Regenerative Energien stecken über und unter der Erde. Windkraftanlagen profitieren bereits seit Jahren von moderner Sensorik. Neu sind messtechnische Komponenten zur Prüfung von Effizienz und ordnungsgemäßer Funktion radialer Erdwärmebohrungen.

Gemeinsam zum Verfahren Geothermal Radial Drilling (GRD) hat Tracto-Technik, Spezialist für unterirdische Rohrverlege- und Rohrumformtechnologien, ein System entwickelt, das die Verfahrensvorteile horizontal und vertikal verlegter Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden vereint. Eine wichtige Rolle in diesem Verfahren spielen Druck- und Temperatursensoren von Parker und deren Messdatenauswertung und -dokumentation durch das Messgerät ‚The Parker Service Master Easy‘.

Experten trauen der Geothermie zu, einen wichtigen Beitrag zur künftigen Energieversorgung zu leisten. Noch liegt ihr Anteil an der gesamten Energieerzeugung unter einem Prozent, aber der Zuwachs wird immens sein: Alleine für Deutschland wird erwartet, dass sich binnen der nächsten zehn Jahre die aus Geothermie gewonnene Energie vervierfacht. Einen wichtigen Beitrag wird dazu das GRD-Verfahren leisten. Es nutzt sowohl die Breite, als auch die Tiefe eines Grundstücks, ohne tiefliegende Grundwasserhorizonte zu beeinträchtigen.

Die neu entwickelten Anlagen für radiale Geothermiebohrungen verringern den technischen Aufwand und die Einbaukosten von Erdwärmesonden ganz erheblich. Selbst auf sehr kleinen bebauten Grundstücken kann das mit einem 7,5-t-Lkw transportierbare Gerät eingesetzt werden und weitgehend ohne Beschädigung, zum Beispiel einer bestehenden Gartenanlage, in Betrieb genommen werden.

Moderne Absaugtechnik sorgt dafür, dass es zu keiner Staub- oder Schmutzwasserbelastung kommt. Selbst der Bohrlärm hält sich durch aufwendige Dämmmaßnahmen in engen Grenzen. Von einem kleinen Schacht mit etwa einem Meter Durchmesser werden strahlenförmig in alle Richtungen und mit verschiedenen Neigungen – auch unter Gebäuden – Erdwärmesonden eingebracht. Die Sonden liegen in elf bis 36 Meter Tiefe weitgehend in der von den Jahreszeiten und Sonneneinstrahlung beeinflussten Bodenzone, was konstanten Wärmeentzug ermöglicht.

Anders als bei konventionellen Tiefbohrungen ist der Effekt der sich nur sehr langsam regenerierenden Tiefenwärme und damit der Wärmeausbeute zu vernachlässigen. Bei dem Verfahren von Tracto-Technik wird gerade der regenerative Bereich der solaren Einstrahlung im oberen Erdreich durch die höhere Anzahl weniger tiefer Bohrungen erhöht. Die Auslegung der Bohrungen hängt vom jeweiligen Wärmebedarf ab. Ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus mit rund 120 m2 Wohnfläche benötigt zwischen acht und elf kW. Die Sondenlänge wird auf Basis der Entzugsleistungen, die die vorhandene Lithologie bietet, kalkuliert.

Zur mineralogischen Prüfung der Gesteine kommt die Bestimmung der physikalischen Gesteinsparameter wie Festigkeit und Elastizität, Bergfeuchte und trockene Dichte. Dazu werden – sofern keine verlässlichen Geoatlas-Daten zur Verfügung stehen – durch Analyse der Bohrkerne die Eigenschaften der Sedimentgesteine, das Sedimentgefüge sowie Schichtung und andere Charakteristika untersucht. Oft wird als durchschnittliche Entzugsleistung 40 bis 50 W/m Sondenlänge ermittelt.

Sensorik für dichte Wärmesonden
Zum Einsatz kommen Koaxialsonden in verschiedenen Ausführungsformen und Konfigurationen. Die benötigte Sondenlänge wird – wie oben dargestellt – abhängig von den geologischen Beschaffenheiten auf die örtlichen Bedürfnisse abgestimmt. Meist in hydraulischen Systemen arbeitend, haben die Sensoren von Parker das Neuland der wasserhydraulischen Messungen betreten. Die Parker-Drucksensoren mit einem Druckbereich bis 15 bar überwachen die Dichtheit der Sonden.

Dazu wird jede einzelne Sonde mit einem Druck gemäß Druckprüfung nach VDI 4640 geprüft. Nach Vorgabe der Sondenhersteller erfolgen eventuell zusätzlich vorgegebene Prüfungen. Zum Beispiel wird ein bestimmtes Sondensystem mit einem Druck von 3,5 bar für eine Minute beaufschlagt, dann auf 1 bar entspannt und beobachtet, ob der Druck ansteigt‚ wenn das Außenrohr der Sonde sich nach der Druckabsenkung zusammenzieht. Würde dies nicht geschehen, dann wäre die Sonde undicht und folglich der Wärmetransport via Sole zur Wärmepumpe nicht gewährleistet.

Eine ganz andere Aufgabe, die jedoch nur stichprobenweise in einzelnen Bohrungen erfolgt, haben die Temperatursensoren. An einem 50 m langen Kabel wird ein PT-100-Temperatur-Sensor in das Bohrloch abgesenkt, um die Temperaturen in den Leitungsabschnitten zum Beispiel Meter für Meter zu messen, um anhand dieser Messdaten überprüfen zu können, ob die vor der Bohrung errechnete Wärmeleistung auch tatsächlich erreicht wird. Die Sensoren sind speziell auf den Temperaturbereich von 0 bis 20°C abgeglichen und bieten in diesem Messbereich eine Genauigkeit von besser als 0,25 °C vom Messwert.

Bei der hier beobachteten Bohrung im westfälischen Meschede wurden beispielsweise in einer 37,5 m langen Sonde am Sondenende 9,9 °C bei 14,3 °C Oberflächentemperatur gemessen. Diese Temperaturdifferenz zwischen Oberflächentemperatur und Temperatur am Sondenende definiert das Energiepotenzial und ermöglicht dem Bohrunternehmen die Auslegung der Bohrungen beziehungsweise die künftige Leistung der Wärmepumpe im Vorfeld zu prüfen.

Sind alle Bohrungen eingebracht und die Sonden an den Verteiler angeschlossen, erfolgt mit dem Messgerät ‚The Parker Service Master Easy‘ der hydraulische Abgleich des gesamten Systems. Dichtheitsprüfung und Temperaturwerte werden im Datenlogger des Geräts aufgezeichnet und dienen dem Qualitätsnachweis der Bohrung. Durch diese einfache, schnelle und baustellengerechte Messung kann bei jeder Bohrung das ungestörte Temperaturprofil aufgezeichnet werden. Dies ist ein weiterer Schritt um die Qualitätssicherung zu erhöhen.

Diese Vorgehensweise erfolgt insbesondere vor dem Hintergrund, dass bei der Auslegung der Bohrmeter immer mehr die mittlere Bodentemperatur der entsprechenden Region zugrunde gelegt wird. Schon nach der ersten Bohrung kann somit geprüft werden, ob die Annahmen für die Auslegung der Bohrmeter stimmt oder kurzerhand das Bohrprofil der weiter folgenden Bohrungen der neuen Situation angepasst werden muss. Die Beratungsleistung seitens Parker erfolgte – unabhängig von den jeweils relevanten Parker-Produktfeldern – kundenfreundlich durch einen zentralen Ansprechpartner.

Diese Aufgabe übernahm Matthias Müller, Account Manager, in enger Zusammenarbeit mit den Product-Managern. Als produkt- und anwendungspezifischer Spezialist beteiligt war Michael Schuster, der verantwortliche Manager Test Points und Senior Product Engineer für die SensoControl Produkte.

Das von Tracto-Technik eingesetzte Parker-Messgerät ermöglicht die schnelle und zuverlässige Durchführung von Messaufgaben und die Überwachung von Sensoren zur Druck-, Temperatur-, Durchflussüberwachung und Analyse sowie außerdem – mit den SCRPM-Sensoren die Drehzahlmessung. Das Gerät gehört zur Reihe der bekannten Produkte wie Servicejunior, Serviceman, Servicejunior wireless. Das Messgerät erkennt die angeschlossenen Sensoren. Damit werden nach einem Sensorwechsel zusätzliche Einstellungen am Messgerät überflüssig.

Das Messgerät bietet einen vielfältigen Funktionsumfang, der weit über das Messen der aktuellen Messdaten oder der Min- und Max-Werte hinausgeht. Dazu gehören:

  • Anzeigefunktionen für Messwert-Differenz und -Addition
  • schnelle Spitzenwertspeicherung mit 1 ms oder 0,25 ms im Fast Mode
  • großer Datenspeicher für 1 Million Messpunkte und Kurvenspeicher für 250 000 Messpunkte
  • Anschlussmöglichkeit von Fremdsensoren
  • Große 128 x 64 Pixel LCD-Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung zur bequemen Ablesbarkeit auch bei Sonneneinstrahlung oder Dunkelheit
  • Folientastatur mit selbsterklärender Beschriftung
  • USB-Schnittstelle
  • Auto Trigger (zum Beispiel automatischer Start bei definiertem Druckwert für eine bestimmte Mess-/Speicherzeit)
  • achtstündige Batteriebetriebsdauer bei drei Stunden Ladezeit

Sogar automatische Prüfabläufe beispielsweise für wiederkehrende Messaufgaben oder der Aufruf vordefinierter Tests sind möglich. Mittels PC und der Software SensoWin lassen sich die Messdaten auslesen, am PC auch als Kurvendiagramme darstellen, archivieren und analysieren. Die Software ermöglicht es, Geräteeinstellungen zu bearbeiten beziehungsweise aus einer Bibliothek in das Messgerät zu laden. Bei Standardanwendungen hilft das Gerät Hydraulikanwendern bei der Erkennung von Leckagen fehlerhafter Ventile, Leitungsverstopfungen, verschmutzen Filtern, ungenügender Pumpenleistung, Druckspitzen und Druckschwankungen sowie Pulsationen von Pumpen oder rotatorischen Verbrauchern. Das robuste Polyamid-Gehäuse bietet Staub- und Spritzwasserschutz gemäß IP54. Es ist stoßfest entsprechend Falltest IEC 60. Das Gerät misst 235x106x53 mm und wiegt nur 530 g.

Im GRD-System steckt mehr als die Parker-Sensorik und das Diagnose- und Dokumentationssystem des Messgeräts: auch die Hydraulik-Verschraubungen und die Druckschläuche des Bohrsystems tragen das Parker-Logo. Darüber hinaus werden von Tracto- Technik weitere Parker-Komponenten verwendet. Wie sagt Dieter Wurm, technisch Verantwortlicher im Bereich Geothermie: „Im Prinzip können ein Bohrunternehmer oder Unternehmen, die die entsprechende Zertifizierung und Qualifikationen besitzen, nach vergleichsweise schneller Einarbeitung mit einer Zwei-Mann-Crew ein GRD-Bohrsystem betreiben. Für das neue Radialbohrsystem sind eher geringe Investitionskosten aufzuwenden. Dies erklärt auch die günstigen Preise für eine mit dem GRD-System eingebrachte geothermische Radialbohrung.“

Die geothermische Wärmegewinnung kann selbst in äußeren Wasserschutzzonen erfolgen. Dann wird – mit Einbußen im Wirkungsgrad, die durch größere Sondenlänge ausgeglichen wird – als Wärmeträgermedium nicht Monoethylenglykol eingesetzt, sondern Wasser. Denn neben der Geothermie hat für das GRD-System der Schutz des Grundwassers absolute Priorität. Deswegen wird ein größtmöglicher Abstand zu gefährdeten Bodenschichten eingeplant. Diese Vorgehensweise ist nur durch die hohe Flexibilität bezüglich Bohrachsen und Bohrrichtungen möglich.

Tracto-Technik GmbH & Co. KG: www.tracto-technik.de
Parker Hannifin GmbH
: www.parker.com

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Vier Schritte zur Erdwärmenutzung

  1. Auslegung des Wärmebedarfs, verbunden mit geologischer Prüfung und der behördlich erlaubten Bohrbarkeit.
  2. Erstellen des detaillierten Angebots.
  3. Beantragung der Bohrung bei der unteren Wasserbehörde mit zwei bis vier Wochen Zeitbedarf für die Erteilung des Bescheids.
  4. Je nach geforderter Wärme- und Kälteleistung und damit nach Sondenlänge zweieinhalb bis fünf Arbeitstage für die Bohrungen und Sondeneinbringung samt Sondenanschlüsse.