1. Was sind Erdwärmesonden?
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- Herta Martin
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2 1. Was sind Erdwärmesonden? 1.1 Abgrenzung zu anderen Verfahren zur Erdwärmenutzung Technische Verfahren zur Erdwärmenutzung orientieren sich am zu nutzenden geothermischen System. Abbildung 1 gibt einen Überblick und zeigt zugleich, wo Erdwärmesonden in diesem Zusammenhang einzuordnen sind. 1.2 Funktionsweise von Erdwärmesonden Erdwärmesonden werden in vertikalen Bohrungen von wenigen Metern bis über 100 m Tiefe installiert. Im Sondenkreislauf wird eine Wärmeträgerflüssigkeit durch den Boden und meistens durch das Grundwasser geleitet, um die darin gespeicherte Wärme aufzunehmen. In einem Wärmetauscher wird die Flüssigkeit dann wieder abgekühlt. Die gewonnene Energie wird in der Regel zu Heizzwecken weiterverwendet. Vom Bauprinzip her unterscheidet man U-Rohr-Sonden und Koaxialrohr-Sonden (Abb. 2). Erdwärmesonden mit dichter Ringraumverfüllung sind über die gesamte Länge im Ringraum des Bohrlochs von einer erstarrungsfähigen, abdichtend wirkenden Suspension umgeben. Im Gegensatz dazu wird das Bohrloch bei Erdwärmesonden mit durchlässiger Ringraumverfüllung mit porösen Materialien (Kies, Kies-Sand) verfüllt, um den direkten Kontakt des fließenden Grundwassers mit der Sonde zu ermöglichen und damit die Wärmezuführung zu optimieren.
3 2. Wasserrechtliche Beurteilung von Erdwärmesonden Nachdem bei Erdwärmesonden Grundwasser weder entnommen noch eingeleitet wird, kommen die Benutzungstatbestände des 3 Abs. 1 Nr. 5 und 6 WHG nicht in Betracht. Ein wasserrechtlicher Benutzungstatbestand nach 3 Abs. 2 Nr. 2 WHG und damit ein wasserrechtliches Erlaubnisverfahren ( 7 WHG) kann im Zusammenhang mit Erdwärmesonden vorliegen, wenn es sich um Maßnahmen handelt, die geeignet sind, dauernd oder in einem nicht unerheblichen Ausmaß schädliche Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Wassers herbeizuführen. Geeignet ist eine Maßnahme, wenn Anhaltspunkte für eine Schädigung bestehen. Die Temperaturänderung des Grundwassers durch Erdwärmesonden ist jedoch regelmäßig nicht geeignet, das Grundwasser nachteilig zu beeinflussen. Gleiches gilt für die in Erdwärmesonden verwendeten Wärmetransportmittel, wenn diese als im allgemeinen nicht wassergefährdend (WGK 0) eingestuft sind. Damit liegt unter den Gesichtspunkten Wärmeentzug und verwendetes Wärmetransportmittel eine Gewässerbenutzung nach 3 Abs. 2 Nr. 2 WHG im Zusammenhang mit Erdwärmesonden nicht vor. Verunreinigungen des Grundwassers können allerdings während des Bohrvorgangs und vor allem bei der Durchbohrung verschiedener Grundwasserstockwerke auftreten. Insoweit kann ein Benutzungstatbestand nach 3 Abs. 2 Nr. 2 WHG in Betracht kommen. Dies ist anhand der nachstehend entwickelten Kriterien zu beurteilen. 3. Rahmenbedingungen für Erdwärmesonden Für den Verwaltungsvollzug sind einfach handbare Kriterien entscheidend. Deshalb ist für die Entscheidung, ob im Einzelfall die Bohrung für die Installation einer Erdwärmesonde geeignet ist, eine schädliche Verunreinigung des Grundwassers herbeizuführen, die vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg erarbeitete Übersichtskarte "Hydrogeologische Rahmenbedingungen für die Anlage von Erdwärmesonden in Baden-Württemberg" (Anlage 1) zugrunde zu legen und einer der 4 Fallgruppen zuzuordnen: 4. Anzeige der Bohrung und Verfahrensablauf Nach 37 Abs. 2 Wassergesetz i.v. mit der Verordnung des Innenministeriums über die Überwachung von Erdaufschlüssen vom (GBI. 1962, S. 3) sind die Bohrungen für die Installation von Erdwärmesonden, der Wasserbehörde anzuzeigen. Als erforderliche Unterlagen sind einzureichen: - ein Lageplan 1: und ein Detaillageplan, möglichst bereits mit Kurzangabe des erwarteten Bohrprofils (unter Hinweis auf verwendete Unterlage wie z.b. hydrogeologischer Kartierung, Informationen von nahegelegenen Aufschlüssen,...) - Beschreibung der Bohrtechnik und der Gesamtanlage, i.d.r. Produktinfortnation des Herstellers. Die Beschreibung sollte Auskunft über das Bohrverfahren, die Wärmeträgerflüssigkeit, die Kontrolleinrichtungen, den Umfang und die Dokumentation der Eigenkontrolle geben. Die Wasserbehörde hat den Eingang der Anzeige und die Vollständigkeit der eingereichten Unterlagen unverzüglich zu bestätigen. Erfolgt innerhalb eines Monats keine weitere Äußerung der unteren Wasserbehörde, kann der Betreiber davon ausgehen, daß für die Bohrung keine Erlaubnispflicht besteht. Kommt die untere Wasserbehörde zu dem Ergebnis, daß für die Bohrung eine Erlaubnisbedürftigkeit besteht, teilt sie dem Betreiber mit, daß seine Anzeige als Antrag auf Durchführung des vereinfachten Erlaubnisverfahren nach 108 Abs. 4 Satz 1 Nr. 2 WG gewertet wird. Die Erlaubnis gilt nach 108 Abs. 4 Satz 2 WG als erteilt, wenn die Wasserbehörde nicht innerhalb eines Monats nach Eingang der Anzeige ein Erlaubnisverfahren nach 108 Abs. 3 WG einleitet. Auch im vereinfachten Erlaubnisverfahren ist die Förderung regenerativer Energiequellen als öffentlicher Belang zu berücksichtigen ( 6 WHG). Vereinfachtes Erlaubnisverfahren nach 108 Abs.4 WG und Erlaubnisverfahren nach 108 Abs. 3 WG stehen in einem Regel-Ausnahme-Verhältnis, d. h. ein Erlaubnisverfahren nach 108 Abs. 3 WG wird nur in Ausnahmefällen in Betracht kommen.
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5 5. Hinweise zur Bauausführung Die Nutzung der Erdwärme mit Erdwärmesonden hat entsprechend den technischen Vorschriften und Regeln, insbesondere der VDI-Richtlinie 4640 Blatt 1 und 2 (Liegen nur als Entwurf vor. Weißdruck Anfang 1999) zu erfolgen. Mit den Ausführungsarbeiten dürfen nur Bohrunternehmen, die als Fachfirma nach DVGW-Merkblatt W 120 zertifiziert sind, beauftragt werden. Die nachfolgend aufgeführten Hinweise zur Ausführung und Dokumentation der Bohrung gehören zum Stand der Technik und werden von den Fachfirmen bei jeder Bohrung standardmäßig ausgeführt. Sie ergeben somit keinen zusätzlichen Aufwand beim Bau von Erdwärmesonden. Der Bohrbeginn ist dem Geologischen Landesamt mindestens 2 Wochen in voraus anzuzeigen, um diesem im Einzelfall zu ermöglichen, bei der Bohrung vor Ort zu sein. Die bei der Bohrung angetroffene Schichtenfolge ist durch eine geologische Aufnahme zu dokumentieren. Falls eine eindeutige Klärung der geologischen Verhältnisse, besonders bei Stockwerksbau, anhand der Bohrproben nicht möglich ist, ist ein gamma-log zu fahren. Werden mehrere Bohrungen eng benachbart niedergebracht, können bei ungestörten geologischen Lagerungsverhältnissen auf Antrag bei der Genehmigungsbehörde bestimmte Bohrungen von einer ausführlichen Dokumentation der Bohrergebnisse ausgenommen werden (nur Kurzprofil). Das Bohrgut ist für eine Aufnahme durch das Geologische Landesamt 1 Monat lang aufzubewahren. Beim Abteufen der Bohrung sind Grundwasserstände, Spülverluste, evtl. ausgeblasene Wassermengen, Hohlräume, Klüftigkeit etc. zu protokollieren. Bei Anomalien ist das weitere Vorgehen mit der unteren Wasserbehörde abzustimmen. Die Ergebnisse der Bohrung (Lageplan mit Gauß-Krüger-Koordinaten, Geländehöhe des Bohransatzpunktes, Protokoll des Bohrmeisters, Schichtenverzeichnis, Ausbauplan, Logs, sonstige Untersuchungsergebnisse) sind der unteren Wasserbehörde zu übersenden. Im Festgestein ist das Bohrloch bzw. der Bohrlochringraum vollständig mit einer Suspension abzudichten, um eine Verbindung unterschiedlicher wasserführender Klüfte zu verhindern. Die Suspension muß nach Erhärtung dauerhaft dicht und beständig sein (z.b. Zement-Bentonit-Gemisch). Um die sichere Abdichtung bautechnisch durchführen zu können, ist der Bohrdurchmesser ausreichend groß zu wählen und die Sonde zentrisch einzubringen. Die Menge der Suspension ist zu erfassen. Übersteigt das Verpressvolumen das zweifache des Bohrlochvolumens, ist der Verpreßvorgang zu unterbrechen und unverzüglich die Genehmigungsbehörde zu informieren. Dies ist erforderlich, da bei der Ringraumverpressung in hochdurchlässigen Grundwasserleitern Dichtungsmaterial in größeren Mengen in Klüfte oder Hohlräume gelangen kann. Neben der Beeinträchtigung der Grundwasserqualität besteht die Gefahr, daß wasserwegsame Zonen abgedichtet werden. Bei Erdwärmesonden, die in der ungesättigten Zone nicht durchgängig abgedichtet sind, können oberflächennahe Verunreinigungen leichter in das Grundwasser gelangen. Diese Gefahr ist gerade in Siedlungsgebieten groß. Aus diesem Grund müssen Bohrloch und Erdwärmesonde gegen das Eindringen von Flüssigkeit und vor unbefugten Manipulationen gesichert sein. Am Kopf der Sonde ist ein Standrohr zu setzen, das von der Verpreßmasse sichtbar ausgefüllt ist. Wärmeträgerflüssigkeiten können bei Leckagen im Sondenkreislauf in das Grundwasser gelangen und die Grundwasserqualität nachteilig beeinflussen. Die verwendeten Materialien für die Sonde müssen deshalb dicht und beständig sein. Der Sondenkreislauf ist mit einem Druck-/Strömungswächter auszustatten, der bei Abfall des Flüssigkeitsdrucks in der Anlage die Umwälzpumpe sofort abschaltet, so daß nur geringe Mengen der Wärmeträgerflüssigkeit austreten können.
6 Zusätzliche Hinweise zur Bauausführung in Gebieten, in denen die Anlage von Erdwärmesonden bis zur Basis des obersten Grundwasserleiters hydrogeologisch günstig, bei größeren Tiefen wegen Stockwerksgliederung ungünstig ist. Auch diese Arbeiten werden von den Fachfirmen beim Antreffen dieser Geologie standardmäßig ausgeführt und ergeben somit keinen zusätzlichen Aufwand. Durch die Bohrungen können verschiedene Grundwasserstockwerke kurzgeschlossen und ein stockwerksübergreifender Grundwasserfluß ermöglicht werden. Dies kann zu qualitativen und quantitativen Veränderungen der Grundwasservorkommen in den einzelnen Stockwerken führen. Deshalb sollen Erdwärmesonden die Basis des obersten Grundwasserleiters nicht durchstoßen. Wird von diesem Grundsatz abgewichen ist darzulegen wie eine sichere und nachhaltige Wiederherstellung der Stockwerkstrennung erreicht wird. Beeinträchtigungen von Grundwasserfassungen durch Spülungszusätze und Material für Ringraumabdichtungen (Eintrübungen, Kontaminationen, Bakterien) können vor allem in hochdurchlässigen Grundwasserleitern auftreten. In solchen Fällen soll beim Bohren auf Spülung außer mit Luft und Wasser in Trinkwasserqualität verzichtet werden. 7. Hinweise für den Betrieb Die Fertigstellung ist der Genehmigungsbehörde mitzuteilen und die Dichtheit der Anlage durch Vorlage des Protokolls der Druckprobe entsprechend VDI 4640 Blatt 2, Nr zu dokumentieren. Als Betriebsflüssigkeiten dürfen nur Flüssigkeiten der Wassergefährdungsklasse 0 eingesetzt werden. Der Sondenkreislauf sowie der Druckwächter sind durch den Betreiber regelmäßig (mindestens alle 3 Monate) zu kontrollieren. Wird eine Undichtigkeit im Sondenbereich festgestellt, ist die Wärmeträgerflüssigkeit aus der Sonde auszuspülen. Die Leckage ist der unteren Wasserbehörde umgehend mitzuteilen. Das weitere Vorgehen ist mit der Behörde abzustimmen. Bei Außerbetriebnahme der Erdwärmesonde ist die Wärmeträgerflüssigkeit auszuspülen und ordnungsgemäß zu entsorgen. Die Sonde ist vollständig mit dauerhaftem Material zu verpressen. Die ordnungsgemäße Stillegung ist der unteren Wasserbehörde mitzuteilen.
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