gegenüber offenen Systemen (Thermalwasser, HDR) sehr begrenzt ist Oberflächennahe Geothermie im herkömmlichen Sinne Die nutzbare Temperatur des Untergrunds im Bereich der oberflächennahen Geothermie resultiert im Wesentlichen aus gespeicherter Sonnenenergie. Wärmeströme aus dem Erdinneren sind hierbei vernachlässigbar. Die mittlere Oberflächentemperatur in Deutschland beträgt im Mittel ca. 13 C. Ab einer Tiefe von ca. 10m sind jahreszeitliche Schwankungen im Temperaturverlauf praktisch nicht mehr spürbar. Für Heizzwecke im Gebäudebereich werden heute entweder vertikale Erdwärmesonden mit einer Länge von z. T. über 100 m oder flächige, horizontale Leitungssysteme (Kollektoren) ins Erdreich eingebracht, in denen in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch als Trägermedium zirkuliert. Die Bodentemperatur für eine geothermische Nutzung sollte dabei bei mindestens ca C liegen. In neueren Anwendungen werden auch Fundamente, Gründungspfähle oder andere unter der Oberfläche liegende Bauteile mit Kollektorleitungen ausgestattet, sodass diese statisch sowieso erforderlichen Bauteile auch zur Wärmegewinnung genutzt werden können. Für die erzielbare Wärmeentzugsleis- 5

14 tung ist neben der Oberfläche und den thermischen Bodeneigenschaften auch die Temperaturdifferenz zwischen der Trägerflüssigkeit und dem umgebenden Boden von Bedeutung. In der Regel werden Erdwärmesonden mit einer Vorlauftemperatur von ca. 2 C betrieben. Durch den Kontakt mit dem Erdreich erwärmt sich die Sole. Ein in der Literatur verbreiteter Wert für die Entzugsleistung einer Erdwärmesonde, der jedoch großen Schwankungen je nach Betriebsbedingungen unterworfen ist, liegt bei 50 W/m Sondenlänge. Besteht ein erhöhter Wärmebedarf, werden meist mehrere Sonden installiert, da Erdwärmesonden mit Tiefen über 100 m einer bergrechtlichen Genehmigung bedürfen. Durch eine Wärmepumpe wird die vom Trägermedium aufgenommene Wärme auf die für die Heizzwecke erforderliche Temperatur gebracht. Ein durchschnittliches, gedämmtes Einfamilienhaus weist an kalten Tagen einen mittleren Heizwärmebedarf von ca. 5kW auf. Wirtschaftliche Anlagen erreichen eine Arbeitszahl von 4, d.h. sie stellen viermal soviel Wärme bereit, wie elektrische Arbeit für den Antrieb der Wärmepumpe und der Umwälzpumpen benötigt wird. Abbildung 2: Geothermieanlage kleiner Leistung mit Wärmepumpe zur Gebäudeheizung Quelle [BVG] Um einen optimalen Wärmeertrag zu erzielen, ist eine gute thermische Anbindung des Sondenrohrs an das umgebende Material erforderlich. Bei herkömmlichen Erdwärmesonden erfolgt diese in der Regel durch Verlegung in Wasser führenden Bereichen sowie durch thermisch verbesserte, hydraulisch gebundene Verfüllstoffe auf Zementbasis. Diese Stoffe weisen mit einer Wärmeleitfähigkeit von z.t. über 2 W/(mK) deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten auf als mineralische Verfüllstoffe, wie z.b. Sand, mit einem Wert von ca. 0,4 W/(mK). Erfahrungswerte für die spezifische Leistung herkömmlicher Erdwärmesonden liegen im Bereich W/m Sondenlänge, je nach Beschaffenheit des 6

15 Untergrundes (Tabelle 1). Im Falle der Haldengeothermie wird von erheblich höheren Leistungen ausgegangen. Tabelle 1: Wärmeleistungen von Erdwärmesonden [REU 04] Alternativ zur Zirkulation von Flüssigkeiten (Wasser oder Sole) in Erdwärmesonden werden auch Sonden mit verdampfenden Medien ( Wärmerohre, engl. Heatpipes ) eingesetzt. Als Arbeitsmittel kann entweder eine Flüssigkeit mit einem entsprechend niedrigen Siedepunkt verwendet werden oder ein Gemisch, beispielsweise aus Ammoniak und Wasser. Auch Kohlendioxid wird in Heatpipes eingesetzt, wie z.b. zur Wärmerückgewinnung in industriellen Prozessen. In der Nähe des Wärmeverbrauchers, bzw. der jeweiligen Heizzentrale wird eine Tiefenbohrung von ca. 70 bis 100 Metern und ca. 15 cm Durchmesser angelegt, in die ein geschlossenes Kupferrohrsystem eingebaut wird. In diesem zirkuliert CO2 im geschlossenen Kreislauf unter einem Druck von etwa 45 bar. Das zunächst flüssige CO2 nimmt in der Tiefe über die Rohrwandung Wärme aus dem Erdreich auf, verdampft und steigt gasförmig im Zentrum der Sonde nach oben. Im Sondenkopf wird die latente Wärme unter Kondensation an den Kältemittel-Verdampfer der Wärmepumpe abgegeben. Das verflüssigte CO2 läuft unter Schwerkrafteinfluss wieder als Film an der Rohrwand hinunter, bis es im warmen Rohrteil erneut verdampft. Heatpipes haben zwar auch nur die durch den Rohrumfang und die Länge festgelegte Wärmeaustauschfläche, können aber wegen der konstanten Verdampfungstemperatur des Arbeitsmittels eine etwas höhere Entzugsleistung erreichen als konventionelle Sonden und benötigen keine Pumpe für die Zirkulation. Die Verdampfungstemperatur des CO2 wird über die abgenommene Wärmemenge bestimmt, die aufgrund der Auskühlung mit der Zeit die Gesteins- bzw. Umgebungstem- 7

16 peratur der Sonde reduziert. Kurzfristig können sehr große Entzugsleistungen realisiert werden, aber langfristig wird die Entzugsleistung genauso wie bei konventionellen Sole- Sonden vom umgebenden Boden und seiner Wärmeleitfähigkeit vorgegeben, nicht aber von der jeweils eingesetzten Technik Haldengeothermie Es war in der Vergangenheit des Steinkohlebergbaus unvermeidbar, dass immer ein gewisser Anteil Restkohle im ausgewaschenen Bergematerial und somit in den aufgeschütteten Abraumhalden zurückblieb. Dieser oxidiert bei Kontakt mit dem in den Haldenkörper eingetragenen Luftsauerstoff. Sind eine kritische Kohlenstoffkonzentration und zu wenige Wärmebrücken nach außen vorhanden, kann der Wärmeabfluss geringer als die Reaktionswärmezufuhr werden. Es kommt zu steigenden Temperaturen und einer sich selbst erhaltenden, exothermen Reaktion im Inneren des Haldenkörpers, die sich zu einem lang anhaltenden, sich unterirdischen ausbreitenden Schwelbrand auswachsen kann. Üblicherweise werden unterirdische Brände durch Abdecken mit meterdicken Schichten luftundurchlässigen Materials oder durch Auskoffern und Löschen der brennenden Bereiche bekämpft. Dies hat aber neben den hohen Kosten Lärm- und Staubemissionen zur Folge und birgt im Falle des Auskofferns außerdem die Gefahr, dass Luftsauerstoff in bisher abgeschlossene Bereiche des Haldenkörpers eingetragen wird und dadurch neue Brandherde entstehen. In den deutschen Revieren wurden seit den 1950er Jahren alle Spitzkegelhalden abgetragen und zuerst zu terrassierten Tafelbergen und später zu noch größeren, so weit wie möglich renaturierten Landschaftsbauwerken umgestaltet (Abbildung 3). Die Mächtigkeit heutiger Halden liegt meist zwischen 40 und 60 m (Höhe über Umgebungsniveau). Abbildung 3: Haldenentwicklung (Quelle: Deutsche Steinkohle AG aus [BEK 07]) 8

17 Trotzdem trat das Phänomen unterirdischer Haldenschwelbrände weiterhin vereinzelt auf, ist dabei aber keineswegs allein ein Problem der deutschen Reviere. Die Fördermenge der größten Steinkohleförderländer China, USA, Indien und Russland zusammen genommen betrug 2007 mehr als das 170fache der deutschen Förderung [KOH 09]. Aus diesen und anderen Ländern sind unterirdische Kohlebrände bekannt. Dokumentiert sind allerdings häufig nur Brände von ganzen Kohleflözen [STR 07]. Die Problematik der nicht zu kontrollierenden, über Jahrzehnte fortlaufenden und oft unvollständigen Oxidation der Restkohle liegt aber nicht nur in der Gefährdung von Menschen beim Betreten der Halde oder in unmittelbarer Umgebung durch unvorhersehbare CO-Ausgasungen, Schwelgasentzündung oder das Einbrechen des porösen Haldenkörpers. Als Reaktionsprodukt entstehen große, wenn auch kaum quantifizierbare Mengen an klimaschädlichem CO2, die ständig und nicht fassbar dem Haldenkörper entweichen. Global betrachtet, können sie einen signifikanten Einfluss auf die Erwärmung der Atmosphäre durch den Treibhauseffekt haben. Aber nicht nur die ökologische Belastung der Umwelt, sondern auch die ökonomische Belastung des Haldenbetreibers ist Anlass zur Suche nach technischen Lösungen. Ziel eines Haldenbetreibers ist, möglichst bald nach der Beendigung der Aufschüttung aus der gesetzlich vorgeschriebenen Sicherungspflicht für die Halde entlassen zu werden. Während eine Bergehalde brennt, kann sie wegen der Personengefährdung nicht mit dem Ziel renaturiert werden, als Landschaftsbauwerk der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und touristisch erschlossen zu werden. So stehen den laufenden Kosten für die behördlich vorgeschriebenen Überprüfungen der Temperaturen und Gaskonzentrationen keinerlei Einnahmen gegenüber, wie z.b. aus der lukrativen Nutzung einer früheren Bergehalde in Bottrop als Indoor-Skihalle. Wie allerdings die von fortwährenden Setzungsvorgängen verursachten aktuellen Probleme mit der Standsicherheit der Bauwerke auf der der Bottroper Halde zeigen, sind eingehende Untersuchungen des Untergrundes im Vorfeld von größter Bedeutung und bieten trotzdem auf längere Sicht keine absolute Sicherheit. Eine Nutzung der im Brandbereich entstehenden Wärme zur Substitution wertvoller, fossiler Brennstoffe kann jedoch eine positive Wirkung auf das Image des Haldenbetreibers haben und trotz hoher Anfangsinvestitionskosten auch wirtschaftlich sein. Wie aus langjährigen Temperaturmessungen bekannt ist, liegen die Brandbereiche im Haldenkörper meist einige Meter unter der Oberfläche, besitzen nur eine relativ geringe Mächtigkeit, jedoch lokal sehr hohe Temperaturen. Die Erschließung der Wärmequellen im Untergrund muss sich daher sowohl an Techniken der Tiefen- wie auch der oberflächennahen Geothermie orientieren. Wenn sich Abnehmer in der Nähe der Halde befinden, könnte die Wärme als Heizwärme oder Prozesswärme in ein Nahwärmenetz geleitet oder als Antriebswärme für einem thermischen Kälteprozess verwendet werden. Bei hohen Temperaturen und ausreichender Wärmeleistung ist auch die Erzeugung elektrischer Energie in einem ORC-Prozeß denkbar, die in das lokale Niederspannungsnetz eingespeist wird. Auch eine zusätzliche oder alternative Kälteerzeugung kommt in Frage. 9

18 Der Vergleich der von vielen thermisch aktiven Halden bekannten Temperaturen mit den üblicherweise in der oberflächennahen Geothermie genutzten zeigt das erhebliche Energiepotential, das in Bergehalden steckt. Zusätzlich zum erzielten energetischen Nutzen würde der Haldenkörper durch den stetig abfließenden Wärmestrom gekühlt, bis die Reaktionsgeschwindigkeit der Kohlenstoffoxidation so weit verringert wäre, dass der Haldenbrand als gelöscht gelten kann. 3.2 Grundlagen und Verfahren In diesem Abschnitt wird auf mögliche Nutzungsformen geothermischer Energie eingegangen und eine Übersicht über die Vielzahl der möglichen Systeme gegeben. Zwischen Lagerstätte und Endprodukt benötig ein Nutzungssystem verschiedene Systeme bzw. Stationen, die in Tabelle 2 schematisch dargestellt sind. Die Pfeilrichtung gibt darin die Richtung des Fluids bzw. des Energieflusses an. Tabelle 2: Nutzungssysteme geothermischer Energie Nutzungssysteme für geothermische Energie Lagerstätte Bohrung Untertage Erschließung Förderung Aufbereitung Übertage Umwandlung Restverwertung Energie/ Endprodukt Heißdampf Normaltiefe/ Übertiefe Bohrung Konvent. Frac. Eruptiv Separation Kondensationsturbine Freier Abfluß Elektrizität Heißwasser -Aquifer -Hot Dry Rock Bohrung in heißem, trockenen Fels Hot Dry Rock Hydrofrac Flash Pumpenförderung Gegendruckturbine Reinjektion Wärme Warmwasser Nuclearfrac Kont. Gaslift Wärmetausch Binärsystem Multiple Nutzung Kälte Geopressure Total Flow Frischwasser Rohstoffe Wärmegewinnung Naheliegend ist zunächst die direkte Auskopplung von Wärme für die Beheizung von Bauwerken oder gewerblichen Prozessen. Entsprechend dem üblicherweise benötigten Niveau von 40 bis 90 C besteht eine ausreichende Temperaturdifferenz zu den vorliegenden Bedingungen im Haldenkörper. Für die Wärmeübertragung auf das Trägermedium sind vertikale oder horizontale Koaxialrohre denkbar. Allerdings liegen hierfür keine Erfahrungen vor, mangels vergleichbarer Anwendungen müssen geeignete Systeme erst entwickelt und erprobt werden. Über die aus den Erdsonden gewonnene und in einer Umformerstation an ein Verteilsystem bereitgestellte Wärmeenergie könnten zum Beispiel in der Nähe befindliche Gebäude oder Gewerbebetriebe versorgt werden (Abbildung 4). Es könnte auch eine Anbindung an bestehende Wärmenetze erfolgen. 10

19 Ökonomisch erforderlich wären eine dauerhafte Vorlauftemperatur von > 70 C und eine Jahresvolllaststundenzahl der Anlage von mindestens 2000 h/a. Die Wärmeabnahme sollte möglichst gleichmäßig sein, um die investierten Anlagen wirtschaftlich betreiben zu können. Sollte Wärme von wesentlich höherer Temperatur und größerer Leistung gewonnen werden können, kämen auch eine vorgeschaltete Stromerzeugung mit einer anschließenden Wärmeverwertung in Frage (Beispiel Neustadt-Glewe). Abbildung 4: Schema eines möglichen Wärmeentzuges aus einer Halde Stromerzeugung Die attraktivste mögliche Nutzung der Energie aus brennenden Halden stellt die Stromerzeugung dar. Hierzu würde sich wegen des im Vergleich zu regulären Dampfkraftprozessen niedrigen Temperaturunterschieds zwischen Vor- und Rücklauf am ehesten ein Organic Rankine Cycle (ORC) eignen. Dies ist ein Dampfkraftprozess, der als Arbeitsmedium nicht Wasser, sondern eine bereits bei niedrigen Temperaturen siedende organische Flüssigkeit nutzt. Diese muss frei von Halogenverbindungen, ungiftig und klimaneutral sein, um Voraussetzungen für eine Verwendung in umweltfreundlichen ORC Kraftwerken zu bieten. Eine mögliche Anwendung an einer Halde zeigt Abbildung 5. 11

20 Abbildung 5: ORC-Prozeß zur Stromerzeugung aus geothermischer Wärme Angeboten wird auf dem Markt z.b. ein ORC-Kraftprozeß mit einem entsprechenden, als Geothermal Liquid 160 bezeichneten Arbeitsfluid (GMK- Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbh). Zur wirtschaftlichen Nutzung des ORC-Prozesses auf niedrigem Temperaturniveau muss jedoch eine Wärmeleistung von mindestens 4 MW bei einer minimalen Vorlauftemperatur von 100 C länger als zehn Jahre zur Verfügung stehen. Dies würde eine gesicherte elektrische Leistung von > 1 MW ermöglichen. Bei einer ORC-Anlage ohne weitere Abwärmenutzung würde das erforderliche Kühlwasser, wie auch bei den meisten anderen Dampfkraftprozessen, über einen offenen oder geschlossenen (nass oder trocken betriebenen) Luft-Rückkühler bereitgestellt. Dadurch wäre die geforderte Temperaturdifferenz von T > 20 K zwischen heißer und kalter Seite jederzeit realisierbar. Energetisch sinnvoller wäre anstelle einer Abgabe der ORC-Abwärme an die Umgebung natürlich deren Verwertung zu Heizzwecken, z.b. zur Versorgung eines Nahwärmenetzes. Um allerdings die Abwärme auf einem noch nutzbaren Temperaturniveau zu erhalten, wäre eine Verringerung des sowieso relativ niedrigen Wirkungsgrades der Stromerzeugung in Kauf zu nehmen Kälteerzeugung Die dritte Möglichkeit der Energienutzung aus der Halde stellt die Erzeugung von Kälte mittels thermisch angetriebener Kälteprozesse dar. Aus ökonomischen Gründen müsste eine Gesamtwärmeleistung von mindestens 100 kw zur Verfügung stehen. Mit dieser Energie könnte eine auf dem Markt verfügbare Ad- oder Absorptionskältemaschine be- 12

21 trieben werden. Die so erzeugte Kälteleistung könnte vor Ort oder über ein Kältenetz nahegelegenen Industrie- oder Gewerbebetrieben zur Prozesskühlung oder im Sommer zu Klimatisierungszwecken zur Verfügung gestellt werden. Zur wirtschaftlichen Nutzung sind auch bei dieser Variante eine gesicherte Vorlauftemperatur von > 90 C und eine Jahresvolllaststundenzahl von mindestens 1200 h/a wünschenswert. Optimal wäre jedoch zur Erreichung einer hohen Auslastung eine Kombination von Nahwärmeversorgung im Winter und Speisung eines Kältenetzes im Sommer. Mit steigendem Investitionskostenaufwand werden jedoch auch steigende Ansprüche an die Zuverlässigkeit der Vorhersagen bezüglich Ergiebigkeit und Langzeitverhalten der Erdsonden gestellt, um eine Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten. Umfangreiche Voruntersuchungen bereits in der Planungsphase wären daher Voraussetzung zur Definition möglicher Konzepte Verteilnetze für Wärme und Kälte Die aus stationären Haldenschwelbränden gewinnbare Wärmeenergie kann wie jede andere Form der Heizwärme am einfachsten und wirtschaftlichsten über das Medium Wasser in herkömmlichen Netzen von der Erzeugungsstation zu den Abnehmern transportiert werden. Da es sich bei den Erdsonden im Haldenkörper um geschlossene Systeme ohne Stoffaustausch mit dem Untergrund oder dem Grundwasser handelt, können die im Bereich Fern- bzw. Nahwärme (Nahwärme wg. der eher geringeren Netzgröße und Entfernungen) bewährten Technologien, Produkte und Materialien ohne weitere Anpassung eingesetzt werden. Auch die Temperaturen sind denen normaler Nahwärmenetze vergleichbar, falls nicht bei Vorliegen heißerer Brandbereiche auch Temperaturen von >100 C zu passenden Sonderabnehmern transportiert werden sollen. Als kostengünstige Variante kommen für den Wassertransport z.b. Kunststoffmantelrohre mit metallenen Medienrohren oder vorisolierte Voll-Kunststoffleitungen (Abbildung 6) in Frage. Kunststoffverbundmantelrohre (KMR) waren in der Vergangenheit die am häufigsten eingesetzten Fernwärmeleitungen beim Neubau [DOE 98]. Aufgrund ihrer hohen Druckund Temperaturbeständigkeit können sie in jedem Nahwärmenetz eingesetzt werden. Da es sich um ein nicht selbstkompensierendes Rohrsystem handelt, treten Spannungen und Dehnungen auf, die eine aufwendige Rohrnetzstatik und ggf. Kompensationsmaßnahmen notwendig machen. Zur Verbindung der Rohrstangen (Schweißen, Muffenmontage) sowie zur Verlegung und Einrichtung müssen fachlich versierte Unternehmen eingeschaltet werden. Dem günstigen Materialpreis stehen aufwendige Verlegemaßnahmen gegenüber. Die langjährigen Erfahrung mit diesem System haben -abweichend von der Standard- Tiefbautechnik - viele innovative Ansätze hervorgebracht, die zur Kostenreduktion (Doppelrohr, Pipelineverlegung, Übereinanderverlegung, Stabilisierte Sandmischung etc.) beitragen und preiswerte Möglichkeiten zur Netzerweiterung während des Betriebs (Anbohrtechnik) eröffnen. 13

22 Flexible Kunststoffmediumrohre (PMR) sind im Gegensatz zu den flexiblen Metallmediumrohren (MMR) preiswerter, leichter und einfacher zu biegen (kleinere Radien). Aufgrund dieser Vorteile werden Kunststoffmediumrohre den Metallmediumrohren vorgezogen, sofern die niedrigere Druck- und Temperaturbeständigkeit ausreicht. Gegenüber dem KMR von Vorteil ist die variable, einfache Trassenführung, so dass der Rohrverlauf den lokalen Gegebenheiten (Fremdleitungen, Topographie) angepasst werden kann (Abbildung 7) und auch für größere Entfernungen zu den nächsten Verbrauchern geeignet ist. Die Anforderungen an den Tiefbau und die Verlegung sind gering, so dass sich diese Rohre schnell und kostengünstig verlegen lassen. Da flexible Kunststoffmediumrohre in fast allen Nennweiten auch als Rollen angeboten werden, reduziert sich die Anzahl der erdverlegten Verbindungen auf das Notwendige (T-Stücke etc.). Von Nachteil gegenüber dem KMR ist der höhere Preis für Rohre und Formstücke, der für größere Rohre überproportional ansteigt. Die niedrigeren Verlegekosten kompensieren erfahrungsgemäß bei Rohrleitungen bis etwas DN 65 den höheren Materialpreis. Abbildung 6: Vorisolierte, flexible Voll-Kunststoff- Zweirohrleitung für Heizwassernetze (Quelle: Thermaflex Isolierprodukte GmbH) Abbildung 7: Verlegung von Flex-Rohren im Graben (Quelle: BBV Weißig GmbH) Flexible Kunststoffmediumrohre lassen sich aufgrund der Nennweiten (bis DN 110) und der Einsatzgrenzen (95 C, 6 bar) als Hausanschlussleitung, aber auch als Verteilleitung in Nahwärmenetzen mit niedrigen Netztemperaturen nutzen. Hierbei muss beachtet werden, dass ein nachträglicher Anschluss an das im Betrieb befindliche Netz möglich, aber aufwendig ist. Ein Anbohren wie beim KMR ist nicht möglich; man muss sich mit dem Einfrieren bzw. Abquetschen der Leitung behelfen. An Varianten und Produkten zur Wärmeverteilung auf Verbraucherebene oder zur Ankopplung an bestehende Netze stehen die üblichen Systeme aus dem Bereich der Nah- 14

23 wärme- und Heizungstechnik zur Verfügung, auch für Aufbau und Betrieb eines Kälteversorgungsnetzes. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit muss daher für weiterführende Informationen auf den bekannten Stand der Technik verwiesen werden. 4 Standortsuche 4.1 Kriterienliste Unter dem Aspekt der technisch/wirtschaftlichen Energienutzung wurden folgende Anforderungen an einen Standort formuliert, die allerdings im hier vorliegenden Rahmen für die praktischen Versuche im kleinen Maßstab nicht notwendigerweise alle erfüllt sein müssen: Allgemein: Haldenuntergrund an Warmstellen möglichst kompakt, feucht und gut wärmeleitend, um eine möglichst hohe Effektivleistung aus den Geothermiebohrungen erzielen zu können. Befahrbarkeit mit LKW möglich, sowohl für Anlage der Bohrungen als auch für Lieferung und Aufstellung der Messeinrichtungen als Container-Anlagen Art der Nutzung: Stromerzeugung mit ORC-Prozeß (Organic Rankine Cycle) auskoppelbare Wärmeleistung > 4 MW, um el. Leistung von > 1 MW erreichen zu können (für Versuchsanlage auch kleiner möglich) Temperatur des Wärmeträgermediums dauerhaft (d.h. für > 10 Jahre) > 100 C (Vorlauf) Temperaturdifferenz des Wärmeträgers Vorlauf/Rücklauf <20 K Distanz Geothermiebohrungen zur ORC Anlage < 100 m Aufstellfläche für 1-2 Container vorhanden Entfernung zur nächsten Einspeisemöglichkeit (EVU-Netz mit 400 V) < 500 m Wärmeeinspeiung in Nahwärmenetz auskoppelbare Wärmeleistung > 100 kw. Temperatur des Wärmeträgermediums dauerhaft (d.h. für mindestens 10 Jahre) > 90 C (Vorlauf) Aufstellfläche für Container vorhanden 15

24 ausreichend Wärmeabnehmer oder Wärmeverteilnetz vorhanden Distanz Geothermiebohrungen / Wämeabnehmer bzw. zu Einspeisemöglichkeit < 500 m möglichst gleichmäßige Wärmeabnahme im Wärmeverteilnetz (d.h. Volllastbenutzungsstundenzahl > 1200 h/a) Kälteerzeugung zur Einspeisung in Kältenetz auskoppelbare Wärmeleistung zum Betrieb einer thermisch angetriebenen Kältemaschine > 500 kw. Temperatur des Wärmeträgermediums dauerhaft (d.h. für mindestens 10 Jahre) > 90 C (Vorlauf) Aufstellfläche für Container vorhanden Distanz Geothermiebohrungen/ Kälteabnehmer bzw. zu Einspeisemöglichkeit < 500 m ausreichend Kälteverbraucher oder Kältenetz vorhanden (Kältebedarf bei Temperaturen von 6 C) möglichst gleichmäßige Kälteabnahme im Kältenetz (d.h. Volllastbenutzungsstundenzahl > 2000 h/a) Die wie geschildert schwierige Standortsuche erbrachte zwar keine Möglichkeit in der Nähe der beteiligten RWTH Institute im Raum Aachen, führte aber letztlich doch zu einer vorteilhaften Lösung, da ein Standort in der Nähe des Projektpartners Fraunhofer UMSICHT gefunden wurde. 4.2 Eigenschaften der untersuchten Bergehalde Die im Rahmen des Projekts betrachtete Bergehalde liegt im westlichen Ruhrgebiet, ihre Schüttung wurde 1935 begonnen. Die letzte Beschickung fand im Juli 1984 statt. Die Schüttungsgeschichte verlief sehr inhomogen. So wurde bis 1943 ausschließlich Bergematerial in Form einer Spitzkegelhalde abgelagert. Schon damals wurden erste Schwelbrände verzeichnet, so dass das Bergamt verfügte, dass unbrennbarer Hüttenschutt (Mischungsverhältnis 50:50) beigemischt werden musste. Neuere Untersuchungen zeigen, dass die abgelagerten Abfälle zu etwa 64% aus Bergematerial und zu 24% aus Hüttenschutt bestehen. Zusätzlich wurden Schlämme, Bauschutt, Kesselasche, Sodaschlacke, LD-Schlacke, Boden, Filterstäube und Flugasche abgelagert. Weiterhin hat sich die betrachtete Halde während der Schüttungshistorie zu einer Tafelhalde hin entwickelt. Sie weist heute eine Gesamtfläche von 42,7 ha und eine Höhe von 45 m auf. Das Gesamtvolumen beträgt ca. 14,85 Mio. m³. Die Halde steht bis zum heutigen Zeitpunkt auf Grund der vorhandenen Schwelbrände unter der Aufsicht des Bergamts und unterliegt somit ständigen Kontrollen [KUE 11], siehe Abbildung 8. 16

25 Vorteilhaft für die Durchführung der Feldversuche war, dass die Halde nicht für die Öffentlichkeit zugänglich, sondern vollständig eingezäunt und die Zufahrt mit einer Schranke gesichert ist. Die Betriebseinrichtungen des heutigen Haldenbetreibers liegen unmittelbar am Fuß der Halde, da eine benachbarte, jüngere Halde noch beschickt wird. Die Halde wird zusätzlich außerhalb der normalen Betriebszeiten durch einen Wachdienst kontrolliert. Leider wurden die Versuchseinrichtungen trotz der genannten Maßnahmen während der laufenden Messungen zweimal durch Vandalismus und Diebstähle geschädigt. Der ausgesuchte konkrete Standort im Dreieck Duisburg/Dinslaken/Oberhausen zeichnet sich auch durch eine geringe Entfernung Nähe zu Wohn- und Gewerbegebieten aus, wo im Erfolgsfall, d.h. bei ausreichender Ergiebigkeit der Bohrungen, ein aussichtsreiches Abnehmerpotential zu erwarten wäre. Abbildung 8: Haldenstandort mit bekannten Warmbereichen 4.3 Auswahl des Anlagenstandortes Zur Überwachung der Warm- bzw. Brandbereiche auf der betrachteten Halde ist seit langer Zeit eine Vielzahl von Messpegeln auf dem Plateau sowie in den Böschungen installiert. Die Pegel bestehen aus verzinkten 2 Stahlrohen und weisen überwiegend eine 17

26 maximale Tiefe von 10 m auf. Sie überwachen im Wesentlichen die bekannten Warmbereiche WB1 bis WB6 (siehe Abbildung 8). Vor Beginn der Untersuchungen im Rahmen des Projektes galten die im Warmbereich 6 gemessenen Temperaturen von bis 140 C als die höchsten des Haldenkörpers. Die anderen Warmbereiche weisen deutlich niedrigere Temperaturen auf, oder hätten keine ausreichende Zugänglichkeit für Bohrfahrzeuge oder die Versuchsaufbauten geboten. Aus diesem Grund wurde für die Installation der Erdwärmesonden und die Durchführung der Feldversuche der Warmbereich 6 ausgewählt. Abbildung 9: Geplanter Standort der Feldexperimente im Warmbereich 6 5 Feldlabor Die praktischen Arbeiten zur Untersuchung der geothermischen Wärmegewinnung aus Bergehalden können in die baulichen Arbeiten an bzw. in der Halde und die technischen Anlagen auf der Halde unterteilt werden. Erstere fanden unter Federführung der RWTH-Institute GIB und TEER statt, letztere unter technischer Leitung von Fraunhofer UMSICHT. Ziel des UMSICHT Arbeitspaketes waren Konzepterstellung, Bau und Betrieb eines Messstandes zur Erfassung der Wärmemenge und Wärmeleistung des lokalen Haldenschwelbrandes. Die Anlage sollte nach Inbetriebnahme und jeweils nur wenige Tage dauernden Vorversuchen auf feste Betriebsparameter (z.b. Wasservolumenstrom, Differenztemperatur, Wärmeentzugsleistung) eingestellt werden und die Betriebswerte über jeweils längere Zeiträume aufzeichnen. Der Betrieb war zunächst für etwa 1 Jahrveranschlagt. Hierbei sollte moderne Messtechnik in Verbindung mit aktuellen Softwareanwendungen, wie z.b. Labview zur Visualisierung und Aufzeichnung der Messwerte und eventuell auch zur Anlagensteuerung zurückgegriffen werden. Die komplette Anordnung sollte während der Langzeitmessungen weitgehend automatisch laufen, über 18

27 Fernzugriff per GPRS/UMTS vom Oberhausener Institut aus erreichbar sein, über alle erforderlichen Sicherheitseinrichtungen verfügen, und bei Störungen, wie z.b. bei Ausfall der Kühlung, Druckabfall in der Sonde oder zu großen Abweichungen der Prozesstemperaturen drahtlos Alarme senden können. Für die Unterbringung der gesamten Messeinrichtungen und deren Schutz vor Umwelteinflüssen und Fremdeinwirkungen wurde ein 20 -Transportcontainer vorgesehen. Datenauswertung (Container mit Messsystem und Rückkühlunit) Leitungssystem zur Wärmeaufnahme (VL/RL) Versuchssonde Haldenkörper Umwälzpumpe Abbildung 10: Konzept für die experimentelle Untersuchung der Bohrlochergiebigkeit der Geothermiesonden 5.1 Erdwärmesonden Um aussagekräftigere Informationen über einen gewissen Bereich des Haldenkörpers zu erlauben und die Gesamtwärmeleistung zu erhöhen, wurde beschlossen, drei Versuchsfelder im Abstand von etwa m anzulegen, jeweils bestehend aus einer Erdwärmesonde ( EWS ) (Abbildung 11) und den umgebenden Temperaturmesspegeln, siehe Abbildung 12. Um Messwerte für die Validierung der von der RWTH parallel erstellten 3- D-Simulation des Untergrundbrandes zu erhalten, wurden die Messpegel nach einem bestimmten Schema im Halbkreis um die Sonden herum angelegt, siehe Abbildung 13. Zur Wärmeauskopplung aus dem Haldenkörper wurde von den Projektpartnern eine koaxiale Erdwärmesonde mit stabilem, metallischem, druckfesten Außenrohr und einem Nenndurchmesser von DN 100 vorgeschlagen. Das Hüllrohr wäre unten mit einer geeigneten Spitze zu verschließen und am oberen Ende mit einem Sondenkopf auszurüsten, der Wasserzu- und Ablauf sowie die gewünschte Messtechnik aufnehmen würde. Ausgehend von gebräuchlichen Sondenbauarten wurden für den geplanten Einsatzfall verschiedene Bauarten entworfen und mit den Partnern diskutiert. Besonders zu beachten war im vorliegenden Fall, dass einige wichtige Randbedingungen wie z.b. tatsächliche Sondenlänge und die max. auftretenden Temperaturen erst im Verlauf der praktischen Arbeiten vor Ort bekannt würden und das Konzept daher flexibel gehalten werden musste. 19

28 kaltes Wasser vom Rückkühler warmes Wasser aus der EWS Flansche Haldenkörper Abbildung 11: Schematischer Aufbau einer EWS Abbildung 12: Lageplan der ESW und des Containers Abbildung 13: Bohrschema der Sonden 1-3 mit zugehörigen Messpegeln blau: bereits vorhandene Messpegel 20

29 5.1.1 Erdsonde - Vorentwurf In Anlehnung an in der oberflächennahen Geothermie übliche Ausführungen wurde zunächst ein Stahl/Kunststoff-Koaxialrohr als preisgünstige und flexible Variante entworfen: In das Hüllrohr aus verzinktem Stahl wird ein Verbund aus zwei PEX-Rohren (Polyethylen, vernetzt) eingeführt und durch mehrere, über die Rohrlänge verteilte Stege im Außenrohr zentriert, siehe Abbildung 14. Das zulaufende kühlere Wasser wird unterhalb des Kopfes von der Seite her in die Sonde geleitet und strömt durch den Ringspalt zwischen Hüll- und Innenrohr abwärts. Es erwärmt sich im Bereich des warmen Horizontes und wird im Innenrohr wieder nach oben geführt. Die Innenrohrkonstruktion besteht aus einem PEX- Rohr DN 50, das in ein weiteres PEX- Rohr DN 65 eingeführt und mit diesem am unteren Ende luftdicht verschweißt wird. Durch die doppelwandige Ausführung und den Luftspalt zwischen den PEX- Rohren ist eine gewisse Wärmedämmung gegeben. Dadurch wird das im Innenrohr aufwärts strömende Warmwasser vom im Ringspalt abwärts fließenden kälteren Wasser thermisch isoliert, um Wärmeverluste im oberen Sondenbereich zu verhindern und damit die Austrittstemperatur möglichst hoch zu halten. Sollten die PEX- Innenrohre den Betriebsbedingungen (bei zu hohe Temperaturen) nicht ausreichend lange standhalten, könnte alternativ eine Doppelrohrkonstruktion aus verzinktem Stahl oder Edelstahl angefertigt werden. Da die Höhenlage der Warmbereiche zunächst nicht bekannt war, könnte die Länge des In-nenrohres durch eine besondere Konstruktion des Sondenkopfes den tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden. Das äußere Metall-Hüllrohr besitzt daher am oberen Kopf einen Anschweißflansch und wird mit einem Flanschdeckel verschlossen. Das Innenrohr wird in der Mitte des Deckels nach außen geführt und zum Deckelflansch mit einer Überwurfhülse mit innen liegender Stopfbuchspackung abgedichtet. Wenn das PEX-Innenrohr wie üblich als Rolle angeliefert würde, könnte es in beliebiger Länge von oben eingebracht und anschließend eingedichtet werden. Durch die Stopfbuchdichtung wären eine Längenanpassung und eine vertikale Verschiebbarkeit des Innenrohres möglich. Einschränkend wäre allerdings die bei Temperaturen über C stark abnehmende Festigkeit des PEX-Kunststoffes. 21

30 Innenrohr DN 25 Press fitting Steg 1" Muffe Hüllrohr DN 100 Innenrohre Bohrloch Bohrlochzement Abbildung 14: Koaxiale Erdwärmesonde, Variante 1, mit PEX-Innenrohr 22

31 5.1.2 Erdsonde umgesetztes Design Unter Berücksichtigung der aus den angelaufenen Bohrarbeiten stammenden Informationen wurde in Abstimmung mit dem Projektteam eine weitere Ausführung der Erdsonden und Sondenköpfe entwickelt, die dann auch praktisch umgesetzt wurde. Aufgrund der mit bis über 400 C sehr hohen gemessenen Temperaturen wurde die Verwendung von Kunststoffen verworfen und eine rein metallische Kupfer/Edelstahl-Ausführung konzipiert. Da auch die Sondenlänge zwischenzeitlich mit einheitlich 25 m feststand, konnte auf eine vertikale Verschiebung des Innenrohres während des Betriebs verzichtet werden. Das vom Bohrunternehmen eingebaute Außenrohr endete oben mit einem DN 100 Standardflansch, weshalb der Sondenkopf speziell dafür als Gegenflansch ausgelegt wurde. Er sollte alle erforderlichen Anschlüsse für Wasser, Sicherheitseinrichtungen und Messaufnehmer bereitstellen und leicht zu montieren und demontieren sein (Abbildung 15 und Abbildung 16). Aus Platzgründen musste die Konstruktion zudem mit möglichst geringer Aufbauhöhe ausgeführt werden. Die drei baugleichen Sondenköpfe wurden dem abgestimmten Entwurf (Abbildung A-78) entsprechend extern gefertigt, montiert und mit allen Anschlüssen versehen (Abbildung 62). Sie erfüllten im Betrieb die gewünschten Funktionen wie erwartet. Abbildung 15: Schema der Anschlüsse und Einrichtungen am EWS-Sondenkopf Große Aufmerksamkeit wurde auch der Frage der Einbringung der Innenrohre von jeweils ca. 24 m Gesamtlänge gewidmet. Da die Verwendung eines großen Kranes auf dem Haldenplateau wegen des schlechten Zugangs und auch aus Kostengründen ausschied, musste das Innenrohr in Segmentbauweise konzipiert und vor Ort von Hand eingebracht werden. Es bot sich an, für die Segmente jeweils handelsübliche 6 m Standardrohre zu verwenden, die von Hand nacheinander verschraubt und in das Außenrohr hinabgelassen werden konnten. Das gesamte Innenrohr wurde zuletzt mit einer Verschraubung am Sondenkopf befestigt, der damit zuverlässig das ganze Gewicht aufnahm. Aufgrund der manuellen Montage musste allerdings auf ein möglichst geringes Gewicht des Innenrohres geachtet werden. Es wurden dünnwandige Installationsrohre aus Kupfer von 22 mm Durchmesser verwendet, die sich einfach und zuverlässig mittels Klemmringverschraubungen verbinden ließen, s. auch Abbildung

32 Abbildung 16: Konzept des Sondenkopfes mit Anschlüssen Die in den Bohrungen und trockenen Sondenrohren gemessenen Temperaturprofile ergaben, dass die Sondentemperaturen nach einer moderaten Zunahme erst ab einer Teufe von 6 bis 10 m stark zu steigen begannen. Um in der oberen Sondenzone einen Wärmeverlust durch Wärmeaustausch zwischen zu- und ablaufendem Wasser zu minimieren, wurde auf den oberen 6 m anstelle des gut Wärme leitenden, einwandigen Kupferrohres ein verschweißtes Edelstahlkoaxialrohr mit isolierendem Luftspalt installiert (Fertigungszeichnung in Abbildung A-79). Das Gesamtgewicht eines Innenrohres betrug ca. 80 kg. 5.2 Bohrarbeiten Aufgrund des bekanntermaßen sehr dichten, inhomogenen und mit Holz, Stahl und Bauschutt durchsetzten Untergrundes kamen für die Anlage der Sonden von den üblichen Methoden nur trockene Bohrverfahren in Frage. Das sonst im oberflächennahen Brunnen- oder Sondenbau auch gebräuchliche Rammen kam wg. der Hindernisse nicht in Betracht und Spülverfahren schieden aus, da der Einsatz von Wasser in der brennenden Halde wg. der befürchteten Explosionsgefahr untersagt war. Auf Basis der aus bisherigen Überwachungsmessungen bekannten Temperaturprofile wurde von den Projektpartnern Aix-o-therm und DMT für die Sonden zunächst eine Teufe von 10 m veranschlagt. Um eine optimale vertikale Erschließung des Brandherdes zu erreichen, sollte die endgültige Sondenlänge allerdings erst während der Bohrarbeiten festgelegt werden, wenn genauere Informationen über das jeweilige lokale Temperaturprofil aus dem Bohrgut abgeleitet werden konnten. 24

33 Abbildung 17: Beginn der Bohrarbeiten auf der Halde im WB 6 Abbildung 18: Ausbringung des mit der Schnecke erbohrten Bohrgutes aus dem heißen Haldenkörper Nach Erstellung eines umfangreichen Lastenheftes für die durchzuführenden Erd- und Bohrarbeiten durch die RWTH- Partner wurde das erforderliche Ausschreibungsverfahren durchgeführt und ein erfahrenes Unternehmen durch die RWTH beauftragt. Die Bohrarbeiten begannen im Januar 2009 im Feld 1 des WB6. Bei Anlage der jeweils ersten Bohrungen (für die Erdsonden) kam ein Bohrverfahren mit Schnecke und Hüllrohr zum Einsatz, das es ermöglichte, das entstehende Bohrgut relativ wenig vermischt an die Oberfläche zu bringen und zur späteren Analyse nach Teufe geordnet ablegen zu können. Außerdem ermöglichte dieses Bohrverfahren eine Temperaturmessung im frisch geförderten Bohrgut. Es zeigte sich dabei, dass die Maximaltemperatur jeweils bei etwa 20 m Teufe auftrat, weshalb die Endteufe der Sonden- und der Messpegelbohrungen auf ca. 25 m festgelegt wurde, um in jedem Fall den heißen Horizont vollständig vertikal erschlossen zu haben. Bei den weiteren Bohrungen wurde auf das Zuordnen des Bohrgutes verzichtet und ein anderer Schneckentyp eingesetzt, der das Bohrgut überwiegend seitlich längs der Bohrung verdrängte (Abbildung 19). Dadurch und durch den robusteren Bohrkopf konnte ein schnellerer Bohrfortschritt erreicht werden. Nach Erreichen der Endteufe einer Pegel- Bohrung wurden das jeweilige Stahlrohr durch die Hohlschnecke eingebaut und die Schneckensegmente anschließend unter Verfüllung des Ringraumes mit Filterkies gezogen. Das untere Enden einer Erdwärmesonde wurde mit einer Kappe verschlossen und verschweißt (Abbildung 20). Anschließend wurden die je 6 m langen 3 Rohrabschnitte segmentweise nacheinander in das leere Hüllrohr hinabgelassen und am Fahrzeugkran hängend verschraubt (Abbildung 21). Da aufgrund der hohen aufgefundenen Tempera- 25

34 turen des Haldenbrandes das Dichten der Muffen mit Hanf oder anderem Material nicht möglich war, wurden die Verbindungen zusätzlich verschweißt, um sie druck- und wasserdicht zu machen (Abbildung 21 und Abbildung 22). Abbildung 19: Fortsetzung der Messpegelbohrungen mit einem alternativen Schneckentyp (Hohlschnecke) Abbildung 20: Mit Kappe verschlossenes unteres Ende einer 3 Erdsonde Abbildung 21: Verschweißen einer Erdsonde aus segmentweise eingebrachten Einzelrohren (je 6 m) Abbildung 22: Gemuffte und geschweißte Verbindung zwischen den Rohrsegmenten 26

35 Nach Fertigstellung eines 25 m langen Sondenrohres wurde das Hüllrohr Segment für Segment gezogen und gleichzeitig der Ringspalt zwischen Sonde und Hüllrohr mit ungleichkörnigem Sandgemisch verfüllt und soweit möglich festgerüttelt (Abbildung 23). Abbildung 23: Verfüllung des Ringspaltes zwischen Erdsonde und Hüllrohr mit Sand Abbildung 24: Betonring um den Sondenkopf als Zugangsschutz Abbildung 25: Vollständige und verschließbare Abdeckung des Sondenkopfes Abbildung 26: Erster Druck- und Dichtigkeitstest mit Luft Als Zugangs- und Wetterschutz wurde je ein Kanalrohrsegment um den Sondenkopf platziert und angeschüttet (Abbildung 24). Der Durchmesser war mit 80 cm so bemessen, dass alle Anschlüsse und Armaturen des Sondenkopfes sowie die zusammengeführten 27

36 Temperaturfühlerleitungen der Pegelrohre Platz fanden. In die Wand wurde eine Öffnung für die Durchführung der Sondenleitungen und Kabelschutzrohre geschnitten. Die schweren Betondeckel erhielten zusätzlich einen anschließbaren Metallbügel, um sie vor unbefugtem Öffnen zu sichern (Abbildung 25). Die Bohrarbeiten wurden nach 3 Monaten im April nach Fertigstellung aller Sonden und mehrmaligen Druck- und Dichtigkeitstests abgeschlossen. 5.3 Dichtigkeitstests Vor dem Hintergrund der geforderten Wasserdichtigkeit der 3 Sonden wurden auch von UMSICHT abgestufte Dichtigkeitsprüfungen mit Druckluft (Abbildung 26) sowie unter Einsatz von Schaum (Abbildung 28) und sogar eine Tracergas-Lecksuche mit Helium durchgeführt (Abbildung 29). Dadurch wurden auch kleinste Fehlstellen im Bereich der unter schwierigen Arbeitsbedingungen angelegten Schweißnähte aufgespürt. Diese wurden zumindest an den oberen, noch zugänglichen Stellen umgehend vom Bohrunternehmen durch Überschweißen oder Auswechseln der betreffenden Abschnitte beseitigt. Abbildung 27: Gemessener Druckabfall und Leckraten der Mantelrohre von EWS 1,2 und 3 Dennoch konnten die Druckverluste nicht unter ein gewisses Niveau gesenkt werden, wie in Abbildung 27 anhand der Ergebnisse der Drucktests mit Luft und der festgestellte Leckraten wiedergegeben. Lt. Tabelle 3 entspricht die z.b. an Sonde 3 gemessene Gasleckrate von mbar*l/s auf Wasser übertragen etwa einem tropfenden Wasserhahn. Angesichts der Sondenlänge von 25 m, der Sandverfüllung des Ringraumes von ca. 2-3 m³ und dem Wasserinhalt eines Sondenrohres von ca. 200 l wurde unter allen 28

37 Beteiligten vereinbart, den erreichten Zustand zunächst einmal zu akzeptieren, um die Arbeiten mit Aufstellung des Feldlabors fortsetzen zu können. Tabelle 3: Leckraten und ihre Erscheinungsformen Abbildung 28: Dichtigkeitstest am Sondenkopf mit Druckluft und Leckspray (Leckagen äußern sich durch Schaumbildung) Abbildung 29: Nachweis und Ortung kleinster Leckagen mit Helium-Tracergas und mobilem Detektor 29

38 5.4 Temperaturmessungen UMSICHT beteiligte sich auch an der Messung der Temperaturen in den drei Sondenrohren und den zugehörigen Pegelrohren. Um in den teilweise bis über 400 C heißen Bereichen mit einer rein metallischen Thermeelementsonde messen zu können, wurde eine eigene Messeinrichtung angefertigt und für zahlreiche Messungen eingesetzt. Abbildung 30 zeigt den Aufbau der Vorrichtung, bestehend aus einem Gestell mit einer Trommel, von der das sehr empfindliche 1mm Mantelthermoelement bei Herunterlassen bis zu 25 m abgewickelt und beim Heraufziehen schonend aufgewickelt werden kann. In der Trommel angeordnet befindet sich ein Multimeter, auf dem die aktuell an der Fühlerspitze herrschende Temperatur abzulesen ist. Für die Auflistung und einfache grafische Darstellung aller während der gesamten Projektlaufzeit gemessenen Temperaturwerte in verschiedenen Diagrammen wurde von UMSICHT ein Excel-Programm mit entsprechenden Scripten erstellt, das der DMT zur Verfügung gestellt wurde (Abbildung 31). Abbildung 30: Vorrichtung zur Temperaturprofilmessung in den Pegelrohren 30

39 Feld 1 aktuell Temperatur [ C] vom DMT 1.2 vom DMT 1.3 vom DMT 1.4 vom DMT 1.5 vom Sonde 1 vom DMT, im Wasser Teufe [m] Abbildung 31: Beispiel aus dem Auswertungs-Programm für Temperaturmessungen (alle Temperaturen eines Feldes, Historie eines Pegels usw.) 5.5 Projektierung und Detailplanung des Feldlabors Folgende Bedingungen wurden nach Abstimmung mit den Projektpartnern bei der Projektierung zu Grunde gelegt: Angenommene max. Sondenlänge 10 m (tatsächlich einzubauende Sondenlänge zunächst unbekannt, da Informationen über Untergrundtemperaturen und Bodenbeschaffenheit sich erst bei den Bohrarbeiten ergeben würden) Angenommene Wärmeleistung max. 500 W/m (tatsächliche Wärmeleistung erst später aus konkretem Versuchsbetrieb zu ermitteln) Unterbringung der hydraulischen und messtechnischen Anlage in 20 Container Wasser als Kreislaufmedium und Wärmeträger Anschluss/Versorgung der drei in die Halde eingebrachten Erdwärmesonden mit jeweils eigener Temperatur- und Durchflussregelung sowie getrennter Wärmebilanzierung Gemeinsames Rückkühlsystem mit Außenluftwärmetauscher Automatischer, unbeaufsichtigter Betrieb über längere Zeiträume 31

40 Des Weiteren wurde nach Vorgaben des dafür zuständigen Projektpartners aix-o-therm eine dem Thermal-Response-Rest (TRT) vergleichbare Messanordnung angestrebt, um eine Auswertung analog zu dem bei konventionellen Erdsonden für Wärmepumpenanwendungen üblichen Test zu ermöglichen. Beim TRT wird eine mittels elektrischer Beheizung erwärmte Flüssigkeit (Wasser oder Sole) durch die frisch installierte Erdsonde zirkuliert, wo sie Wärme an das Erdreich abgibt. Gemessen werden Durchflussmenge und die mit langsamer Aufheizung des Untergrundes ansteigenden Vor- und Rücklauftemperaturen. Die aktuelle Temperaturdifferenz des Wasserkreises (Auskühlung) entspricht der jeweiligen Wärmeaufnahme des Erdreichs. Mittels einer numerischen Simulation können daraus für die vermessene Erdsonde der thermische Bohrlochwiderstand und die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs bestimmt werden Hydraulische und anlagentechnische Auslegung Zur hydraulischen Auslegung der geplanten Wärmeentzugseinrichtung und Dimensionierung der Anlagentechnik wurde ein detailliertes Berechnungsprogramm auf Excel- Basis erstellt (Tabelle A-8 im Anhang). Die folgende Abbildung 32 zeigt das Anlagenschema mit allen relevanten Prozessgrößen sowie die mit dem Auslegungsprogramm ermittelten Kennwerte für einen frei gewählten Betriebspunkt. Im dargestellten R&I-Schema sind die drei Erdsonden skizziert, die jeweils eine eigene Regel- und Messeinheit besitzen, so dass deren Zustand unabhängig von den anderen Sonden eingestellt und gemessen werden kann. Jede Sonde besitzt daher Messaufnehmer für die Vor- und Rücklauftemperatur, einen Durchflussmesser, zwei Regelventile und eine Umwälzpumpe, die vor Witterungseinflüssen und unbefugtem Zugang (Vandalismus) geschützt werden müssen. Die Temperaturmessstellen, Sicherheits-, Durchflussregel- und Rückschlagventile sind im Betonring direkt am Sondenkopf untergebracht; im Feldlabor-Container befinden sich geschützt die empfindlichen Durchflussmesser und die Umwälzpumpen mit dem Mischventil. Im Anlagencontainer installiert sind weiterhin die Einrichtungen der Rückkühlkreises (Umwälzpumpe, Mischventil usw.), Umlaufwasserfilter, Druckhaltung und Wasservorratsbehälter. Der Rückkühler ist fest auf dem Containerdach montiert. 32

41 Abbildung 32: RI-Anlagenschema mit den wichtigsten Auslegungsparametern Aufgrund der erst bei den Bohrarbeiten im Frühjahr 2009 bekannt gewordenen hohen Temperaturen im Bereich zweier Erdsonden musste die Planung und Auslegung hinsichtlich der vorgesehenen Komponenten und Materialien überarbeitet werden. Für die zwischen 15 und ca. 40 m langen Verbindungsleitungen zwischen Feldlabor und den Sonden wurde ein 1 ¼ (DN32) PE-Aluminium Verbundrohr ausgewählt. Dieses bis über 110 C druckfeste, chemisch sehr beständige und wegen seiner Biegsamkeit leicht zu verlegende Kunststoffmaterial ist in der Sanitär-, Installations- und Heizungstechnik mittlerweile weit verbreitet (Abbildung 33). Ein weiterer Vorteil gegenüber einer normalen Schlauchleitung ist, dass die enthaltene Aluminiumschicht eine sehr gute Barriere gegen Sauerstoffdiffusion bildet, wodurch ein Korrosionsangriff in metallischen Heizungssystemen verhindert wird. Die glatte innere Wand des PE-Innenrohres führt zu einem geringen Druckverlust des strömenden Wassers, wodurch kleine, energiesparende 33

42 und robuste Umwälzpumpen für den Sondenwasserumlauf eingesetzt werden können (Kugelmotorpumpe, Fabr. Laing EcocircE4, max. 30 W, Abbildung 34). Abbildung 33: Mehrschicht-Verbundrohr (Quelle: Wikipedia) Abbildung 34: Umwälzpumpe für Sonden- und Kühlerkreis (Quelle: Laing ITT Lowara) Basierend auf den festgelegten bzw. abgeschätzten Prozessgrößen (Temperaturen, Durchflüsse, Wärmeleistungen, Drücke, Leitungsdimensionen, Druckverluste u.a. wurden von UMSICHT Aufstellungen aller benötigten Komponenten angefertigt, in Frage kommende Fabrikate aufgeführt und Angebote eingeholt. Abbildung 35 zeigt beispielhaft die Berechnung der Druckverluste in der mit ca. 38 m sehr langen Sondenanschlussleitung der EWS 1,Tabelle 4 einen Auszug der Messstellen- und Komponentenliste. Abbildung 35: Berechnung des Rohrreibungsverlustes in den Anschlussleitungen (hier: EWS1) 34

43 Bei nahezu allen Teilen (Container, Rohrleitungen, Armaturen, Messtechnik, Behälter usw.) erfolgte die Auswahl in enger Kooperation mit den Projektpartnern von der RWTH Aachen (Lehrgebiet KOBRA, später TEER). Der Einkauf der Teile wurde anschließend über die zentrale Hochschulverwaltung vorgenommen Störfallsicherheit Aufgrund der konkret vorliegenden hohen Temperaturen der Sondenfelder wurde ein noch größeres Gewicht auf den Aspekt der Anlagen- und Betriebssicherheit im unbeaufsichtigten, automatischen Betrieb gelegt. Es wurden mögliche Störfallszenarien untersucht, Störfallkonzepte vorgeschlagen und mit den Projektpartnern diskutiert. Wichtigste Kriterien waren dabei das Verhindern eines Wassereinbruchs in den Haldenkörper sowie der Schutz empfindlicher Anlagentechnik vor zu hohen Temperaturen, im Betrieb, aber vor allem bei Stromausfall. Gegen das Austreten von Wasser im den Untergrund im Falle von Leckagen, aber auch aufgrund von Überdruck in einer Sonde wurde festgelegt, dass sich die Anlage bei Über- oder Unterschreiten bestimmter Druck- oder Temperaturwerte unverzüglich stillsetzen sollte und alle Verbindungsleitungen zu den Sonden zu schließen wären. Letzteres wird über die eingebauten Rückschlagventile in den Zuflussleitungen und die nur aktiv zu betätigenden Ventile mit Pneumatikantrieb im Rücklauf sichergestellt, die entweder gezielt von der Steuerung geschlossen oder bei Stromausfall oder Wegfall der Hilfsenergie von alleine schließen würden. Damit wäre die Gesamtanlage bei plötzlichem oder schleichendem Druckanstieg, Wasserverlust, plötzlichem Stromausfall oder ähnlichen Störungen abgesichert. Die von der Anlage getrennten Sonden würden sich ohne Wärmeabfuhr mehr oder weniger schnell aufheizen. Ein Druckanstieg aufgrund von Dampfbildung wäre in den Sonden nur zu befürchten, wenn sich der Wasserinhalt im oberen Sondenbereich bis über den Siedepunkt erwärmen würde. Dies könnte unter dem geplanten geringen Betriebsüberdruck von 0,5 bar an der Oberfläche erst ab 110 C auftreten, in 10 m Tiefe erst über 128 C und im heißesten Horizont bei m Tiefe erst oberhalb von 135 C. Im Falle einer Dampfbildung am Sondenkopf könnte eventuell auftretender Überdruck über das Sicherheitsventil nach außen entlastet werden, wodurch ein zu hoher Druck am Sondenfuß verhindert würde, wo in 25 m Tiefe bereits im Normalzustand 3 bar (ü) vorliegen. Im Vorfeld wurde in einfachen Simulationsrechnungen festgestellt, dass selbst unter Annahme hoher Sondenwärmeleistungen ein Sieden mit Dampfbildung frühestens 2 Stunden nach Ausfall der Kühlung eintreten könnte und somit ausreichend Zeit für die Einleitung von Gegenmaßnahmen durch ein Bereitschaftsteam gegeben wäre. Falls es nicht gelänge, die Kühlung durch Wasserumwälzung wieder in Betrieb zu nehmen, könnte eine Notkühlung durch Einleitung kalten Frischwassers aus den Vorratstanks über lange Zeit Entlastung schaffen. 35

44 5.5.3 Messdatenerfassung und Anlagensteuerung Für die Erfassung aller relevanten Betriebsgrößen der Anlagen werden Temperaturfühler (Thermoelemente), Druckaufnehmer (2-Leiter, kapazitiv) und Durchflussmesser (magnetisch induktiv) sowie eine Windmessstation eingesetzt, wie Tabelle 4 in Auszügen zeigt. Von UMSICHT wurden verschiedene Varianten für die Steuerung und Überwachung der Anlage unter Berücksichtigung der gemessenen Größen ausgearbeitet und mit den Projektpartnern diskutiert. Gemeinsam wurde unter Berücksichtigung von Aufwand, Nutzen und Kosten entschieden, zwei getrennte Systeme für die Anlagensteuerung und die Datenerfassung einschließlich Fernübertragung zu wählen und nicht beides in einem dann erheblich komplexeren System zusammenzufassen. Ausgewählt wurde letztlich eine Kombination zweier unterschiedlicher Systeme (Abbildung 36 und Abbildung 37): eine Klein- bzw. Kompakt-SPS (Typ EASY von Moeller/Eaton) war zuständig für Steuerung der Anlage, Regelung der Stoffströme, Temperaturen und Leistungen, Betriebs-, Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen. Die Steuerung ermöglichte einen autarken Betrieb unter Einhaltung der eingestellten Betriebsgrößen. Die drei Erdsonden konnten dabei unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Betriebsgrößen und Regelungsmodi betrieben werden, während der Kühlkreis für alle Sonden eine konstante Kühlwassertemperatur bereitstellte. Eingeschlossen waren auch Überwachungsfunktionen gegen Über- und Unterdruck, Wassermangel und eine Kopplung mit dem Datenlogger (mangels Schnittstelle für die direkte Kommunikation nur über Ein- und Ausgänge) ein kompakter Datenlogger (Typ TopMessage, Delphin Technologies) übernahm die Registrierung und Aufzeichnung aller relevanten Prozessgrößen (Temperaturen, Durchflüsse, Windstärke, Betriebszustände u.a.). Die elektrischen Signale der einzelnen Messaufnehmer wurden vor Ort erfasst, umgerechnet und gespeichert. Ein Fernzugriff über ein GPRS Modem erlaubte von einem externen Rechner eine Kommunikation mit dem Datenlogger über das Mobilfunknetz zum Anzeigen des aktuellen Betriebszustandes und zum Auslesen der Messwerte. Von großem Vorteil war auch die Möglichkeit, durch die Kommunikation mit dem Logger auch in umgekehrter Richtung auf die Funktionen der Anlage einwirken zu können (Verändern von Sollwerten und Reglerparametern, direktes Schalten von Aggregaten über die Relaisausgänge). Im Datenlogger wurden noch weitere virtuelle Kanäle angelegt, die z.b. die abgegebene Wärmeleistung der Sonden berechnen, andere Kanäle auf die Einhaltung von Grenzwerten überwachen und über sog. Ereigniskanäle auch Alarmmeldungen über das Mobilfunknetz auf ein Mobiltelefon absetzen konnten. 36

45 Abbildung 36: Datenlogger Delphin TopMessage (oben) und Moeller EASY SPS Module (unten) Zum Prüfen des aktuellen Betriebszustandes und zum Auslesen der Daten wurde von einem mobilen PC unter Nutzung der zugehörigen Produktsoftware eine Verbindung zum Datenlogger über das D2 Mobilfunknetz aufgebaut. Auf der anrufenden Seite wurde dabei ein Mobiltelefon genutzt, das über eine Infrarotschnittstelle mit dem PC im Datentransfermodus verbunden wurde. Nach erfolgter Synchronisation wurde eine Übersicht über die Messkanäle des Loggers angezeigt (Abbildung A-80). Aus dem Ringspeicher konnten alle gespeicherten Messdaten im ASCII-Format ausgelesen werden. Der Bearbeitungsmodus erlaubte einen Zugriff auf die vollständige Programmierung des Loggers und damit jederzeit eine Anpassung der Konfiguration. 37

46 Abbildung 37: Reduziertes MSR-Schema des Feldlabors Tabelle 4: Auszug aus der Messstellen- und Komponentenliste 38

47 Die SPS-Anlagensteuerung konnte nur vor Ort beeinflusst und verändert werden, während der Datenlogger jederzeit über das Mobilfunknetz von außen erreicht werden konnte, um die aktuellen Betriebsgrößen einzusehen und gespeicherte Messdaten abzurufen. Über die Kopplung zur EASY-Steuerung ist z.b. war auch eine An- und Abschalten einzelner Sonden oder der Gesamtanlage aus der Ferne möglich. Zur Beschreibung der Anforderungen an die Messdatenerfassung und die SPS verdeutlicht das MSR-Schema (Abbildung 37) die relevanten Funktionen übersichtlich in einer reduzierten Form. Es sind nun nur noch die relevanten Stoffströme sowie die relevanten Sensoren und Komponenten abgebildet. Eingestellt werden die Betriebsgrößen des Feldlabors nur über 7 elektrisch verstellbare Regelventile. Die SPS regelt die Ventilstellungen der Ventile durch analoge Stellsignale, entweder automatisch nach vorgegebenen Algorithmen oder nur statisch per Handeinstellung mit Hilfe von im Schaltschrank eingebauten Potentiometern. Analoge Temperatur- und Durchflussmesswerte kommen aus der Anlage. Ferner kann die Stromzufuhr aller Pumpen und Ventile durch digitale Signale ein- und ausgeschaltet werden Abbildung 38: Reduziertes R+I-Schema des Geothermie-Feldlabors Um allen Beteiligten während der Feldexperimente eine Bedienung der Anlagen mit Anund Abschalten und Parametereinstellungen zu erleichtern, wurde zunächst ein Ablaufschema mit den wichtigsten Bedienfunktionen erstellt (Abbildung 39). 39

48 Abbildung 39: Auszug aus Ablaufplan der Anlagensteuerung Die Programmierung der SPS-Steuerung erfolgte bei UMSICHT, unter Verwendung eines eigens angefertigten Ein-, Ausgabe- und Simulationsaufbaus (Abbildung 40). Getestet wurde das System bei UMSICHT mit den Original-Komponenten (Abbildung 41) und simulierten Eingangssignalen, beim Schaltschrankhersteller nach erfolgtem Einbau der SPS sowie auf der Halde nach Herstellung aller Anschlüsse. 40

49 Abbildung 40: Aufbau für Programmierung und Test der EASY-SPS Abbildung 41: EASY-Kompakt-SPS mit Ein-/Ausgabemodulen während der Programmerstellung bei Fraunhofer UMSICHT Basierend auf dem von UMSICHT in Abstimmung mit den Projektpartnern festgelegten Anlagenkonzept wurde ein Hersteller mit der Erstellung und Lieferung des Schaltschrankes von der RWTH beauftragt. Die von diesem erstellten Fertigungs- und Verdrahtungsunterlagen wurden von UMSICHT mehrfach geprüft und überarbeitet. Auch bei Zwischenabnahme, Anlieferung am Feldlabor und den Anschlussarbeiten vor Ort war UMSICHT maßgeblich beteiligt. 41

50 Abbildung 42: Vorderansicht des komplett montierten Schaltschranks Abbildung 43: Detaildarstellung des Schaltschrank- Bedienfeldes Regelung Eine Anforderung an die Regelung des Geothermie-Feldlabors ist, dass die Anlage für jeden einzelnen EWS-Kreislauf fünf verschiedene Regelungsmodi beherrschen muss, um die Effekte verschiedener Arten der Wärmeentnahme aus dem Haldenkörper untersuchen zu können. Diese Modi können im R&I-Schema nicht befriedigend dargestellt werden und werden nachfolgend erläutert. Tabelle 5 zeigt die Regelkreise eines EWS-Kreislaufes des Geothermie-Versuchsstandes. An der Regelung eines EWS-Kreislaufes sind immer zwei Stellglieder (das Durchflussregelventil und das Zulauftemperatur-Mischventil) und dementsprechend zwei Regler beteiligt. Je nach Regelungsmodus variieren die Führungs- und dementsprechend auch die Regelgrößen sowie die Stellglieder der Regelkreise. 42

51 Abbildung 44: Blockschaltbild eines EWS-Kreislauf-Regelkreises Die Regelungsmodi sind im Folgenden am Beispiel des EWS-Kreislaufes 1 dargestellt und gelten analog für die EWS-Kreisläufe 2 und 3 mit den Indizes 2, 20 und 23 bzw. 3, 30 und 33. Tabelle 5: Regelgrößen und Stellglieder der fünf Regelungsmodi Durchfluss FRC 10 VR13 VR13 VR13 Temperatur RL TC 10 VR10 VR10 Temperatur VL Regelgrößen Regelungsmodi / Stellglieder TC 13 VR10 VR13 Wärmestrom 10 VR10 VR10 Temperaturdifferenz ΔT1 VR13 analog für Indizes 2, 20 und 23 bzw. 3, 30 und 33 Q. Ein Beispiel zur Erläuterung der Tabelle 5: Im Regelungsmodus 1 ist der Durchfluss an FRC 10 die Regelgröße für das Stellglied VR13 / VL-Temperatur an TC 13 ist die Regelgröße zu Stellglied VR10. 43

52 Die Regelungsmodi 4 und 5 arbeiten mit den abhängigen Istwerten ΔT1 und 10, wobei ΔT1 die Temperaturdifferenz der VL- und RL-Temperaturen und 10 der entzogene Wärmestrom ist. Die Funktionen der in den folgenden Abbildungen stellvertretend verwendeten Verarbeitungsblöcke ΔT1 und 10 lauten wie folgt [VDI 06]: y( T) = y(tc13) y(tc10 ). y( Q10 ) = y( T1) y(frc10 ) c pw ρ W (1) (2) Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge werden die Regelungsmodi in den folgenden Abbildungen als Ausschnitt des R&I-Schemas dargestellt und im Detail erläutert: In Regelungsmodus 1 (Abbildung 45) wird die Ventilstellung des Ventils VR13 abhängig vom Durchflusswert der Messstelle FRC 10 geregelt und die Stellung des Ventils VR10 abhängig von der VL-Temperatur der Messstelle TC 13. TC 10 VR10 FRC 10 VR13 TC 13 Abbildung 45: Regelungsmodus 1 Abbildung 46: Regelungsmodus 2 In Regelungsmodus 2 (Abbildung 46) wird die Stellung des Ventils VR10 abhängig von der von TC10 gemessenen RL-Temperatur geregelt und die Stellung des Ventils VR13 durch die von TC13 gemessene VL-Temperatur. In Regelungsmodus 3 (Abbildung 47) wird de Stellung des Ventils VR10 abhängig von der von TC 10 gemessenen RL-Temperatur geregelt und die Stellung des Ventils VR13 durch den von FRC 10 gemessenen Durchfluss. 44

53 TC 10 VR10 ΔT1 Q. 10 FRC 10 VR13 TC 13 Abbildung 47: Regelungsmodus 3 Abbildung 48: Regelungsmodus 4 In Regelungsmodus 4 (Abbildung 48) wird die Stellung des Ventils VR13 abhängig von dem von FRC 10 gemessenen Durchfluss geregelt und die Stellung des Ventils VR10 durch den Wärmestrom 10. In Regelungsmodus 5 (Abbildung 49) wird die Stellung des Ventils VR13 abhängig von der Temperaturdifferenz ΔT1 geregelt und die Stellung des Ventils VR10 abhängig vom Wärmestrom 10. ΔT1 Q. 10 Abbildung 49: Regelungsmodus 5 Der Kühlkreislauf besitzt keine besonderen Regelungsmodi. Die Stellung des Ventils VR43 wird immer nach Abbildung 50 und Abbildung 51 durch die an TC 43 gemessene Temperatur geregelt. Im laufenden Versuchsbetrieb werden die Führungsgrößen aller Regelkreise fest vorgegeben, während eine Beeinflussung des Betriebes durch Temperaturschwankungen im Haldenkörper, beispielsweise durch vom Wind zusätzlich eingetragenen Luftsauerstoff, vermutet werden kann. Das bedeutet, dass die verwendeten Regler ein möglichst gutes Störverhalten aufweisen müssen. Grundsätzlich kann das Verhalten von Reglern durch die Kombination dreier Regler- Anteile variiert werden: dem P-, dem I- und dem D-Anteil. Bei einem angelegten 45

54 sprunghaften Test-Eingangssignal mit konstantem, positivem Wert erzeugt der P-Anteil eine Sprungantwort am Reglerausgang, deren Wert proportional zu dem des Eingangssignals ist, der I-Anteil erzeugt eine lineare, stetig steigende Sprungantwort und der D- Anteil einen Impuls nach den in Abbildung 52 angegebenen Funktionen. Abbildung 50: Blockschaltbild des Kühlkreislauf-Regelkreises Abbildung 51: Regelung des Kühlkreislaufes Die Auswahl der Regler, d. h. die Zusammensetzung aus P-, I- und D-Anteil erfolgte zunächst auch ohne genaue Kenntnis der Regelstreckendynamik gem. Tabelle 6 nach den beschriebenen Aufgaben. Im späteren praktischen Betrieb wurden die jeweiligen Größen der drei Anteile für jede Sonde empirisch ermittelt und so eingestellt, dass die gewünschte Konstanz der Betriebsgrößen erreicht wurde. Eine besondere Herausforderung bestand dabei in der sehr langen Tot- und Reaktionszeit der Sondenvorlauftemperatur nach Veränderungen von Durchflussmenge oder Zulauftemperatur. Diese ergab sich aus der geringen Fließgeschwindigkeit in den Sondenanschlussleitungen und der noch wesentlich geringeren Fließgeschwindigkeit im Ringraum der 25m tiefen Sonden. Mit der Zeit wurden jedoch Erfahrungswerte für zulässige Zeitgradienten bei Parameteränderungen erarbeitet, bei denen sich die Betriebsgrößen ohne großes Überschwingen oder Dauerschwingungen auf neue Werte einstellen ließen. Da die gezielte Veränderung von Betriebsgrößen schrittweise in kleinen Stufen erfolgen musste, wurde die Aufgabenteilung zwischen SPS und Logger dahingehend geändert, dass der Logger direkt die Ansteuerung der Zulauftemperatur-Mischventile übernahm. Mittels der in der Loggersoftware vorhandenen Bausteine ließ sich damit die sehr hilfrei- 46

55 Thermische Nutzung von Haldenschwelbränden / Teilvorhaben Technische Beratung che Möglichkeit nutzen, die Sollwertverstellungen per Fernzugriff über das Mobilfunknetz vorzunehmen. Da somit auf einen Besuch vor Ort verzichtet werden konnte, erwies sich dies vor allem bei den zahlreichen TRT-Untersuchungen als nützlich, die bei den Sonden über mehrere Monate jeweils reihum im Wechsel mit veränderten Leistungen durchgeführt wurden. Da die Durchflüsse lediglich auf einmal eingestellten Werten konstant zu halten waren, blieb die entsprechende Regelfunktion bei der SPS. Ein An- und Abschalten einzelner Kreise erfolgte jedoch über den Logger per Fernzugriff. y(t) = K p * e(t) y(t) = Kp Tn t e(t) dt 0. y(t) = Kp * Tv * e(t) Abbildung 52: Sprungantworten von P-, I- und D-Gliedern Tabelle 6: Reglerauswahl nach gegebenen Regelgrößen [LIE 04] 47

56 5.6 Aufbau und Inbetriebnahme des Feldlabors Nach Abzug des Bohrgerätes und endgültiger Fertigstellung der Sonden wurde die stark beanspruchte und aufgebrochene Haldenoberfläche in den betroffenen Bereich wieder geglättet und zusätzlich vom Haldenbetreiber für den Feldlaborcontainer ein Schotterbett als Unterlage aufgeschüttet. Der als ehemaliger Frachtbehälter gebraucht erworbene 20 Fuß-Container wurde per LKW mit eigenem Bordkran angeliefert und ohne Probleme aufgestellt. Aus Kostengründen war auf einen neuen Anstrich verzichtet worden (Abbildung 53). Abbildung 53: Anlagencontainer der Wärmeentzugseinrichtung auf der Halde Für die Vorfertigung der hydraulischen Ausrüstung in einer Werkstatt der RWTH wurde von UMSICHT und dem Projektpartner TEER ein Aufbauentwurf für die kompakte, montagefreundlichen und strömungstechnisch günstige Anordnung der benötigten Komponenten entwickelt. Nach diesen Vorgaben wurde die Versorgungsgruppe mit je 3 Pumpen, Regelventilen, Durchflussmessern, Thermometern, Temperatursensoren, Druckanzeigen, Entlüftern und Absperrventilen auf einem Gestell montiert und als vollständige Einheit zum Standort geliefert (Abbildung 54). Ebenso erfolgte die Anlieferung des Schaltschrankes, des Rückkühlers und der beiden 1m³ IBC-Wasserbehälter. Im Anlagencontainer wurde anschließend von UMSICHT der ebenfalls in Modulen vorgefertigte Kühlerkreis mit weiteren heizungstechnischen Komponenten installiert (Abbildung 55). Nach Befestigung des Rückkühlers auf dem Dach wurde um diesen ein Schutzkäfig gegen unbefugten Eingriff gefertigt, der gleichzeitig wegen der am Rand des Haldenplateaus sehr exponierten Lage als Blitzschutz dient. Er besteht aus einem stabilen Rahmengestell mit Drahtgitterfüllung und ist mit einer abschließbaren Frontöffnung versehen (Abbildung 56). Nach dem gleichen Prinzip werden auch die Messaufnehmer für 48

57 Windgeschwindigkeit und Windrichtung mit einem Gitterkäfig gegen Zugriff und Blitzeinschlag geschützt (Abbildung 57). Abbildung 54: Vorgefertigte Sondenpumpengruppe mit Anschlüssen Abbildung 55: Systemkomponenten des Feldlabors während der Montagephase Blick auf die Sondenpumpengruppe (Hintergrund), den Kühlkreis mit Partikelfilter (Mitte), den Schaltschrank (rechts) und einen der beiden Vorratstanks für Nachspeisewasser (links). 49

58 Später wurden die Kühlwasserschläuche, die Sensorkabel, Ventilsteuerungen sowie die Stromversorgungen der Pumpen verlegt und die in den Container hinein geführten Sondenleitungen angeschlossen. Die Verlegung der Anschlussleitungen zu den drei Sonden und der Leerrohre für die Temperaturfühler und Steuerleitungen wurde gemeinsam von allen Projektpartnern durchgeführt, siehe Abbildung 58. Die Vorlauf- und Rücklaufleitungen wurden mit einer 25mm Standardwärmedämmung versehen und gemeinsam mit jeweils drei Kabelschutzrohren in vorbereitete, etwa 30 cm tiefe Gräben gelegt und wieder überdeckt. Abbildung 56: Trockenkühler zur Wärmeabfuhr an die Umgebung Abbildung 57: Windmessstation mit Schutzgitter 50

59 Abbildung 58: Verlegung der Sondenanschlussleitungen zum 35 m entfernten Feld 1 Um die Anlage wegen der fortschreitenden Zeit möglichst bald in Betrieb setzen zu können, wurde vereinbart, zunächst das mit Temperaturen von C als unkritisch eingestufte Sondenfeld 1 fertig zu stellen, anzuschließen und Anlagen- und Reglerfunktionen unter realen Betriebsbedingungen zu testen. So konnten auch der Sondenkopf mit seinen Anschlüssen sowie die Einbringung der Sonden-Innenrohre zunächst an einem Fall konkret erprobt werden, bevor die Sondenfelder 2 und 3 in Angriff genommen wurden. Abbildung 59: Einbringung der Innenrohre aus Kupfer Abbildung 60: Einbringung des oberen Rohrabschnittes (Doppelmantel-Edelstahlrohr) 51

60 Abbildung 61: Montage des Innenrohres unter dem Sondendeckel-Flansch Abbildung 62: Sondenkopf mit vollständiger Bestückung und Anschlüssen Die Einbringung des Sondenrohres und die Montage unter dem Sondenkopf-Flansch verliefen problemlos, ebenso das Anschließen der Ventile, Schläuche, Steuer- und Pneumatikleitungen. Wegen der geringeren lichten Höhe des Betonringes um Sonde 3 wurde der entsprechende Sondenkopf etwas modifiziert und vom Hersteller mit weiter reduzierter Aufbauhöhe geliefert. Die Inbetriebnahme der Anlage mit angeschlossener Sonde 1 erfolgte im September Erste Betriebsdaten der Sonde EWS1 zeigt Abbildung 63. Aus den RL- und VL- Temperaturen sowie dem Durchfluss der Sonde 1 wurde eine Wärmeentzugsleistung von anfänglich ca. 7 kw ermittelt. Da sich durch den Wärmeentzug eine Abkühlung der EWS 1 und des umgebenden Haldenkörpers einstellt, wurde ein stetiges Absinken der Leistung über mehrere Tage bis auf 2 kw beobachtet. Ein stationärer Betriebszustand ist damit aber noch nicht erreicht, da noch weitere Betriebsmodi der Steuerung getestet werden müssen. 52

61 Haldengeothermie / Feldversuch Halde TKS Temperaturen [ C] Druck [mbar] / Durchfluss [l/h] : : : : : : : : : : : : :00 0 Zeit TR10 EWS 1 ein TR13 EWS 1 aus TR40 Kühler ein TR43 Kühler aus TR50 Luft aussen TR51 Luft warm TR101 TR102 FRC10 PR43 Abbildung 63: Erste Messdaten nach Beginn des Wärmeentzugs aus Sonde 1 Die vom Datenlogger über die Funk- bzw. LAN-Verbindung bereitgestellte Übersicht zeigt Abbildung A-80 im Anhang. Durch Aufruf der einzelnen Gruppen und Kanäle können alle jeweiligen Einstellungen überprüft bzw. verändert werden. Eine Fernabfrage ist mit jeder für Datenverbindung freigeschalteten Mobilfunkkarte möglich. 5.7 Weitere Arbeiten Von UMSICHT wurden weiterhin wurde die Kopfkonstruktion der Messpegelrohre entworfen und mit den Projektpartnern abgestimmt. Die Montage der Schutzrohre für die Pegelanschlussleitungen erfolgte gemeinsam mit den Partnern (Abbildung 64). 53

62 Abbildung 64: Messpegelköpfe mit den Schutzrohren der herausgeführten Thermoelementleitungen Für die Bevorratung von Nachspeisewasser für Ausgleich von Wasserverlusten und Befüllung von Sonden und Anlagenteilen wurden 1000 l IBC Palettentanks vorgeschlagen, die von der RWTH bestellt, von UMSICHT beim Lieferanten abgeholt, im Container platziert und angeschlossen wurden. Für die Bereitstellung des Nachspeisewassers wurde ein einfaches Hauswasserwerk aufgestellt, mit dem über ein kleines Magnetventil sogar eine automatische oder ferngesteuerte Nachspeisung möglich gewesen wäre. Während einer längeren Stillstandsphase beim Aufbau der Anlage im Sommer 2009 wurde der Anlagen-Container bedauerlicherweise Ziel eines Einbruchsversuchs und nach Zerstörung der Türverriegelungen aufgebrochen (Abbildung 65). Glücklicherweise wurden keine der darin gelagerten Anlagenkomponenten und Messfühler entwendet. Die bei Transport-Containern üblichen Standard-Verriegelungen stellten sich dadurch jedoch als ernste Schwachstelle heraus, woraufhin von UMSICHT eine zusätzliche stabile Verriegelung über beide Türen mit verdecktem Schloss gefertigt und angebracht wurde (Abbildung 66). 54

63 Abbildung 65: Aufgebrochene Standard- Türverriegelungen des Containers Abbildung 66: Zusätzliche Zugangssicherung mit 120er U-Stahl und verdecktem Diskusschloss 6 Feldversuche zum Wärmeentzug aus dem Haldenkörper 6.1 Messprogramm Nach Abschluss der Inbetriebnahme- und Erprobungsphase wurde zunächst mit den an den üblichen Thermal Response Test angelehnten Versuchen zur Ermittlung der Sondenleistungen bzw. des Bohrlochwiderstands begonnen. Da im Probebetrieb nicht die ursprünglich erwarteten thermischen Leistungen erreicht wurden, mussten die einzustellenden Parameter den realen Bedingungen entsprechend etwas angepasst werden, was im Abstimmung mit dem Projektpartner aix-o-therm geschah. Dem Charakter des TRT entsprechend wurden die Sonden mit einer konstanten Wärmeentnahme beaufschlagt, die in mehreren Durchläufen in der Höhe variiert wurde. Dabei wurde immer von dem Ruhezustand einer längere Zeit nicht gekühlten Sonde aus begonnen. Die Sondenregelung wurde dabei im beschriebenen Modus 5 (Abbildung 49) betrieben: ein Regler hielt durch Beeinflussung des Ventils VRX3 den Durchfluss unabhängig von allen anderen Einflüssen konstant auf einem gewünschten Wert der zweite Regler steuerte durch Einwirkung auf das Beimischventil VRX0 die Zulauftemperatur so, dass sich aus der Wärmebilanz x0 = M*cp* ( T wasser aus T wasser zu) auch bei absinkender Wasseraustrittstemperatur immer der gewünschte Wärmestrom ergab. 55

64 Eine Messreihe wurde beendet, wenn die geregelte Zulauftemperatur die Kühlwassertemperatur erreicht hatte, da sie dann nicht weiter abgesenkt werden und die entnommene Wärmeleistung damit nicht mehr aufrecht erhalten werden konnte. Dies war je nach eingestellter Wärmeleistung und Sonde nach etwa 2-7 Tagen der Fall. Meist wurde alle 7 Tage eine neue Messung gestartet, so dass die Pause bei den anderen beiden Sonden etwa 14 Tage währte. Während der Erholungsphase konnte sich die Temperatur der Sonden, d.h. des Wasserinhaltes und des Bodens in der näheren Umgebung wieder auf die im Untergrund bzw. Brandbereich vorliegenden Bedingungen angleichen. Eine Ausnahme bildete hier allerdings die Sonde 2, die wegen der sehr hohen Untergrundtemperaturen ständig leicht gekühlt werden musste, um eine Überhitzung zu vermeiden. Im Anschluss an die Wärmeentzugsversuche, die sich über etwa 4 Monate erstreckten, wurde durch Beschickung mit unterschiedlichen Zulauftemperaturen versucht, die maximale Dauerwärmeleistung und Vorlauftemperatur jeder Sonde zu ermitteln und dabei die Abkühlung des Sondenfeldes über die Temperaturmesspegel zu beobachten. 6.2 Datenaufbereitung und Verbreitung Nach Aufbau der Mobilfunk-Kommunikation zwischen PC und Logger wurde von UMSICHT als erstes in der Kanalübersicht der aktuelle Betriebszustand der Anlage überprüft, anschließend die neu aufgelaufenen Messwerte (Speicherintervall meist min) ausgelesen und nach deren Überprüfung im Speicher des Loggers gelöscht. Danach wurden gegebenenfalls Anpassungen des Programms oder Veränderungen an Sollwerten vorgenommen, um einen veränderten Betriebspunkt einzustellen. Dieser musste je nach Eingriff nach 1-2 Stunden nochmals überprüft werden. Die im ASCII-Format ausgelesenen Messdaten wurden über eine Transferdatei in ein Excel-Format gebracht und als sog. Rohdaten in die vorhandene, ständig wachsende Messwertdatei eingefügt (siehe Anhang, Tabelle A-10). Die Rohdaten wurden ggf. in die physikalischen Messwerte umgeformt oder direkt zur Berechnung von hydraulischen Größen oder Wärmeleistungen verwendet (Tabelle A-11). In mehreren Übersichtsdiagrammen wurden die Verläufe der wichtigsten Parameter dargestellt, um trotz der oftmals stark schwankenden Werte die aktuelle Situation und die zurückliegenden Entwicklungen sowie die Qualität der durchführten Messreihen schnell beurteilen zu können. Zur Vorbereitung der Projektbesprechungen und Telefonkonferenzen mit den Projektpartnern wurden die jeweils aktualisierten Diagrammübersichten vorab verteilt. Die vollständige Messwertdatei wurde regelmäßig auf den BSCW-Projektserver zur weiteren Verwendung durch die Projektpartner hochgeladen. 6.3 Anlagenbetreuung Trotz der umfassenden automatischen Steuerung und des drahtlosen Fernzugriffs erforderte der Anlagenbetrieb häufige Kontrollbesuche und Einsätze durch UMSICHT vor Ort, 56

65 z.b. zum Nachfüllen von Wasser zum Ausgleich der geringen, aber ständigen Leckverluste, zum Wechsel des Partikelfilters oder zur Entlüftung unerwünschter Luftansammlungen an manchen Punkten der hydraulischen Anlage. Auch wurden anfangs die abwechselnden TRT-Messungen bei den drei Sonden am Schaltschrank vor Ort eingeleitet, bis zum Zwecke der Zeitersparnis einige relevante Steuerfunktionen auf den Logger verlagert wurden und per Fernzugriff gesetzt werden konnten. Als Vorsichtsmaßnahme gegen Frostschäden im Winter, die bei einem längeren Ausfall der Wasserumwälzung hätten auftreten können, wurde noch vor Beginn der Kälteperiode gemeinsam mit dem Projektpartner der RWTH Aachen der gesamte Wasserinhalt der Anlage mit etwa 20% Frostschutzmittel (Glykol) versetzt. Um wiederum in den relativ warmen Sommermonaten des Jahres 2010 die Kühlwassertemperatur für einen durchgehenden Versuchsbetrieb niedrig genug zu halten, wurde ein Vorrichtung zum Besprühen des Rückkühlers mit Wasser nachgerüstet. Durch diese zeitweilige, zusätzliche Verdunstungskühlung konnte bei stark steigenden Außenlufttemperaturen ein Anstieg der Kühlwassertemperatur verhindert oder zumindest begrenzt werden. Durch die zusätzliche Sicherung der Containertüren geschützt lief die Betriebs- und Messphase mehr als ein Jahr ohne Störungen durch Unbefugte, bis im August 2010 in der Endphase der Messungen ein erneuter Einbruch erfolgte. Dabei wurden von den Tätern, die mit einem Lieferwagen den Wall am Eingangsbereich der Halde überwunden hatten, die Türsicherung mit einer Trennscheibe aufgeschnitten, der Container geöffnet und sämtliche im Schaltschrank eingebauten elektrischen Komponenten einschließlich SPS, Logger und Modem sowie Kompressor und Hauswasserwerk entwendet. Die Tat konnte nicht aufgeklärt werden. Eine Wiederherstellung der Anlage war aus Kosten- und Zeitgründen unmöglich, der Betrieb ruhte vollständig für einige Monate. Nachdem im Dezember des Jahres eine weitere Verlängerung der Projektlaufzeit gewährt wurde, konnte der Anlagenbetrieb notdürftig mit behelfsmäßiger Stromversorgung der Pumpen und unter Verzicht auf jegliche Steuerung wieder aufgenommen werden, um durch Dauerauskühlung der Geothermiesonden noch ausstehende wichtige Erkenntnisse zu gewinnen. 6.4 Auswertung und Ergebnisse In der Anlagenübersicht werden die wichtigsten Betriebsdaten wie aufsummierte Gesamtleistung, Anlagendruck, Kühlwasser- und Außenlufttemperatur gezeigt. Wie Abbildung 67 für den Zeitraum der zwischen Februar und August 2010 durchgeführten Thermal-Response-Tests zeigt, betrug die Summe der Sondenleistungen, die über den Kühler abgeführt wurde, meist zwischen 2 und 8 kw, gelegentlich auch 12 kw. Größere Spitzen sind auf Anfahrvorgänge einzelner Sonden zurückzuführen, wo zunächst kurze Zeit das aufgeheizte Sondenvolumen in den Kühlkreis strömte. Die sondenbezogenen Übersichten zeigen die Zu- und Ablauftemperaturen sowie deren Differenz, das Steuersignal des Mischventils, Durchfluss, Wärmeleistung und die Tempe- 57

66 raturen der Messpegel (Abbildung 68 bis Abbildung 70). An der Öffnung des Mischventils konnte abgelesen werden, wieweit noch Spielraum zur weiteren Temperaturabsenkung bestand: wurde das Ventil bereits mit geringer Signalspannung angesteuert, d.h. nahezu geschlossen, konnte die Temperaturdifferenz T Wasser aus- T Wasser ein nur noch kurze Zeit aufrecht erhalten werden. Abbildung 67: Übersichtsdiagramm der Anlage Gesamtleistung, Kühlkreis 58

67 Abbildung 68: Betriebsdaten der EWS1 während eines TRT mit anschließender Pause Abbildung 69: Verlauf einiger TRT und Erholungsphasen an EWS 2 59

68 Abbildung 70: Messwerte und Wärmeleistung der EWS 3 während der TRT-Reihenversuche Abbildung 71: Gesamtleistung und kumulierte Wärmeentzugsleistungen Die dem Haldenschwelbrand über die Sonden während der gesamten etwa 11- monatigen Betriebsdauer entzogene Wärmeenergie beläuft sich auf ca kwh je EWS 1 und 3 sowie ca kwh aus dem Feld 2 (Abbildung 71). Die gesamte ku- 60

69 mulierte Wärmeleistung der Anlage beträgt etwa kwh, was mit einem Mittelwert von ca. 4,0 kw über h etwa dem Wärmebedarf von 1-3 Einfamilienhäusern entspricht (je nach angenommenen Gebäudeenergiestandard). Eine weitere Beschreibung der Versuche und Ergebnisse kann dem Bericht des Partners aix-o-therm entnommen werden. 6.5 Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb Die ausgehend von den ursprünglich angenommenen Randbedingungen konzipierte Anlagentechnik des Feldlabors erfüllte die Erfordernisse des insgesamt fast einjährigen Versuchsbetriebes mehr als zufriedenstellend. Die hydraulische Dimensionierung der Rohrleitungen, die Auslegung der Umwälzpumpen, Mischventile und sonstigen Komponenten entsprach genau den Anforderungen, hätte aber auch die ursprünglich erhofften wesentlich höheren Wärmeleistungen der Sonden aufnehmen können. Die Dimensionierung des auf dem Dach angeordneten Rückkühlers erwies sich allerdings als etwas knapp für die Betrieb im Hochsommer, da bei hohen Außentemperaturen ein Ansteigen der sonst sehr konstanten Kühlwassertemperatur nicht verhindert werden konnte. Weiterhin ist aufgrund des häufig erforderlichen Wechsels des Partikelfilters im Wasserkreis und des Erscheinungsbildes der zurückgehaltenen Schwebstoffe zu vermuten, dass die Sondenrohre der EWS auf der Innenseite einem gewissen Korrosionsangriff ausgesetzt sind, was jedoch bisher nicht weiter untersucht werden konnte. 7 Scale up 7.1 Allgemeine Bewertung verschiedener Wärmenutzungsformen Die bei großen Geothermieprojekten als beste Variante angestrebte Stromerzeugung aus der Untergrundwärme scheidet im Falle des hier untersuchten Haldenstandortes aus. Wie sich aus den praktischen Messungen ergab, ist die mit den angelegten oder sogar einer größeren Zahl von Erdsonden erzielbare Wärmeleistung ist zu gering für den Betrieb eines Wärmekraftprozesses (Voraussetzung > 4 MWth, siehe Abschnitt 3.2.2). Ursachen sind im vorliegenden Fall die geringe Mächtigkeit des Brandbereiches, die bei den vertikalen Sonden zu einer geringen Leistung führt, die mit Ausnahme des Sondenfeldes 2 relativ niedrigen Temperaturen sowie die geringe Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes und der verfüllten Sondenumgebung. Die Nutzung der Haldenwärme zu Heizzwecken entspricht in vielen Punkten einer konventionellen Nahwärmeversorgung, da die Vorlauftemperatur bei entsprechender Betriebsweise der Sonden ausreichend für eine direkte Nutzung wäre und sogar eine 61

70 Brauchwarmwasserbereitung ermöglichen würde. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, den ersten Wärmetauschern der direkten Wärmeauskopplung eine Wärmepumpe nachzuschalten, um dem teilentwärmten Wasserstrom bei gleichem Wasserdurchsatz weitere Wärme zu entziehen und zusätzlich für Heizzwecke bereitzustellen. Auf diese Weise kann die Rücklauftemperatur zum Sondenfeld gesenkt werden, um den Temperaturgradienten in der Sondenumgebung zu erhöhen und den Wärmefluss zu steigern. Da in der benachbarten Umgebung des Haldenstandortes zu diesem Zweck jedoch erst ein Wärmeverteilnetz aufzubauen wäre, müsste die verfügbare Leistung insbesondere unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten groß genug und vor allem langfristig gesichert sein. Ersteres ist ebenso wie bei der Frage der Stromerzeugung aufgrund der geringeren spezifischen Leistung der Sonden nicht gegeben und zum langfristigen Verhalten eines Sondenfeldes in einem Warmbereich der Halde kann noch keine Prognose abgegeben werden. 7.2 Wärmenutzungskonzept zur Energieversorgung der neuen Betriebsgebäude am Haldenstandort Der Haldenbetreiber plant mittelfristig einen Neubau der Betriebsgebäude, bestehend aus einem Büro- und einem Werkstattgebäude (Abbildung 72 und Grundrisse in Abbildung A-81 und Abbildung A-82 ). Da die neuen Gebäude noch näher an der untersuchten Halde liegen werden als bisher, wird im Folgenden die Möglichkeit einer Versorgung mit Heizwärme aus dem Haldenkörper untersucht. Abbildung 72: Lageplan für den Neubau der Betriebsgebäude 62

71 7.2.1 Ausgangslage Nach Angaben des Betreibers wurden in den Vorplanungen, die noch auf einer Wärmeversorgung mit Heizkessel auf Basis Restholz basierten, die maximale Wärmelast für das Bürogebäude und die Werkstatt auf 260 kw geschätzt, der Klimakältebedarf auf 60 kw. Tabelle 7: Versorgung des Neubaus -Planungsdaten Ausgangslage Heizwärmebedarf gesamt Werkstattgebäude Gebäude Behandlungsanlage Lüftungsanlage Trinkwassererwärmung Kühlbedarf Gebäude Behandlungsanlage Lüftungsanlage 230 kw 50 kw 105 kw 30 kw 40 kw 60 kw 25 kw 35 kw Diese bisher von Planer- und Betreiberseite angesetzten Werte der Heiz- und Kühllast (Tabelle 7) scheinen relativ hoch, da vermutlich aufgrund des frühen Planungsstadiums sowie der geplanten Versorgungsvariante (Restholzkessel) noch kein Schwerpunkt auf die Optimierung der Versorgungsstrategien gelegt wurde. Im Zusammenhang mit der möglichen Einbeziehung der Haldenwärme in die Versorgung des Standortes wurden daher eigene Berechnungen zur Heiz- und Kühllast unter Annahme optimierter Randbedingungen durchgeführt, die im Folgenden vorgestellt werden Alternatives Konzept unter Einbeziehung der Haldenwärme Für die Wärmeversorgung der neuen Gebäude mit Energie aus dem Haldenschwelbrand käme der nach den existierenden Überwachungsmessungen ebenfalls ergiebige WB1 in Frage (siehe Abbildung 8). In diesen wären 3-6 Erdwärmesonden von DN 100 und Tiefe von 25 m nach Beispiel der Pilotanlage einzubringen. Die Pumpengruppe könnte in einer kleinen Kompaktstation in der Nähe der Sonden und in etwa 50 m Entfernung zum neuen Standort untergebracht werden. Unter der Annahme, dass die technische Gestaltung und die Leistungsfähigkeit der Erdsonden im WB 6 von ca. 5-7 kw auf den WB 1 übertragen werden können, ließe sich die verfügbare Leistung durch zusätzliche Bohrungen erhöhen. 63

72 Alternativ könnten möglicherweise die Sonden auch horizontal von der Haldenflanke aus angelegt werden, wodurch einerseits eine größere thermisch aktive Länge im Brandbereich und andererseits eine geringere Entfernung der Sondenköpfe zum Wärmeverbraucher erreicht werden könnten. Um eine nennenswerte Grundlastversorgung des Neubaus zu erreichen, wird von einer kontinuierlichen Leistung der Geothermieanlage von 20 kw bei 6 Bohrungen ausgegangen. Zusätzlich wird ein Holzpellets- oder Gaskessel vorgesehen, um Lastspitzen im Winter auszugleichen und Versorgungssicherheit zu garantieren. Das Beheizen mit Holzpellets stellt eine ökologische Alternative zu Heizöl dar, was sich positiv auf die CO2-Bilanz des Betriebs auswirken würde. Im Sommer wäre es möglich, die nicht zur Gebäudeheizung benötigte Wärme mit Hilfe einer Ad- oder Absorptionskältemaschine zur Klimatisierung zu nutzen Wärme- und Kältebedarf bei modifiziertem Versorgungskonzept Für die Berechnungen der Heizlastdauerlinien der einzelnen Gebäudeteile wurden einige Angaben des Planers zu Grunde gelegt und weitere Annahmen getroffen (Tabelle A-12 und Tabelle A 13 im Anhang). Aus den Planungsunterlagen wurden die Abmessungen der Gebäude sowie Informationen über die vorgesehenen Wandaufbauten ermittelt und als Grundlage für die Berechnung des Heizbedarfes und der Jahresdauerlinie (JDL) nach EnEV verwendet. Die U- Werte der Baumaterialien wurden der Tabelle 2 ( Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche von Nichtwohngebäuden ) der EnEV entnommen. Ebenfalls in die Berechnungen einbezogen wurden gemittelte Wetterdaten des Haldenstandortes. Die von UMSICHT im Rahmen dieser Untersuchungen ermittelten Ergebnisse können jedoch aufgrund der relativ ungenauen Datenbasis nur als Abschätzung verstanden werden. Annahmen/Randbedingungen: Werkstattgebäude mit Lagerräumen Lager beheizt auf 20 C; Heizgrenztemperatur 15 C Werkstatt nur eisfrei, gehalten auf mindestens 3 C Türe/Tore vernachlässigt, bzw. als Wand mit entsprechendem Aufbau berücksichtigt; jedoch Erhöhung der Luftwechselrate, da oftmals länger geöffnet Luftwechselrate 1 -h Bürogebäude und Behandlungshalle Für die Büroräume gelten die gleichen Randbedingungen wie für das Lager Behandlungshalle eisfrei ; gleiche Bedingungen wie bei Werkstatt Luftwechselrate der Büroräume 0,5 pro Stunde 64

73 Luftwechselrate der Behandlungshalle 1 -h, da häufiges Öffnen der Tore Lüftung durchgehend, konstant Beispielrechnung für die Ermittlung der Heizlast Wand des Bürogebäude: 16,49m x 8,5m = 140,16 m² Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) Wand = 0,35 W/m²K Heizlast ergibt sich aus der Multiplikation des U-Werts mit der Fläche und der Temperaturdifferenz von Innen- und Außentemperatur Heizlast Wand = 0,35 W/m²K * 140,16 m² * 12 K = 588,7 W Beispiel für die Ermittlung der Wärmeverluste durch Luftwechsel Der Lüftungswärmeverlust ergibt sich aus dem stündlich ausgetauschten Luftvolumen (= Raumvolumen * Luftwechselzahl), der Temperaturdifferenz zwischen Raum- und Außenluft sowie der spezifischen Wärmekapazität cp-luft = 0,34 W/m³K: Heizlast durch Luftwechsel = 200 m³ x 0,34 W/m³K x 6 K x 1/h = 408 W Werkstattgebäude mit Lagerräumen Primär soll das Werkstattgebäude frostfrei gehalten werden, d.h. eine Beheizung erfolgt nur bei drohendem Absinken der Raumtemperatur unter 3 C. Durch häufiges Öffnen der Werkstatttore kann es zu einer hohen Luftwechselzahl von bis zu 10 kommen, was beim Beheizen zu einem erhöhten Energiebedarf führt. Eine Möglichkeit den Heizbedarf zu reduzieren, besteht im Einbau einer höhenbegrenzten Sektionaltores, das bei Einfahrt eines PKW nur bis zu eine gewissen Höhe öffnet. Zusätzlich wäre eine ereignisgesteuerte Luftschleieranlage denkbar (Luftstrom, der beim Öffnen des Tores von unten auf Breite des Tores eingeblasen wird), da sich damit der Raumluftverlust nach Außen wesentlich reduzieren und somit die Heizkosten weiter senken lassen würden. Die folgende Abbildung 73 stellt den jahreszeitlichen Verlauf der Heizlast des Werkstattgebäudes einschließlich der Lagerräume dar, die meist unter kw liegt, in der Spitze aber auch kurzzeitig ca. 45 kw erreichen kann. Eine Kühlung im Sommer ist nicht vorgesehen. 65

74 Abbildung 73: Heizlastkurve des Werkstattgebäudes mit Lagerräumen Bürogebäude mit Behandlungshalle Das Bürogebäude wird unterhalb einer Heizgrenztemperatur von 15 C (Außenluft) auf eine Temperatur von 20 C beheizt und im Sommer ab einer Temperatur von über 24 C durch eine Kälteanlage gekühlt. Abbildung 74: Heiz- und Kühlbedarf des Bürogebäudes mit Behandlungshalle 66

75 Die ermittelte Heiz- bzw. Kühllastkurve ist in Abbildung 74 dargestellt. Die Behandlungshalle soll wie die Werkstatt nur frostfrei gehalten werden und wird somit erst ab einer Temperatur unter 3 C beheizt. Abbildung 75: Abschätzung der Heiz- und Kühllast für den Neubau der Betriebsgebäude Abbildung 75 stellt den jahreszeitlichen Verlauf des Wärmebedarfs des Neubaus dar. Die negativen Werte geben die Kühllast des Bürogebäudes in den Sommermonaten wieder. Aus dem jahreszeitlichen Verlauf der Heiz- und Kühlbedarf beider Gebäude lässt sich durch Ordnen der stündlichen Werte nach der Höhe die geordnete Jahresdauerlinie für den geplanten Neubau erstellen (Abbildung 76). Dabei liegt die maximale Heizlast bei 168 kw, wird jedoch nur sehr wenige Stunden im Jahr benötigt, wie die Darstellung deutlich zeigt. Bedingt durch die Nutzungsart (gewerblich genutzte Gebäude) fällt der Heizwärmebedarf von ca. 80 bis auf ca. 20 kw sehr schnell ab. Wenn die Geothermieanlage auf eine Dauerleistung von 20 kw ausgelegt wird, kann somit bereits ein Großteil des Jahreswärmebedarfs daraus gedeckt werden. Da der Heizwärmebedarf selbst während der Heizperiode nicht kontinuierlich anfällt, könnten mit Hilfe von Kurzzeitwärmespeichern sogar noch größere Wärmelasten über die Geothermie abgedeckt werden. Eine Aufladung könnte z.b. über Nacht oder am Wochenende erfolgen, wenn die Heizung im abgesenkten Betrieb läuft. Da im Sommer nur die Büroräume gekühlt werden müssen, ist der Kältebedarf relativ gering und liegt bei maximal 11 kw. Da es sich bei den geplanten Gebäuden wie bei den bisherigen auch nicht um reine Bürogebäude handelt, kann bei der Auslegung der Heizung und Kühlung zusätzlich ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,6 berücksichtigt werden. Dieser steht dafür, dass die einzelnen Heiz- oder Kühllasten (alle Räume, Werkstatt, Halle, Lüftungsanlagen) nicht immer gleichzeitig anfallen. 67

76 Unter dieser Annahme ergibt sich eine Jahresdauerlinie, die vor allem im Bereich der höheren Heizlasten deutlich unter der ersten liegt. Die kurzzeitige Lastspitze würde sich von 168 kw auf 103 kw reduzieren, die Kühllast auf 6,6 kw sinken. Abbildung 76: Geordnete Jahresdauerlinie ohne/mit Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,6 sowie Leistung der Geothermieanlage 7.3 Optimierung der Heiz- und Kühllast Aufgrund des besonderen Charakters der Liegenschaft und der geringen Zahl an ständig anwesenden Nutzern ist ein übliches, bedarfsorientiertes Energie- und Lastenmanagement denkbar, wie etwa die Nachtabsenkung der Heiztemperatur um 2 K und vor allem eine Verringerung der Luftwechselzahlen außerhalb der Arbeitszeiten. So lassen sich zusätzliche Einsparungen in der benötigten maximalen Leistung und der jährlichen Energie erreichen. Allgemein bekannt ist, dass eine Reduzierung der Raumtemperatur um 1K eine Primärenergieeinsparung von ca. 6% ergibt. Für die beiden neuen Gebäude wurden eine um 2 K reduzierte Temperatur außerhalb der Arbeitszeiten sowie eine Reduzierung der Luftwechselzahl im Bürogebäude von 0,5 auf 0,2 und in der Behandlungshalle von 1 auf 0,4 sowie eine Reduzierung bzw. teilweise Aussetzung des Luftwechsels in Lager und Werkstatt durchgerechnet. Erwähnt sei hier, dass die vorhandenen Betriebsgebäude über keine Lüftungsanlage oder Kühlung verfügen. Durch die Optimierung des Heiz- und Lüftungssystems lassen sich hohe Einsparungen des Energiebedarfs ohne große Investitionskosten erzielen. Darüber hinaus kann der Re- 68

77 serve- und Zusatzheizkessel kleiner dimensioniert werden als in einer nicht optimierten Variante. Unter den genannten Randbedingungen könnte die ursprünglich abgeschätzte Heizleistung von 168 kw auf 95 kw bzw. die Kühllast von 11 kw auf 10 kw reduziert werden (Abbildung 77). Durch die zeitlich bedarfsorientierte Optimierung des Heiz- und Lüftungssystems würde sich die max. Heizlast weiter bis auf 56 kw reduzieren, die Kühllast auf 6,1 kw. Der aus den Stundenwerten errechnete Jahresenergiebedarf liegt bei der nicht optimierten Betriebsweise bei kwh, kann aber durch das beschriebene Bedarfsmanagement auf kwh gesenkt werden.. Abbildung 77:Jahresdauerlinien mit und ohne Optimierung sowie unter Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors Wenn unter Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfaktors die geringere max. Heizlast zu Grunde gelegt wird, kann der jährliche Beitrag an der Bedarfsdeckung aus der ganzjährig verfügbaren Geothermieleistung von 20 kw zu ca kwh abgeschätzt werden, was etwa 73% des Jahresbedarfs entspricht. Verdeutlich wird dies durch das Verhältnis der Flächen unter den Lastkurven in Abbildung 77. Wenn wie erwähnt, zusätzlich Warmwasserspeicher installiert werden, die in Stunden geringeren Wärmebedarfs überschüssige geothermische Energie für Zeiten höherer Lasten zwischenspeichern, kann dieser Anteil noch beträchtlich gesteigert werden. Insgesamt übersteigt die jährlich verfügbare Geothermie-Energie den Heizbedarf, so dass nur die Größe der Heizwasserspeicher den Anteil der Haldenwärme am jährlichen Wärmebedarf bestimmt 69

78 Eine wirtschaftliche Bewertung des Konzeptes wurde vom Projektpartner aix-o-therm durchgeführt und ist im entsprechenden Projektabschlußbericht beschrieben. 8 Know-How-Transfer Es kann davon ausgegangen werden, dass zumindest in Deutschland die meisten Haldenschwelbrände den zuständigen Behörden bekannt sind, da es sich um melde- und überwachungspflichtige Vorkommnisse handelt. Entsprechend sind auch aus der gesetzlich vorgeschriebenen Überwachung durch gutachterlich arbeitende Fachunternehmen (z.b. detaillierte aktuelle Informationen zur Lage, Ausdehnung und Entwicklungsgeschichte eines Brandes sowie der Temperaturverhältnisse im Haldenkörper vorhanden. Im Rahmen einer orientierenden Machbarkeitsstudie sollte bereits ein den erwartenden Temperaturverhältnissen angepasstes Nutzungskonzept erarbeitet werden, im dem vor allem die sinnvolle Verwertung der gewinnbaren Wärmeenergie betrachtet wird, z.b. zur Versorgung in der Nähe liegender Wärmeabnehmer. Wie sich am Beispiel des durchgeführten Vorhabens zeigte, sind grundsätzlich detaillierte Untersuchungen vor Ort bis hin zu Probebohrungen erforderlich, um die Leistungsfähigkeit einer möglichen geothermischen Nutzung besser einschätzen zu können. Neben der Kenntnis der räumlichen Temperaturverteilung innerhalb des Warmbereiches sind besonders die thermischen Eigenschaften des Untergrundes von Bedeutung, da die Wärmeleitfähigkeit des aktiven Materials und seiner Rückstände die erzielbaren Sondenleistungen entscheidend beeinflusst. Konkrete Leistungsmessungen an eingebrachten Erdsonden nach Beispiel der beschriebenen Wärmeentzugseinrichtung liefern die verlässlichste Entscheidungsbasis. Zu bedenken sind jedoch der relativ große Aufwand und die entstehenden Kosten solcher Voruntersuchungen. Auf Basis der erarbeiteten Information über Wärmequellen und Nutzungskonzept können mit aus dem Bereich der Geothermie bekannten Simulationsprogrammen verschiedene Ausführungsvarianten für Sonden- und Anlagentechnik durchgerechnet und deren Rentabilität nach standardisierten Methoden bewertet werden. Eines der gebräuchlichsten Produkte zur Auslegung von Erdwärmesystemen ist z.b. der in Schweden und Deutschland entwickelte Earth Energy Designer (EED), dessen Anwendung im Bericht des Projektpartners aix-o-therm näher beschrieben wird. Ein besonderer Schwerpunkt ist wie gezeigt auf eine optimale Abstimmung auf der Wärmeverbraucherseite zu legen, um mit einer möglichst niedrigen installierten Geothermieleistung einen möglichst hohen Teil des jährlichen Wärmebedarfs zu decken. Zum Erreichen einer hohen Auslastung können Kurzzeitwärmespeicher zur Abdeckung von Lastspitzen vorgesehen werden. Für das Wärmeverteilsystem steht eine große Vielfalt an Standardprodukten aus dem Bereich der Installations-, Heizungs- und Fernwärmetechnik zur Verfügung. 70

79 9 Zusammenfassung und Ausblick Haldenschwelbrände sind in alten Bergehalden ein verbreitetes Phänomen, das sich praktisch nicht vermeiden lässt. Die damit erforderliche Überwachung der Brände im Haldenkörper bedeutet für die Haldenbetreiber einen erheblichen zusätzlichen Aufwand. Darüber verbreiten Schwelbrände auch große Mengen an Schadstoffen in die Atmosphäre. Haldenschwelbrände bieten aber auch auf Grund der damit einhergehenden hohen Temperaturen ein enormes energetisches Potential, das bisher ungenutzt entweicht. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass eine thermische Nutzung von Haldenschwelbränden in Anlehnung an Verfahren der Geothermie möglich ist. Bei Berge- bzw. Haldenmaterial handelt es sich nicht um natürlich gewachsenes Material, so dass seine physikalischen und thermischen Eigenschaften stark variieren können. Für die Planung von geothermischen Anlagen auf Bergehalden sind jedoch stets die standortspezifischen Faktoren zu berücksichtigen. Von wesentlicher Bedeutung sind hier Informationen über die Materialzusammensetzung und die Temperaturverteilung im Haldenkörper. In Ergänzung zu den theoretischen Annahmen und Modellen wurden daher praktische Feldmessungen in einem einjähren Versuchsbetrieb mit einer Wärmeentzugseinrichtung und drei in den ausgewählten Warmbereich niedergebrachten 25 tiefen Erdsonden durchgeführt. Damit konnten in Anlehnung an den standardisierten Thermal Response Test die thermischen Eigenschaften der Bohrungen ermittelt werden. Fraunhofer UMSICHT übernahm dabei die technische Konzeption und Auslegung der Anlagen-, Mess- und Steuerungstechnik und betreute nach Mitwirkung bei Konstruktion, Aufbau und Inbetriebnahme des Feldlabors auch maßgeblich den Anlagenbetrieb. Die erzielten Leistungen und Vorlauftemperaturen erwiesen sich als deutlich höher als die von herkömmlichen Geothermieanlagen, so dass im günstigen Fall bei der geothermischen Nutzung von Haldenschwelbränden auf den Einsatz von Wärmepumpen zur Heizwärmeversorgung verzichtet werden kann. In Relation zu den vorhandenen Temperaturen von über 400 C fielen die extrahierbaren Leistungen jedoch zu gering aus. Als Ursachen hierfür werden die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Haldenmaterials und des gewählten Verfüllmaterials sowie die Begrenztheit der Erdsondenoberfläche gesehen. In einer Scale-up Studie wurde auf Basis der gewonnenen Praxisdaten ein Nutzungskonzept zur Versorgung eines am Standort geplanten Gebäudekomplexes untersucht, bei dem unter Berücksichtigung möglicher Einsparpotentiale auf der Nutzungsseite ein Großteil des jährlichen Heizwärmebedarfs aus dem Haldenkörper beigesteuert werden kann. In einem nachfolgenden Forschungsvorhaben sollen die praktischen Auswirkungen des fortgesetzten Wärmeentzugs auf den Haldenschwelbrand untersucht und die Frage geklärt werden, ob längerfristig der Schwelbrand auch bis zum Erlöschen ausgekühlt wer- 71

80 den kann. Fraunhofer UMSICHT ist auch hier mit Betreuung der technischen Anlagen und des Versuchsbetriebs beteiligt. 10 Literaturverzeichnis [BEK 07] [BVG] [DOE 98] [KOH 09] [KUE 11] [LIE 04] [LUN 05] [MIL 09] [Reu 04] [STR 07] [VDI 06] [WAL 99] Bekemeyer, K.: Gesellschaft_Politik/Landschaftsschutz/Bergehalden/, 2007, Stand: Geothermie, Energie aus dem heißen Planeten, Infobroschüre des GtV - Bundesverband Geothermie e.v. Dötsch, C., Taschenberger,J., Schönberg, I.: Leitfaden Nahwärme UMSICHT-Schriftenreihe, Band 6, Hrsg.: Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen, 1998 o.v.: erung nach Ländern_2009.xls&mime=application/vnd.ms-excel, Stand Kürten, S., Feinendegen, M., Schwerdt, P., Noel, Y., Klein, A., Gaschnitz, R. (2011): Haldengeothermie - Chancen und Risiken bei der thermischen Nutzung von Haldenschwelbränden. Geotechnik 34 (2011), Nr. 2, S Liebelt, C.: Regelungstechnik I - Vorlesung für den FB 5 und die FVT, Dortmund 2004 Lund, John W., Combined heat and power plant Neustadt-Glewe, Germany, Geo-Heat Center, GHC Builletin, June 2005 Milles, U., Geothermische Stromerzeugung in Soultz-sous-Forêts, BINE Projekt-Information 04/2009, Hrsg. Fachinformationszentrum (FIZ) Karlsruhe Reuß, Manfred: Flache Geothermie, Response Test Auslegung, ZAE Bayern, 10/2004 Stracher, G.: Geology of Coal Fires: Case Studies from Around the World. Geological Society of America Reviews in: Engineering Geology XVIII, o.o VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen: VDI- Wärmeatlas, 10. Aufl., Springer-Verlag, Berlin 2006 IEA Coal Research, Walker, S.: Uncontrolled fires in coal and coal wastes, London,

81 73

82 11 Bildanhang Abbildung A-78: Fertigungszeichnung der Sondenköpfe mit Anschlüssen 74

83 Abbildung A-79: Fertigungszeichnung für Erdsonden-Doppelmantel-Rohr 75

84 Tabelle A-8: Thermische und hydraulische Auslegung des der Anlagentechnik Fortsetzung auf folgender Seite 76

85 Fortsetzung auf folgender Seite 77

86 78

87 Tabelle A-9: Übersicht MSR - Ein- und ausgehende Signale des Geothermie-Feldlabors 79

88 Abbildung A-80: Anzeigebildschirm des Datenloggers, Messstellenliste mit Momentanwerten 80

89 Tabelle A-10: Messwerte als Rohdaten im Auswertungsprogramm 81

90 Tabelle A-11: Messwerte und berechnete Größen des Anlagenbetriebs 82

91 Abbildung A-81: Grundriss Bürogebäude und Behandlungshalle 83