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Nutzung von Geothermie

Allgemeine Aspekte


Erdwärme verfügt als regenerative Energie im Erdinneren über ein nahezu unerschöpfliches Reservoir. In Mitteleuropa geht man von einer generellen Temperaturzunahme von mindestens 3 °C je 100 m Tiefe aus. Jedoch gibt es lokale Anomalien im Wärmefeld der Erde. Die Effektivität der Erdwärmenutzung ist von diesen standortspezifischen Eigenschaften also vom Nutzungspotential des Standortes abhängig. Die wichtigsten Bewertungskriterien für die Standorteignung sind in diesem Zusammenhang die vorhandenen
geologischen-, hydrogeologischen und geothermischen Untergrundeigenschaften.


Wärmefeld von Deutschland in einer Teufe von 3000 m

Erdwärmesonden zum Heizen und Kühlen von gewerblich genutzten Gebäuden oder Wohngebieten erreichen üblicherweise Tiefen von 50 bis 300 m. Wegen des bergrechtlichen Genehmigungsverfahrens werden in Deutschland, Teufen von 100 m selten überschritten. Bei tiefen Bohrungen stehen dem Temperaturgewinn mit zunehmender Tiefe steigende Bohrmeterpreis und größere Druckverluste im Sondenkreislauf gegenüber. Entscheidend für die Wärmeentzugsleistung ist die Gesamtlänge der Erdwärmesonde und die geothermischen Eigenschaften des Untergrundes.

Bei gewerblich genutzten Anlagen mit Leistungen > 0,5 MW werden die tieferen geologischen und tektonischen Strukturen des Untergrundes aus Gründen der Flächenverfügbarkeit deutlich wichtiger als bei kleinern Anlagen.


Schematisches Profil einer geothermischen Anlage zur Heizung und Kühlung eines Einkaufmarktes

Erdwärmesondenanlagen stellen in der Regel eine kosteneffiziente, genehmigungsfähige Alternative zu herkömmlichen Heizungssystemen dar. Im Rahmen einer Fachplanung wird die geothermische Eignung des Untergrundes und der eingesetzten Technik zur Wärmequellenerschließung geprüft. Im Rahmen der Fachplanung werden a) die standortspezifischen Grundlagendaten anhand einer Pilotbohrung, b) eine Optimierung der Anlagenauslegung sowie c) die modellhafte Simulation der spezifischen Entzugsleistung durchgeführt.

Leistungsumfang

FUGRO CONSULT GmbH erhebt umfangreiche Daten zur Auslegung von Erdwärmesonden zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden. Eine Klärung der Machbarkeit eines Projektes und der Genehmigungsfähigkeit der Erdwärmesonden erfolgt in der Regel im Rahmen einer Machbarkeitsstudie. Danach werden zur Detaillierung der Planungen weitere Arbeiten ausgeführt. FUGRO CONSULT GmbH führt dabei folgende Arbeiten aus:

Gebäudeaufnahme und Wärmebedarfsberechnungen (nur bei Altanlagen).
Wärmebedarfsberechnungen aus Heizkurven (nur bei Altanlagen).
Ermittlung der tatsächlichen Heiz- und Kühllasten.
Auswerten von geologischen und tektonischen Studien.
Geologische Datenakquisition, -verarbeitung und -interpretation.
Vor-Ort-Untersuchungen mit Kernbohrungen und Thermal Response Test.
Auswertung von geophysikalischen Daten aus Bohrlochmessungen.
Laboruntersuchungen an Gesteinskernen zur Ermittlung von Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte, Porosität.
Modellsimulation der Entzugsleistungen und der Ergiebigkeit von Anlagen
Modellsimulation der Wärmespeicherung

Auslegung der Anlagengrößen: Länge der Erdwärmesonden, Rohrabstände innerhalb der Erdwärmesonde, Fließgeschwindigkeit der Sole in der Erdwärmesonde, Sondentyp, Erdwärmesondenabstand, Temperatur des zurückkehrenden Wärmeträgermediums, Durchmesser der Erdwärmesonden.

Ermittlung der Grundwasserförderraten und erzielbaren Temperaturen zur Klärung der Machbarkeit von Effizienz von Stromerzeugungsanlagen.

Einholung der wasserrechtlichen und bergrechtlichen Genehmigungen.

Kostenschätzung und Kostenermittlung.

Der Umbau von bestehenden Altanlagen erfordert die Zusammenarbeit von Haustechnikern und Anlagenplanern. Häufig empfiehlt FUGRO CONSULT GmbH bivalente Anlagen als Lösungsansatz. Bei der Umsetzung der Baumaßnahme begleitet die FUGRO CONSULT GmbH die Ausschreibung und Vergabe der Bauleistung sowie die Ausführung der Bauleistungen.

    
Bild 6: Einbau von Erdwärmesonden

Besonderns bei der Beheizung und Kühlung von Gewächshäusern wird eine Modellierung der Wärmespeicherung im Aquifer mit geschlossenen Erdwärmesonden oder mittels Brunnensystemen erforderlich. Diese Simulation wird von der FUGRO CONSULT GmbH mit dem Modell FEFLOW erstellt.


Bild 9: Simulation der optimalen Anordnung von Kälte- und Wärmebrunnen

FUGRO CONSULT GmbH plant den Bau eines Erdsondenfeldes mit einer geschätzten Leistung der Wärmepumpen von 700 kW und einer Direktkühlung über Erdwärmesonden von 600 kW. Dabei werden 550 Wohnungen mit jeweils ca. 30 m² Wohnfläche, 4.000 m² Fläche für eine Sporthalle und 8.000 m² Flächen für Büros beheizt und gekühlt.

FUGRO CONSULT GmbH erschließt einen hydrothermalen Aquifer durch 3 Brunnen zur geothermischen Nutzung. Die geplante Anlage erschließt den Muschelkalk Aquifer bei 2.200 m. Die geplante Leistung der Wärmepumpen beträgt 500 kW. Der wasserrechtlichen Genehmigung ging eine Simulation der hydraulischen und hydrochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters voraus.

Der Förderbrunnen garantiert eine dauerhafte Entnahme von Grundwassers und führt dieses zu den angeschlossenen Wärmepumpen. Die Ergiebigkeit des Brunnen hängt von den lokalen geologischen Verhältnissen ab und wird einen Pumpversuch ermittelt. Das abgekühlte Grundwasser wird durch 2 Infiltrationsbrunnenwiedereingeleitet. Die installierte Leistung der Wärmepumpe beträgt 400 Kilowatt. Eine Simulation der hydraulischen und hydrochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters ging die wasserrechtlichen Genehmigung voran.