Sicherer Einbau von Erdwärmesonden in artesisch gespannten Aquiferen

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1 Grundlagen, Technik, Verfahren Abb. 1 Erdwärmebohrung trifft auf Arteser Sicherer Einbau von Erdwärmesonden in artesisch gespannten Aquiferen Grundwasserschutz n Die Realisierung von Erdwärmeprojekten in Gebieten mit speziellen hydrogeologischen Verhältnissen, wie zum Beispiel artesisch gespannte Grundwasserleiter, stellt an die ausführenden Firmen eine besondere Herausforderung dar. Vielerorts ist die Errichtung von Erdwärmesonden aus Gründen des Grundwasserschutzes in solchen Geologien sogar gänzlich untersagt (z. B. in Bayern). Dies ist für Bohrunternehmer, Heizungsbauer und nicht zuletzt für den Endkunden mit erheblichen Kosten verbunden. Im Folgenden wird eine Methode aufgezeigt, die den Bau der Erdwärmeanlage dennoch ermöglicht, ohne hierbei die Belange des Grundwasserschutzes außer Acht zu lassen. Z ur Beheizung und Warmwassererzeugung einer Neubausiedlung wurde im Nordwesten von Hameln unweit der Weserschleife die Errichtung eines Erdwärmesondenfeldes geplant. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse waren 13 Erdwärmesonden mit einer Teufe von jeweils 136 Metern vorgesehen. Nach Projektierung und Ausschreibung wurde zunächst mit den Bohrarbeiten zur Errichtung des Sondenfeldes begonnen. Dabei stellte man bereits beim Abteufen der ersten Bohrung einen starken Wasserandrang fest man war in einer Teufe von Metern auf einen artesisch gespannten Grundwasserleiter getroffen (Abb. 1). Hinsichtlich der starken Schüttung und des hohen Kopfdrucks sah sich das zunächst beauftragte Bohrunternehmen nicht in der Lage, das Erdwärmesondenfeld wie beauftragt zu errichten. Dies hätte womöglich zum Scheitern des Gesamtprojektes geführt. Da der Auftraggeber die Erdwärmeanlage gemeinsam mit dem Wärmepumpen-Hersteller 8

2 Oberflächennahe Geothermie Stiebel Eltron projektierte, wurde dessen Tochterunternehmen Geowell GmbH aus Marl involviert. Durch die Einbeziehung dieses erfahrenen Bohrunternehmens sollte geprüft werden, ob eine Realisierung der Erdwärmesondenanlage unter den angetroffenen schwierigen geologischen und hydrogeologischen Verhältnissen überhaupt möglich ist. Gemeinsam mit dem Lieferanten STÜWA Konrad Stükerjürgen GmbH aus Rietberg konnte ein Konzept zur Rettung des Projektes erarbeitet werden. Geologische Verhältnisse Topographie Hameln ist die Kreisstadt des Landkreises Hameln-Pyrmont und liegt südwestlich von Hannover zwischen Herford und Hildesheim. Die Stadt Hameln ist somit im Weserbergland gelegen und wird von der Weser durchflossen. Morphologisch betrachtet liegt die Stadt in einem Talkessel umgeben von Höhenzügen (Wesergebirge im Norden, Lipper Bergland im Westen und Süden, Hohenstein im Osten). Geologischer Rahmen Die geologischen Großlandschaften, auf die man in Niedersachsen trifft, sind das Küstenland (mit Inseln,Watten etc.),die Geest (Altmoränengebiet), das Bergvorland (Lößböden), das Berg- und Hügelland (Mittelgebirgsschwelle) sowie das Mittelgebirge (Harz). Wie bereits in der Beschreibung der Topographie ersichtlich liegt Hameln im Weserbergland, welches dem Berg und Hügelland angehört und somit Teil der Mittelgebirgsschwelle ist. Die horizontale Schichtung der im Mesozoikum ( Ma) abgelagerten Schichten wurde durch spätere tektonische Bewegungen (Osning-Überschiebung) zerstört. Die Osning-Überschiebung bewirkte ein Aufsteilen der mesozoischen Schichten von Süd nach Nord, sodass die Schichten heute generell nach Norden hin einfallen. Des Weiteren kam es im Zuge der Salztektonik zur weiteren Bildung kleinerer Schollen. Hydrogeologie Die im Bereich des Bauvorhabens angetroffenen hydrogeologischen Verhältnisse zeigen zwei grundwasserführende Schichten, sogenannte Aquifere (DIN 09). Der erste Aquifer ist ein Porengrundwasserleiter, bestehend aus Kies und Sand. Dabei bewegt sich das Grundwasser in den Hohlräumen (Poren), wobei zwischen Porenvolumen einerseits und nutzbarem Porenvolumen andererseits unterschieden wird.(hölting & Coldewey [1]). Der Porengrundwasserleiter ist ein oberflächennahes Grundwasserstockwerk, das auch durch sphärisches Wasser aus Niederschlägen gespeist wird. Der Grundwasserflurabstand beträgt neun Meter. Die darüber befindliche geringmächtige Deckschicht kann als Grundwasserhemmer bzw. -stauer bezeichnet werden.im Liegenden dieses ersten Grundwasserleiters folgt ein kompaktes Festgestein, welches bis zu einer Teufe von ca. Metern als Grundwasserstauer zu beschreiben ist. Ab dieser Teufe treten Klüfte auf, in denen Grundwasser zirkuliert. Es handelt sich dabei um ein zweites Grundwasserstockwerk, bestehend aus einem Kluftgrundwasserleiter (Hölting & Coldewey [1]), welcher sich als sehr ergiebig und noch dazu artesisch gespannt darstellt. Die Druckspiegelhöhe liegt bei ca. 10 Metern über Gelände und somit noch 19 Meter über der freien Grundwasseroberfläche des höheren ersten Grundwasserstockwerks. Schichtenfolge der Bohrungen Die abgeteuften Bohrungen haben abgesehen von geringen Abweichungen (im Bereich von bis zu einem Meter) die gleiche Schichtenfolge erbohrt (Abb. 2). Diese zeigte entsprechend den Erwartungen die auch an der Oberfläche anstehenden quartären und triassischen Gesteine. So wurden zunächst die im Quartär sedimentierten Schichten bestehend aus sandigem Lehm (Holozän) (bis ca. zwei Meter) gefolgt von ebenfalls quartären sandigen Kiesen (Pleistozän) erbohrt. Bei den Kiesen handelt es sich um Terrassenschüttungen der Weser. Dies ist aufgrund der direkten Nähe des Bauvorhabens zum heutigen Flussbett der Weser nicht anders zu erwarten. Im Liegenden der Lockersedimente erschloss die Bohrung das aus der Trias stammende Festgestein. Es handelt sich dabei um karbonatführende Tonstein- und Mergelsteinfolgen, die im Wesentlichen kompakt und fest sind.die Härte des Gesteins sowie der daraus resultierende Bohrwiderstand äußerte sich sowohl durch die Schlagtätigkeit des Hammers (Imlochhammer-Bohrung) als auch durch den Bohrfortschritt und zeigte eine deutliche Zunahme der Härte mit zunehmender Teufe. Die stark Wasser führenden Klüfte wurden während des Bohrfortschritts nicht durch eine Veränderung des Bohrwiderstands festgestellt, sondern äußerten sich lediglich durch den enormen Wasserandrang und den starken Druck. Lithologisch unterscheidet sich der geklüftete Bereich nicht vom hangenden oder liegenden Gestein. Rohrleitungsbau Fernwärme KMR-Systeme SMR-Systeme Sanierung Unterhalt Josef Pfaffinger Bauunternehmung GmbH Wiener Straße Passau Tel Fax info@pfaffinger.com 9

3 Grundlagen, Technik, Verfahren Geothermie Anhand der Lithologie und des Ausbaus der Bohrungen zu Erdwärmesonden wurden die Parameter: Wärmleitfähigkeit, spezifischer Bohrlochwiderstand und spezifische Wärmekapazität abgeschätzt. Dazu wurden die auch üblicherweise bei der Auslegung von Erdwärmesonden verwendeten Informationen verwendet. Eine erste Überprüfung der Auslegung bezüglich der Dimensionierung wurde mit den abgeschätzten Werten anhand einer EED- Simulation überprüft und bestätigt. Die Wärmeleitfähigkeit wurde dabei mit 2,2 W/(m K), der spezifische Bohrlochwiderstand mit 0,9 (m K)/W und die Wärmekapazität mit 2,3 MJ/(m 3 K) berechnet. Als Resultat wird mit einer spezifischen Entzugsleistung von ca. W/m gerechnet. Zudem ist die Überprüfung der angenommenen Werte mit Geothermal-Response-Tests (GRT) an mehreren Erdwärmesonden vorgesehen. Ergebnisse liegen hier jedoch noch nicht vor. GOK 66,00 3,0 61,00 9,0 6,00 1,00 6,00 1,00 1,0 28,0 36,00 31,00 26,00 21,00 16,00 11,00 6,00 60,0 1,00 -,00-9,00-1,00-19,00-2,00-29,00-3,00-39,00 -,00-9,00 -,00-9,00-6,00-69,00-70,00 136,0-70,0 Profil +66,00 Auffüllung, locker, Schotter, Lehm, braunocker Mittel- bis Grobkies, mittelsandig, locker, beige-braun Mittel- bis Grobkies, grobsandig, kalkfrei, locker, grau-braun Mergelstein, kalkhaltig, fest, mittelhart bis hart, rot-grau Mergelstein, kalkhaltig, fest, geringhart bis hart, Keine Klüfte nach Bohrfortschritt, hellgrau Tonstein, kalkfrei, fest, mittelhart bis hart, keine Klüfte nach Bohrfortschritt 9,00 GW Konzept Die in Zusammenarbeit von Bohrfirma und Lieferant vorgeschlagene Problemlösung sollte die Herstellung der Erdwärmesonden ohne Gefährdung des Grundwassers bei Sicherstellung der Standfestigkeit des Baugrundes vor Ort gewährleisten. Hierzu war geplant, den in der Schweiz entwickelten EWS Gewebepacker GEOtightTM (bbr 2008) in Kombination mit GEROtherm - Erdwärmesonden einzusetzen (Abb. 2).Jener Gewebepacker ermöglicht es, unterschiedliche Grundwasserstockwerke in beliebiger Einsatztiefe absolut dicht zu trennen und Bohrungen gegen eventuell angetroffene Arteser und/oder Gaszutritte dauerhaft abzudichten. Dabei kann der 3,0 6,0 6,0 13,0 32,0 76,0 0,00 m Ausbauplan Erdsonde Packer-Position -1,20 m -0,00 m -2,00 m,00 GW artesisch gespannt -,00 m -13,0 m -136,00 m Abb. 2 Schichtenverzeichnis mit Einbausituation des Gewebepackers Füllboden Dämmer-Schwerspat-Suspension Bohrung Ø 162,00 mm Packer ES-Ablauf DN 2,00 ES-Zulauf DN 2,00 Dämmer-Suspension Bohrung Ø 1,00 mm Erdsonden-Fuß DN 2,00 Packer mit variabler Abdichtungslänge punktgenau positioniert werden. Die eingesetzte Erdwärmesonde mit Sondenrohren aus PE100-RC bietet zudem gegenüber dem ebenfalls schon bewährten PE100 einen Zugewinn an Sicherheit in Bezug auf die Gefahr einer eventuellen Abb. 3a+b Artesisch austretendes Grundwasser / Sicherung mittels Preventer Abb. Packer-Kit vor dem Einbau 60

4 Oberflächennahe Geothermie Beschädigung. Die durchaus hohe und oftmals unterschätzte mechanische Beanspruchung während Einbau und anschließendem Verpressen kann bei herkömmlichen Erdwärmesonden Schäden vor allem durch Kontakt mit der Bohrlochwand verursachen. Die Kombination von Packer und widerstandfähigeren Erdwärmesondenrohren stellt somit eine optimale Abdichtungsmethode dar, mit der für dieses Projekt eine sichere und dauerhafte Beherrschung des artesisch gespannten Aquifers sichergestellt werden konnte. Zu guter Letzt war geplant, den jeweiligen Bohrlochabschnitt im Bereich über der Packerstrecke mit einer Schwerspat-Zement-Ton-Suspension von hoher Dichte zu sichern. Das Bohrunternehmen erstellte in enger Zusammenarbeit mit der Unteren Wasserbehörde der Stadt Hameln sowie dem Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie des Landes Niedersachsen (LBEG) einen Wasserrechtsantrag, in Gewebepacker für 32er Erdwärmesonden Pos. Abb. Schemazeichnung Gewebepacker GEOtight TM Beschreibung Dichtungsscheiben oben Ø 32/Ø 32/Ø 2 Dichtungsscheiben unten Ø 32/Ø 32 Filtergewebeschlauch Ø 10 Bridenband Ø 110-Ø 130 Reduktionsrohr Ø 32/Ø 2 Gewebepacker für 0er Erdwärmesonden Pos Beschreibung Dichtungsscheiben oben Ø 0/Ø 32/Ø 2 Dichtungsscheiben unten Ø 0/Ø 32 Filtergewebeschlauch Ø 17 Bridenband Ø 110-Ø 130 Reduktionsrohr Ø 32/Ø 2 Menge 2, m Stk. 2 Stk. Menge 2, m Stk. 2 Stk. dem der Einbau von Erdwärmesonden in den artesisch gespannten Aquifer unterhalb der Neubausiedlung projektiert wurde. Dieser sah die Verwendung der genannten Gewebepacker vor. Aufgrund der engen Kooperation von Behörden und Planern im Vorfeld konnte eine rasche Genehmigung des Vorhabens erfolgen und die Arbeiten zeitnah in Hinblick auf eine rechtzeitige Fertigstellung begonnen werden. Durchführung Für die ca. 100 kw Heizleistung der 13 Haushalte werden ca. 80 kw Kälteleistung benötigt. Das Erdwärmesondenfeld, bestehend aus insgesamt 13 Bohrungen mit einer Sondenlänge von jeweils 136 Metern, ist ausreichend groß dimensioniert, um die geforderte Kälteleistung zu erbringen. Der artesisch gespannte Grundwasserleiter wurde wie erwartet in einer Teufe von Metern angetroffen. In Hinblick auf den sicheren Einbau war zunächst geplant, den Packerstrang nach Erreichen der Endteufe in der bis 6 Meter mitgeführten Verrohrung Ø 12 mm zu positionieren und mit Ziehen der Schutzrohrtour zu aktivieren. Bedingt durch die schwierigen geologischen Verhältnisse im klüftigen Bereich des Arteserzulaufes kam es jedoch beim Ziehen zu einem Abriss einer Rohrverbindung und zum Verlust einiger Meter der Schutzverrohrung. Vor Einbringen der mit gut 7 Kilogramm bestückten Erdwärmesonde wurde zunächst der Gewebeschlauch über Sonde und Sondengewichte gestreift und an der Brechzange der Bohranlage gesichert. Zuvor wurde die Charakteristik des Artesers unter Verwendung eines speziellen Preventers ermittelt (Abb. 3b). Die Schüttung lag in diesem Fall bei ca. 8 l/s bei einem anstehenden Kopfdruck von gut 0,8 bar. Bei einer der folgenden Bohrungen lag die maximale Schüttung sogar bei 1 l/s. Dies entspricht in etwa einer Wassermenge von sechs Badewannenfüllungen pro Minute. Trotz der genannten Problematik konnte die bis auf Endteufe eingebaute Sonde im unteren Bereich bis knapp über die Packersetztiefe von 2 Metern ohne Probleme mittels einer Zement- Bentonit-Suspension der Dichte 1,6 kg/l hinterfüllt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass für diese speziellen Verpressarbeiten neben den vier Rohrsträngen der Duplex-Sonde zusätzlich drei weitere PE-Rohre als verlorene Injektionsschläuche eingebaut werden mussten. Die Dichtscheiben oberhalb und unterhalb des Filtergewebeschlauches sind mit entsprechenden vertikal eingeschnittenen Durchführungen versehen und wurden unter Verwendung von Edelstahlschlauchschellen exakt fixiert (Abb., 6, 7). Hierbei stellte sich die in beide Richtungen laufende Meterkennzeichnung auf der Sonde als durchaus hilfreich dar. Die in der Mitte geführte Injektionsleitung DA 2 wurde dann bis kurz vor die untere Packerscheibe eingeführt. Diese diente zur Injektion der Zement- Bentonit-Suspension in den Packer. Abschließend wurde der oberhalb der Packerstrecke verbleibende Bohrlochringraum mit einer mittels Schwerspat beschwerten Bentonit-Zement-Suspension der Dichte 1,8 kg/l bis zur Geländeoberkante verplombt. 61

5 Grundlagen, Technik, Verfahren Abb. 6 Montage der unteren... Abb. 8 Einschieben des Packerabschnittes in die Bohrung Abb sowie der oberen Packerscheibe Aufgrund der Erfahrungen, die bei dem Einbau der ersten Erdwärmesonde gewonnen werden konnten, wurde die weitere Vorgehensweise der anstehenden Geologie angepasst. Der Anfangsbohrdurchmesser wurde auf 178 mm erhöht und die Bohrverrohrung einige Meter oberhalb des erwarteten Arteserabschittes im standfesten Gebirge abgesetzt. Anschließend wurde unverrohrt mittels Imlochhammer im Durchmesser von 12 mm bis auf Zielteufe abgebohrt. Die Durchführung der Bohrarbeiten im Festgestein unter dem anstehenden stark gespannten Grundwasser erwies sich auch weiterhin als außergewöhnlich zeit- und personalintensiv. Der Bohrfortschritt war aufgrund des hohen Druckes mitunter sehr gering und die Ableitung der zutage tretenden Wassermengen gestaltete sich entsprechend aufwendig. Zu diesem Zweck wurden zwei Zwischenpumpstationen eingerichtet. Das erste Becken diente zur kontrollierten Fassung der Wassermengen in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Bohrpunktes. Ab hier wurde dann mittels einer Schmutzwasserpumpe in einen 7 m 3 fassenden Absetzcontainer gefördert.von dort aus konnte das nunmehr geklärte Wasser in den benachbarten Kanal eingeleitet werden. Trotz der entsprechend groß dimensionierten Sondengewichte musste aufgrund des hohen Druckes die Sonde inklusive Packer mithilfe dreier Mitarbeiter in das jeweilige Bohrloch eingelassen und positioniert werden (Abb. 8). Durchschnittlich war somit für den Einbau und das Verpressen einer Erdwärmesonde von einem ganzen Arbeitstag auszugehen. Da der Bau der Siedlung mittlerweile entsprechend fortgeschritten war und weitere beteiligte Gewerke ebenfalls ihrer Tätigkeit auf der Baustelle nachgehen mussten, wurde das Einrichten der Bohrpunkte und vor allem das Umsetzen zur jeweils folgenden Bohrstelle entsprechend koordiniert. Zudem war es bedingt durch die ohnehin beengten Platzverhältnisse problematisch, die erforderliche Infrastruktur zur Durchführung solcher Arbeiten zu schaffen. Im Zuge des Projektes wurden alle Erdwärmesonden in der beschriebenen Weise errichtet. Nachdem die Erdwärmesonden angebunden wurden, konnte schlussendlich eine funktionierende und sichere Erdwärmeanlage übergeben werden. Gerade aufgrund der mehrfach erfolgreichen Wiederholung und Modifizierung der einzelnen Arbeitsabläufe konnten wertvolle Erfahrungen gemacht werden, wodurch der Einsatz von Packern bei künftigen Projekten deutlich effizienter durchgeführt werden wird. 62

6 Oberflächennahe Geothermie Ausblick Die Genehmigung und letztendlich die Durchführung von Erdwärmesondenprojekten in geologisch bzw. hydrogeologisch sensiblen Bereichen birgt bisher für alle Beteiligten scheinbar hohe Risiken. Diese Angst reicht im Allgemeinen von hohen Auflagen bis hin zur Ablehnung des gestellten Wasserrechtsantrages. Die Verwendung des Gewebepackers in Verbindung mit der Erdwärmesonde bietet eine Chance, eben diese Risiken realistisch einzuschätzen und eine Einsatzmöglichkeit unter diesen neuen Gegebenheiten eingehend zu prüfen. Somit kann das Einsatzgebiet der oberflächennahen Geothermie durch Vorgabe der nötigen Vorschriften weiter ausgedehnt werden. Auch in Bereichen von Erkundungsbohrungen bzw. im Brunnen- und Messstellenbau ist die Verwendung eines Packers in abgeänderter Form durchaus denkbar und vorteilhaft.vor allem aber wird den durchführenden Unternehmen eine Standardlösung an die Hand gegeben, die im Ernstfall an der Baustelle schnelle und einfache Hilfe garantiert sowie kostenintensive Folgeschäden verhindert. Das beschriebene Praxisbeispiel zeigt, dass trotz äußerst ungünstiger Verhältnisse sowohl in geologischer als auch standortspezifischer Sicht Lösungen gefunden werden können. Dies setzt jedoch einen offenen Umgang mit der Problematik und nicht zuletzt Bereitschaft und Willen zur konstruktiven Kooperation aller Mitwirkenden insbesondere der Behörden voraus; auch Autoren: Dipl.-Geol. Thomas Perrefort Geowell GmbH Neckarstr. 768 Marl Tel.: Fax: Internet: wenn oder gerade weil der Himmel über der Erdwärme aufgrund einiger Negativschlagzeilen aus jüngster Vergangenheit leicht bewölkt zu sein scheint. Literatur [1] Hölting, B., Coldewey, W. G. (200): Hydrogeologie Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. 326 S. 118 Abb., 69 Tab.; München. Abbildungen: Geowell GmbH/STÜWA K. Stükerjürgen GmbH außer Abb. 2 + : HakaGerodur AG Dipl.-Ing (FH) Sebastian Quante STÜWA Konrad Stükerjürgen GmbH Hemmersweg Rietberg Tel.: Fax: sebastian.quante@stuewa.de Internet: Erstellung von Erdwärmeanlagen - Von der Bohrung bis zum soleseitigen Maschinenanschluss - komplette Kälteisolierung - alle Erdarbeiten - kompletter Leistungsumfang auch für Großanlagen Planung - Auslegung der Sondenfelder durch eigene Geologen gestützt durch GRT und EED-Langzeitsimulation - Systemoptimierung der Rohrnetze und Berechnung von Druckverlusten Begutachtung/Reparatur - von Anlagen mit Fehlfunktionen oder Störungen Geowell GmbH - Neckarstraße Marl Tel: / Fax:+9 236/ info@geowell.de 63