Beeinflussung des Grundwassers durch oberflächennahe Geothermie?

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1 Beeinflussung des Grundwassers durch oberflächennahe Geothermie? Stefan Burkhardt Abstract: Die oberflächennahe Geothermie nutzt den Untergrund bis zu einer Tiefe von ca. 400 m und Temperaturen bis 25 C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden. Hierzu wird die Wärme aus dem Erdreich und oberflächennahen Gestein oder aus dem Grundwasser gewonnen. Dabei kommen verschiedene Nutzungs- bzw. Anwendungsmöglichkeiten in Frage. Erdwärmesonden sind dabei die meist verwendetste Technik, welche neben Erdwärmekollektoren, Energiepfähle angewandt wird. Außerdem kann man direkt Wärme aus dem Grundwasser gewinnen, in dem einen Grundwasserbrunnen errichtet. Da die gewonnene Wärme noch zu niedrig für Heizzwecke und Warmwassererzeugung ist, muss sie mittels einer Wärmepumpe erhöht werden. Durch oberflächennahe Geothermie können aber auch ökologische Probleme, wie Erwärmung, Abkühlung, Absenkung und Kontamination des Grundwassers, sowie eine Beeinträchtigung für die Grundwasserfauna auftreten. Dies kann aber bei sachgemäßer und umweltschonender Errichtung und Betreibung von Geothermieanlagen auf ein Minimum reduziert werden. The near-surface geothermal energy uses the substratum up to a depth of ca. 400 meters and temperatures up to 25 C for heating and cooling buildings. For this, the warmth is obtained from the ground and near-surface rocks or from ground water. Thereby, there are different options for use of available equipment and application possibilities. Geothermal sensors are the most used method besides geothermal heat collectors and geothermal sensors inside the fundament called Energiepfähle. Furthermore it is possible to obtain warmth directly from the ground water by building a ground water well. Because the gained warmth is still too low for heating matters and producing hot water, it has to be raised using a heat pump. But other ecological problems like heating, cooling, lowering and contaminating groundwater and damages of the ground water fauna can appear through near-surface geothermal energy. This can however be lowered to a minimum through correct and environmentally friendly construction and operation of geothermal energy installations. 1. Definition und Ursprung Als geothermische Energie wird die unterhalb der festen Erdoberfläche gespeicherte Wärmeenergie bezeichnet. Hierbei handelt es sich einerseits um gespeicherte Sonnenenergie also den solaren Wärmestrom, direkte Einstrahlung sowie Niederschläge und andererseits um Energie aus dem Erdinneren. Quelle dieses zur Erdoberfläche gerichteten terrestrischen Wärmestroms sind u.a. die bei der Erdentstehung frei gewordene Energie und die durch den Zerfall radioaktiver Elemente frei gesetzte Energie. Letztgenannte Energie geht auf den natürlichen Zerfall der im Erdkörper vorhandenen langlebigen Isotope wie z.b. 235 Uran, 238 Uran, 232 Thorium und 40 Kalium zurück. Im oberflächennahen Bereich ist der Untergrund hauptsächlich ein Speicher für Sonnenenergie. Bis in einer Tiefe von ca. 15 m machen sich jahreszeitliche Einflüsse daher deutlich bemerkbar, darunter beträgt die Temperatur des Untergrundes unabhängig von der Jahreszeit und je nach geographischer Lage 7-12 C, was in Abbildung 1 verdeutlicht wird. In tieferen Erdschichten steigt dagegen der Anteil der geothermischen Wärme aus dem Erdinneren deutlich an. Die Temperatur nimmt hier durchschnittlich 3 C pro 100 m zu. Dieser geothermische Tiefengradient kann man ebenfalls in Abbildung 1 erkennen. Die obenflächennahe Geothermie umfasst die Erschließung von Erdwärme bis zu einer Tiefe von ca. 400 m, wobei aus ökonomischen Gründen meist nur die ersten 100 m genutzt werden. Die Erschließung der Erdwärme aus dem oberflächennahen Untergrund erfolgt mittels Erdwärmesonden, Erdwär-

2 Seminar Grundwasserschutz SS 2008 mekollektoren, Energiepfählen und Grundwasserbrunnen, wobei sich die Auswahl der Wärmequelle zwischen Erdreich und Grundwasser differenziert. Dabei spielen geologische Untergrundverhältnisse, hydrogeologische Gegebenheiten, sowie das Platzangebot Kriterien für die Entscheidung der Geothermievariante. Abb.1: Mittlerer Temperaturverlauf in Abhänigkeit der Tiefe [Quelle: Umweltministerium Bayern] 2. Varianten der Nutzung oberflächenaher Geothermie 2.1. Erdwärmesonden Am weitesten verbreitet ist der Einsatz von Erdwärmesonden(Abb.2). Hierbei handelt es sich um geschlossene Rohrsysteme, die meist vertikal, seltener in schräg angelegten oftmals 30 bis 100 m tiefen Bohrungen installiert werden. Tiefen größer als 100 m sind aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eher selten. Die Sonden bestehen oft aus paarweise gebündelten u-förmigen HDPE- Kunststoffrohrschleifen (High Density Polyethylen), die nahe der Erdoberfläche über Sammelleitungen an einer Wärmepumpe schlossen sind. Der Einsatz von Erdwärmesonden reicht von ein bis zwei Sonden zur Wärmeversorgnung von Einfamilienhäusern bis hin zu Multisondensysteme zur Wärme- und Kälteversorgung von Groß-, Gewerbe- und Industriebauten oder ganzen Siedlungen. Nach dem Einbau der Sonden wird der zwischen den Sondenbündeln und der Bohrlochwand verbleibende Hohlraum mit einer Ton- Zement-Suspension hohlraumfrei verpresst, um einerseits eine durch die Bohrung ermöglichte hydraulische Verbindung zweier 2 Abb.2: Erdwärmesonde [Quelle: Umweltministerium Bayern]

3 oder mehrer Grundwasserstockwerke zu verhindern und um andererseits eine thermische Anbindung der Sonden an den Untergrund zu erreichen. In den Sonden zirkuliert ein Wasser-Frostschutz-Gemisch (Wärmeträgerflüssigkeit) und entzieht den umgebenden Untergrundschichten die Wärme. Bei richtiger Auslegung wird die entzogene thermische Energie durch die nachströmende Wärmeenergie aus dem Untergrund regeneriert Erdwärmekollektoren Als Erdwärmekollektoren(Abb.3) werden horizontal unterhalb der Frostgrenze, in einer Tiefe zwischen 1,2 und 2,0 m im Erdreich, somit unterhalb der Frostgrenze, verlegte HDPE-Kunststoff- Rohrsysteme bezeichnet. Im Kollektor zirkuliert als Trägerflüssigkeit ein Wasser-Frostschutzgemisch, das die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und an die Wärmepunpe weiterleitet. Somit nutzen Erdwärmekollektoren gespeicherte Sonnenenergie, die durch direkte Einstrahlung, Wärmeübertragung aus der Luft und durch Niederschlag in das Erdreich übergeht. Der Bedarf an möglichst nicht überbauter Fläche beträgt bei herkömmlichen Kollektoren in der Regel das 1,5 bis 2-fache der zu beheizenden Fläche Grundwasserbrunnen An geeigneten Standorten lässt sich das Grundwasser über Brunnen(Abb.4), die oftmals eine Tiefe von 4-50 m aufweisen, entnehmen und direkt zur Wärmepumpe leiten. Es muss jedoch wieder in den Untergrund eingeleitet werden, so dass neben Förderbrunnen auch sogenannte Infiltrationsbrunnen einzurichten sind. Dabei ist darauf zu achten, dass die beiden Brunnen in ausreichendem Abstand zueinander in Grundwasserfließrichtung liegen müssen, um einen thermischen Kurzschluss im Untergrund zu vermeiden. Bei dieser Erschließungsvariante ist die Beachtung der Hydrochemie wichtig. Einschränkungen der Nutzbarkeit bestehen hinsichtlich der Grundwasserbeschaffenheit. Bei sauerstoffreduzierten Wässern mit hohen Eisen- und/oder Mangangehalten besteht die Gefahr der Brunnenverockerung, bei aggressiven Wässern die Gefahr der Anlagenkorrosion. Abb.3: Erdwärmekollektoren [Quelle: Umweltministerium Bayern] Abb.4: Grundwasserbrunnen [Quelle: Umweltministerium Bayern]

4 Seminar Grundwasserschutz SS Energiepfähle Bei Neubauten können auch statisch notwendige Bauteile und/oder Gründungspfähle bzw. Schlitzwände analog der Erdwärmesonden mit Wärmetauscherrohren ausgerüstet werden. Als Schlagwort für diese Technologie hat sich der Begriff Energiepfahl (Abb.5) durchgesetzt. Da Beton eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, eignen sich diese Strukturen hervorragend zur Gewinnung und Speicherung von thermischer Energie in Form von Wärme und Kälte Wärmepumpe Abb.5. Energiepfähle [Quelle: Umweltministerium Bayern] Der Temperaturbereich des oberflächennahen Untergrundes ist mit durchschnittlich 7-12 C für eine direkte Nutzung der Erdwärme zum Heizen und zur Warmwassererzeugung zu niedrig, so dass zusätzlich eine erdgekoppelte Wärmepumpe benötigt wird. Sie erhöht die im Untergrund vorhandenen Temperaturen auf das für die Wärmeversorgung notwendige Niveau. Der Energietransfer in Wärmepumpen erfolgt als thermodynamischer Kreisprozess. Der geschlossene Kreisprozess in einer Kompressionswärmepumpe(Abb.6) wird im Folgenden näher beschrieben. Im Verdampfer nimmt das kalte flüssige Arbeitsmittel Energie aus der Wärmequelle Boden/Grundwasser auf und verdampft. Der Dampf wird an den Kompresser weitergeleitet. Dieser verdichtet das nun dampfförmige Arbeitsmittel unter Verbrauch von mechanischer bzw. elektrischer Energie und erhitzt es dadurch auf 35 bis 55 C (65 C bei zusätzlicher Warmwassererzeugung). Das heiße Gas gibt im Kondensator seine thermische Energie an das Heizsystem ab und kondensiert zu warmen flüssigen Arbeitsmittel, welches danach am Expansionsventil entspannt wird, sodass seine Temperatur abrupt abnimmt. Die Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmeverbraucher ist. Die Erdwärme mit ihrer relativ geringen, aber ganzjährig stabilen Durchschnittstemperatur wird daher am wirtschaftlichsten in Kombination mit einem Niedertemperatur-Heizsystem z.b. einer Fußbodenheizung genutzt [Rogge & Co Hydrologie]. Abb.6: Funktionsweise einer Wärmepumpe [Quelle: 4

5 3. ökologische Probleme Geothermieanlagen liefern bzw. sparen nicht nur Energie, sie können auch ökologische Probleme verursachen. Diese Probleme werden im Folgenden aufgeführt. Wie schon beschrieben entziehen Wärmepumpen dem oberflächennahen Grundwasser einen Teil der Wärmeenergie und nutzen diese für Heizzwecke und Warmwassergewinnung. Dabei wird das Grundwasser abgekühlt. Eine Abkühlung des Grundwassers in urbanen Gebieten wäre sogar vorteilhaft, da hier die Grundwassertemperaturen durch anthropogene Einflüssen unnatürlich erhöht sind. Ein weit größerer Einfluss auf die Temperatur des Grundwassers liefern Kühlanlagen. Solche Anlagen nutzen die gleichbleibend niedrigen Temperaturen des Grundwassers zu Kühlzwecken. Dabei werden große Wassermengen aus dem oberflächennahen Grundwasser gewonnen und direkt als Kühlwasser vor allem in Industrieanlagen eingesetzt. Danach wird das erwärmte Wasser wieder ins Grundwasser oder auch in Fließgewässer eingeleitet [H. J. Hahn (2007)]. Da die Tendenz der Kühlwassergewinnung aus dem Grundwasser steigend ist, führt dies zu einer zunehmenden Erwärmung des Grundwassers. Welche Folgen dies für die Ökologie des Lebensraums Grundwasser hat, ist noch weitgehend unbekannt. Untersuchungen über die ökologischen Auswirkungen von Grundwassererwärmung liegen bisher nicht vor. Bei der Nutzung des Grundwassers zu Kühlzwecken kommt es zu beachtlichen Grundwasserentnahmen, da 40 bis 50 % des Kühlwassers verdunsten[lfu-bayern]. Die Probleme werden deshalb mit denen anderer großer Grundwasserentnahmen korrelieren, welche ein Absinken des Grundwasserspiegels, Schädigung von Feuchtgebieten, Versiegen von Bächen und Quellen beinhalten. Infolge dessen ist das Restwasser wärmer und enthält mehr Mineralstoffe. Bei der Rückführung dieses Restwassers ins Grundwasser wird auch das Grundwasser salzhaltiger und wärmer. Außerdem lebt im Grundwasser eine Vielzahl von Tieren, die gemeinsam mit den Grundwasserorganismen (Bakterien, Pilze) in hohem Maße zur Reinigung des Grundwassers beiträgt. Viele der oft seltenen Grundwassertiere stellen bei höheren Temperaturen die Vermehrung ein. Im Gegensatz dazu nimmt mit bei Erwärmung die Bakterienaktivität und dichte zu, was ebenfalls Auswirkungen auf die Grundwasserbiozönose, aber auch auf die Grundwasserqualität, haben dürfte. Ein weiteres Problem könnte beim durchteufen verschiedener Aquifere und Aquiclude, beim Bau von Erdwärmesonden, auftreten. Es könnte eine Vermischung verschiedener Grundwasservorkommen auftreten und somit auch Schadstoffe in tiefere Aquifere gelangen. Insbesondere in hochdurchlässigen Grundwasserleitern und hohen Grundwasserfließgeschwindigkeiten, z.b in Karstgebieten, können Schadstoffeinträge, Eintrübungen sowie chemische und/oder mikrobiologische Verunreinigungen in das abströmende Grundwasser gelangen. Die dichte Ringraumverfüllung des Bohrlochs um die Sondenrohre zur Wiederherstellung von gering durchlässigen Zwischenschichten oder Stockwerks- Trennhorizonten gehört deshalb zu den unerlässlichen Standard-Voraussetzungen für den Bau von Erdwärmesonden. Somit kann das Risiko einer Vermischung stark vermindert werden. 4. Gefahrenprävention Um die Umwelt bestmöglich zu schützen werden bei dem Bau einer Geothermieanlage verschiedene Sicherheitsmaßnahmen getroffen, welche im weiteren Verlauf dargestellt werden. Da der Schutz des Grundwassers an erster Stelle steht ist der Bau von Geothermieanlagen in den Grundwasserschutzzonen I bis III/IIIA verboten. Ausnahmen sind in den Zonen III/IIIA im Einzelfall möglich, wenn eine Erdwärmesonde in einem Geringleiter errichtet werden soll. Die PE- Schweißverbindung nach DVS stellt eine dauerhafte, feste und homogene Verbindung dar, welche auch bei höchster Belastung nicht zerstört werden kann. Der Werkstoff PE-HD in Verbindung mit dem geeigneten Schweißverfahren, dessen Dichtigkeit durch mehrere Druckprüfungen dauerhaft sichergestellt wird, gewährleistet, dass auch bei äußeren mechanischen Belastungen Erdwärmesonden und kollektoren nicht undicht werden[landesumweltamt NRW]. Des Weiteren sind der Wärmequellenkreislauf und der Wärmepumpenkreislauf über einen Wärmetauscher (Verdampfer) voneinander

6 Seminar Grundwasserschutz SS 2008 getrennt. Im Falle einer Leckage im Verdampfer wird aufgrund des Druckabfalls die Wärmepumpe abgeschaltet. Kältemittel oder Kältemaschinenöl kann nicht in das Grundwasser oder in den Boden gelangen, wobei eine Leckage aufgrund der Bauweise und der Sicherheitseinrichtungen nach menschlichem Ermessen äußerst unwahrscheinlich ist und wurde nach 20 jähriger Praxis noch nicht dokumentiert[landesumweltamt NRW]. Der Verdampfer der Wärmepumpe sollte vollständig aus hochwertigem Edelstahl gefertigt sein, um möglichen Korrosionsschäden und einer damit verbundenen möglichen Grundwasserverunreinigung durch Kältemittel oder Kältemaschinenöl vorzubeugen. Falls es doch zu einer Leckage kommt, sollten Kältemittel auf Glykolbasis benutzt werden, da diese im Boden unter aeroben Bedingungen gut abbaubar sind und nicht bis ins Grundwasser gelangen. Der Abbau wird in Abb.7 dargestellt. Die Art und Geschwindigkeit des Abbaus ist dabei abhängig vom vorhandenen Sauerstoff, von der Temperatur und der Ausgangskonzentration. Abb.7. Abbau von Kältemittel auf Glykolbasis [Quelle: Landesumweltamt NRW] Auch beim Bohrvorgang wird darauf geachtet, dass die Spülungsmedien umweltverträglich sind. Die PE-Schweißverbindung nach DVS stellt eine dauerhafte, feste und homogene Verbindung dar, welche auch bei höchster Belastung nicht zerstört werden kann. Der Werkstoff PE-HD in Verbindung mit dem geeigneten Schweißverfahren, dessen Dichtigkeit durch mehrere Druckprüfungen dauerhaft sichergestellt wird, gewährleistet, dass auch bei äußeren mechanischen Belastungen Erdwärmesonden und kollektoren nicht undicht werden. Abschließend lässt sich sagen, dass Geothermie eine saubere und umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen, wie Kohle und Öl ist. Umweltrisiken lassen sich auf ein Minimum reduzieren, bei fachgerechter Bohrung und Betreibung. Die Abkühlung des Grundwassers durch dezentrale Heizungssysteme an Einfamilienhäusern, ist so gering, dass durch nachströmendes Grundwasser dieses Wärmedefizit relativ schnell ausgeglichen werden kann. Der einzige gravierende Eingriff in den Wärmehaushalt und Chemismus des Grundwassers, wird durch die Entnahme von Grundwasser als Einsatz von Kühlwasser hervorgerufen. Sofern diese Nutzung eingedämmt, bzw. eingestellt wird, resultiert aus der Verwendung von oberflächennahen Geothermie, keine bedrohliche Beeinflussung für das Grundwasser. 6

7 5. Quellen - Rogge & Co Hydrogeologie (2007), Informationen zur oberflächennahen Geothermie - H. J. Hahn (2007), BUNDhintergrund, Grundwasser guter Zustand bis Landesamt Nordrhein-Westfalen (2004), Wasserwirtschaftliche Anforderungen an die Nutzung von oberflächennaher Erdwärme - Umweltministerium Bayern (2005), Oberflächennahe Geothermie - Bayerisches Landesamt für Umwelt (2007), Umweltwissen Erdwärme - H. Kristmannsdóttir, H. Ármannsson (2003), Environmental aspects of geothermal energy utilization, Elsevier Science Ltd -