Qualitätssicherung bei der Herstellung von Erdwärmesonden

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1 Qualitätssicherung bei der Herstellung von Erdwärmesonden Bohrloch- / Ringraumverpressung Vorbemerkung: Das vorliegende Arbeitspapier soll exemplarisch einige Vor- und Nachteile verschiedener Verpress- / Verfüllmittel für Erdwärmesonden betrachten. Dabei wird der Schwerpunkt auf die Auswirkungen hinsichtlich der Bohrmeterzahl gelegt. Ein Anspruch auf Vollständigkeit der durchgeführten Betrachtungen wird nicht erhoben. 1 Vorgang Zweck der Ringraumverpressung Nach dem Einbau der Erdwärmesonde (werkseitig angeschweißter und druckgeprüfter Sondenfuss) ist die Verpressung des Bohrloches vorzunehmen. Dies dient vor allem der Abdichtung hydraulischer Kontakte zwischen verschiedenen Grundwasserstockwerken (ausdrückliche Forderung der Genehmigungsbehörde) und der Schaffung einer thermischen Kontaktzone zwischen der Erdwärmesonde und dem umgebenden Gestein (Wärmequelle). Die Verpressung hat grundsätzlich von unten nach oben zu erfolgen um die Bildung von Hohlräumen im Bohrloch zu vermeiden (Verschlechterung des Wärmeaustauschs). Für die Verpressung stehen verschiedene Produkte zur Verfügung, die zum Teil explizit für diese Anwendung hergestellt sind bzw. aus dem Bereich des Brunnenbaus übernommen wurden. Die nachfolgenden Ausführungen zeigen in zusammengefasster Form Vor- und Nachteile verschiedener, praxisüblicher Verpressmaterialien und ihre Auswirkungen auf Herstellung und Betrieb eines Sondenfeldes. 2 Eingesetzte Verpressmittel Aktuell finden bei der Verpressung / Verfüllung von Erdwärmesonden vor allem folgende Stoffe und Produkte Verwendung (unabhängig von der wasserrechtlichen Zulässigkeit): 1. Speziell angepasste Verpressmischungen (z.b. Calidutherm, Thermocem ) Wärmeleitfähigkeit λ 1, W/m K 2. Produkte aus dem Brunnenbau (z.b. Brunnendämmer) Wärmeleitfähigkeit λ häufig um 0,6... 0,8 W/m K 3. Sonstiges (z.b. Bohrgut und sonstige Stoffe) Wärmeleitfähigkeit λ von Material- und Einbauart sowie Wassergehalt abhängig, meist deutlich kleiner als bei den obigen Produkten (zudem wasserrechtlich nicht zulässig) Seite 1 von 5

2 Wie zu erkennen ist, zeichnen sich speziell angepasste Verpressmischungen z.b. grundsätzlich durch eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit gegenüber Standartprodukten aus. Dies wirkt sich signifikant auf den thermischen Bohrlochwiderstand einer Erdwärmesondenbohrung aus. Hohe thermische Bohrlochwiderstände bewirken unter gleichen Rahmenbedingungen eine Erhöhung der Bohrmeterzahl sowie einen zeitlich verzögerten Wärmeaustausch zwischen der Erdwärmesonde (Sole) und dem umgebenden Gestein. Dies ist annähernd mit einem elektrischen Widerstand in einem Stromkreis vergleichbar. Hohe elektrische Widerstände bewirken hier einen verringerten Stromfluss (analog zum geringeren Wärmefluss bei hohen thermischen Bohrlochwiderständen). Geringe elektrische Widerstände führen im Gegenzug zu einem erhöhten Stromfluss (analog zum erhöhten Wärmefluss bei geringen thermischen Bohrlochwiderständen). Der thermische Bohrlochwiderstand kann neben der exakten standortspezifischen Wärmeleitfähigkeit über einen Thermal-Response-Test (TRT) an einer fertiggestellten Sonde gemessen werden. In der nachfolgenden Graphik sind die thermischen Bohrlochwiderstände von 12 Erdwärmesonden (Nummern 1 bis 12) zusammengestellt, die im 3. und 4. Quartal 2007 hergestellt wurden und an denen ein TRT durchgeführt worden ist. Vergleich gemessener thermischer Bohrlochwiderstände Bohrlochwiderstand [K/W m] 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Standort/Sonde Abbildung 1: Beispiele gemessener thermischer Bohrlochwiderstände Die Standorte der Erdwärmesonden und die Art des Verpress- / Verfüllmaterials werden wie folgt zusammengefasst: Markenprodukt für Erdwärmesonden Produkt aus dem Brunnenbau Unbekannte Verfüllung 1 Bayern 5 Hessen 9 Nordrhein - Westfalen 2 Thüringen 6 Sachsen 10 Thüringen 3 Sachsen 7 Rheinland - Pfalz 11 Nordrhein - Westfalen 4 Nordrhein - Westfalen 8 Thüringen 12 Bayern Seite 2 von 5

3 Gute bis sehr gute thermische Bohrlochwiderstände sind geringer als etwa 0,09 bis 0,1 K/W m. Ab etwa 0,12 K /W m kann der thermische Bohrlochwiderstand als mäßig bis zunehmend schlechter eingestuft werden. 3 Auswirkungen Die Auswirkungen verschiedener Verpressmittel auf die erforderliche Bohrmeterzahl sind für das nachfolgende Beispiel berechnet worden. Eckdaten der Anlage A) Geologische Randbedingungen / Standort Standort Dresden Sondentiefe: 100 m (Doppel U, HDPE DN 32 mm, Wandstärke 2,9 mm) Schichtenfolge: 5 m Mittelsand, trocken 10 m Mittelsand, wassergesättigt 85 m Mergelstein effektive Wärmeleitfähigkeit λ =1,95 W/m K (ermittelt über Thermal - Response - Test) Anordnung der Sonden in U Form, Abstand je 8 m Bohrlochdurchmesser: 150 mm B) Thermische und anlagentechnische Randbedingungen Heizleistung: 90 kw bei 2000 Betriebsstunden pro Jahr Kühlleistung: 55 kw bei 1500 Betriebsstunden pro Jahr Vorgabe der Soletemperatur nach 25 Jahren (max.: 25 C; min.: 0 C) Jahresarbeitszahl Heizbetrieb: 4,2; Kühlung als freie Kühlung Wärmeträgerfluid: Monoethylenglycol (25%) Aufteilung der jährlichen Heiz- und Kühlarbeit nach Tabelle 1 Tabelle 1: Verteilung der Heiz- und Kühlarbeit Monat Heizung Kühlung - kwh % kwh % Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Summe Betriebsstunden Heizen: 2000 Betriebsstunden Kühlen: 1500 Seite 3 von 5

4 Berechnung der erforderlichen Bohrmeter Vorbemerkung: Bei den durchgeführten Betrachtungen ist zwingend zu berücksichtigen, dass es sich um ein Beispiel handelt, welches unter realistischen Randbedingungen berechnet wurde. Dennoch wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Ansätze und Ergebnisse nicht pauschal auf andere Fälle übertragen werden können (jeweils unterschiedliche Randbedingungen). In der Berechnung wurden drei verschiedene Verpress- / Verfüllmaterialien verwendet. Alle angesetzten Werte für Wärmeleitfähigkeit und Bohrlochwiderstand entstammen realen Bohrungen. Bei Typ 1 handelt es sich um ein speziell für die Verpressung von Erdwärmesonden hergestelltes Markenprodukt mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m K und einem gemessenen Bohrlochwiderstand von 0,07 K/W m. Typ 2 repräsentiert ein Produkt aus dem Brunnenbau mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/m K und einem gemessenen Bohrlochwiderstand von 0,12 K/W m. Die dritte Modellbohrung (Typ 3) wurde mit Bohrgut unvollständig verfüllt (Bohrloch von oben zugeschüttet). Es wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/m K und ein Bohrlochwiderstand von 0,23 K/W m angenommen. Die angesetzten Werte sind beispielhaft für eine Bohrung mit oberflächennahem Grundwasserstand. Für Bohrungen mit tiefem Grundwasserstand können die Werte für Wärmeleitfähigkeit und Bohrlochwiderstand noch deutlich schlechter sein. Unter Beachtung der oben aufgeführten Eckdaten der Anlage werden folgende Bohrmeterzahlen benötigt (Abbildung 2). Auswirkung der Verpressung auf die Bohrmeterzahl Erforderliche Bohrmeter Typ 1 Typ 2 Typ 3 Verpress- / Verfüllmittel Abbildung 2: Vergleich verschiedener Verpress- / Verfüllmittel Seite 4 von 5

5 Wie zu erkennen ist, sind für die Realisierung der betrachteten Erdwärmeanlage unter Verwendung eines speziell angepassten Markenproduktes (Typ 1) etwa 1600 Bohrmeter erforderlich (Entzugsleistung von 56,25 W/m). Bei Verwendung eines Produktes aus dem Brunnenbau (Typ 2) steigt die Bohrmeterzahl im Beispiel um 200 m. Die Entzugsleistung verringert sich auf 50,0 W/m (entspricht 89 % der Entzugsleistung bei Typ 1). Bei unsachgemäßer Verfüllung der Erdwärmesonde (Typ 3) steigt die Bohrmeterzahl im Beispiel erwartungsgemäß deutlich auf insgesamt 2100 m an. Damit verringt sich die Entzugsleistung weiter und beträgt noch 42,8 W/m (entspricht 76 % der Entzugsleistung bei Typ 1). Im Ergebnis ist festzustellen, dass die Wahl des Verpressmittels neben der fachlich korrekten Durchführung der Arbeiten entscheidenden Einfluss auf einen nachhaltigen Betrieb und die Investitionskosten einer Erdwärmeanlage hat. Zusätzlich ist zu beachten, dass der Einsatz eines gut wärmeleitenden Verpressmittels besonders für Erdwärmeanlagen mit kurzzeitigem Wechsel zwischen Heiz- und Kühlbetrieb von Bedeutung ist. Bei sehr schlecht wärmeleitfähigem Untergrund (z.b. mächtige Schichtfolgen aus trockenem Sand) ist der Einsatz eines Verpressmittels mit einer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit als der des Untergrundes hingegen nicht sinnvoll. Seite 5 von 5