Empfehlung Oberflächennahe Geothermie - Planung, Bau, Betrieb und Überwachung - EA Geothermie E-Book

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 312

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

Die Empfehlungen fassen den Stand der Technik zusammen. Das Ziel ist die fachgerechte Erschließung des Untergrunds für geothermische Zwecke sowie die Vermeidung von Schäden für den Boden und das Grundwasser einerseits und für den Betrieb der Anlage sowie der Bebauung andererseits. Die Empfehlungen sollen als Arbeitshilfe die optimale und nachhaltige geothermische Nutzung des Untergrunds am konkreten Standort in Beratung, Planung, Bauausführung und Betrieb begleiten. Die Fach- und Genehmigungsbehörden erhalten die Möglichkeit, sich bei ihren Entscheidungen und Vorgaben an den Empfehlungen zu orientieren.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abdeckung

Inhaltsverzeichnis

Title Page

Copyright Page

Vorwort

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Vorbemerkung

Formelzeichen und Indizes

1 Einleitung

2 Grundlagen

2.1 Grundlagen der Geologie, Hydrogeologie und Geotechnik

2.2 Grundlagen der Geothermie

2.3 Solarspeicherzone

2.4 Geosolarer Übergangsbereich

2.5 Terrestrische Zone

2.6 Anthropogene thermische Beeinflussung

2.7 Wechselwirkungen geothermischer Anlagen mit dem Untergrund

3 Geothermische Anlagen

3.1 Geschlossene Systeme

3.2 Offene Systeme (direkte Grundwassernutzung)

3.3 Geothermische Speicher

4 Rechtliche Grundlagen

4.1 Wasserrecht

4.2 Bergrecht

4.3 Lagerstättenrecht

4.4 Naturschutz und Landschaftspflege

4.5 Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung

5 Grundlagen der Planung

5.1 Projektablauf

5.2 Erkundungsbedarf für Erdwärmesondenanlagen

5.3 Modelle zur Simulation des Wärmetransportes

6 Bohrungen und Ausbau

6.1 Bohrverfahren

6.2 Hinweise zum Ausbau von Bohrungen

6.3 Bohrlochabweichung

6.4 Geologische und hydrogeologische Einflüsse

6.5 Response Test Verfahren

7 Planung, Herstellung und Betrieb geschlossener Systeme

7.1 Erdwärmesondenanlagen

7.2 Erdwärmekollektoren (EWK)

8 Planung, Herstellung und Betrieb offener Systeme

8.1 Brunnenanlagen

8.2 Aquiferspeicher

9 Risikopotenziale

9.1 Die 5-M-Methode

9.2 Geologische Risiken

9.3 Hydrogeologische Risiken

9.4 Umwelttechnische Risiken

9.5 Risiken beim Sondeneinbau

9.6 Betriebsrisiken

Literatur

Gesetze, Normen, Regelwerke

Leitfäden von Ländern und Kommunen

Glossar A bis Z

Guide

Cover

Table of Contents

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List of Tables

Tabelle 2.1

Wärmekapazität

C

th

(Ws · K

–1

) von ungefrorenen Böden

Tabelle 2.2

Wärmeleitfähigkeit λ (W · m

–1

· K

–1

) von ungefrorenen Böden

Tabelle 2.3

Wärmekapazität

C

th

(Ws · K

–1

) von gefrorenen Böden

Tabelle 2.4

Wärmeleitfähigkeit λ (W · m

–1

· K

–1

) von gefrorenen Böden

Tabelle 2.5

Typische Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Gesteine

Tabelle 2.6

Die 15 Klimazonen in Deutschland

Tabelle 4.1

Zuständige Behörden für den Vollzug der Gesetze, die für die Zulassung und den Betrieb von oberflächennahen Geother- mischen Anlagen von Bedeutung sind

Tabelle 5.1

Planungsprogramme und numerische Simulationsmodelle zur Auslegung von geothermischen Anlagen

Tabelle 6.1

Übersicht über Bohrverfahren

Tabelle 6.2

Einbauhilfen für Erdwärmesonden-Schlauchware

Tabelle 6.3

Vereinfachte geologische Verhältnisse und die zugehörigen Bemessungskennwerte für den berechneten Beispielfall

Tabelle 6.4

Variation der Sondentiefe bei der Anordnung der EWS im Quadrat

Tabelle 6.5

Geologische Risikomerkmale und vorbereitende Maßnahmen mit technischen Gegenmaßnahmen in der Ausführungsphase

Tabelle 7.1

Verfüllbaustoffe für Erdwärmesonden – Baustoffkennwerte und Anforderungsprofl

Tabelle 7.2

Grenzwerte für die Expositionsklassen von betonaggressiven Wässern gemäß der DIN EN 206-1

Tabelle 7.3

Beispiele für Rohrleitungen und zugehörige Volumen

Tabelle 7.4

Zulässige abgelassene Wa ssermenge pro Meter Erd wärmesonde nach SN EN 805, die für die Druckabsenkung nicht überschritten werden darf

Tabelle 7.5

Vergleich einiger physikochemischer Kennwerte von Monoethylenglykol und Monopropylenglykol

Tabelle 8.1

Chronologische Arbeitsschritte der iterativen Brunnenbemessung

Tabelle 8.2

Hydrochemie und Brunnenleistungseinschränkungen

Tabelle 8.3

Typische anorganische Verbindungen bei Fouling- und Scalingerscheinungen in Brunnen

Tabelle 8.4

Analytik bei Erkundung eines Grundwasservorkommens

Tabelle 8.5

Kostenfreie analytische und numerische Berechnungssoftware für hydrochemische Fragestellungen

Tabelle 9.1

Die Inanspruchnahme-Risiken eines Bohrunternehmens und deren Absicherung

Tabelle 9.2

Beispiele rechtlicher Grundlagen für einen Anspruch gegenüber einem Schädiger

List of Illustrations

Abbildung 2.2.1

Prinzip der konduktiven Wärmeleitung in einem Gesteinskörper (

l

= Länge der Probe;

T

= absolute Temperatur)

Abbildung 2.2.2

Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Wasser in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.3

Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Luft in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.4

Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Eis in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.5

Modellbildung zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit

Abbildung 2.2.6

Erscheinungsformen des unterirdischen Wassers

Abbildung 2.2.7

Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.2.8

Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität c von Wasser von der Temperatur bei Normaldruck

Abbildung 2.2.9

Abhängigkeit der kinematischen Viskosität von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.2.10

Abhängigkeit der spezifsichen Dichte von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.3.1

Ausbildung der Solarspeicherzone, Geosolarer Übergangsbereich und Terrestrischer Zone durch den solaren und terrestrischen Wärmestrom

Abbildung 2.3.2

Jahrestemperaturverläufe in der Solarspeicherzone mit geosolarem Übergangsbereich am Beispiel Berlins; Stadtrandlage, Versiegelungsgrad 20 bis 30 %

Abbildung 2.3.3

Jahrestemperaturverläufe in der Solarspeicherzone mit geosolarem Übergangsbereich am Beispiel Berlins; Innenstadtbereich, Ve rsiegelungsgrad >60 %

Abbildung 2.4.1

Klimazonen nach DIN 4710

Abbildung 2.4.2

Wärmeentzugsleistungen je Klimazone

Abbildung 3.0.1

Funktionsschema einer Wärmepumpe

Abbildung 3.1.1

Funktionsschemata einer a) U-Rohr-Erdwärmesonde, einer b) Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde, einer c) Koaxial- Erdwärmesonde mit innengeführtem Rücklauf und einer d) Koaxial-Erdwärmesonde mit außengeführtem Rücklauf

Abbildung 3.1.2

Schema einer typischen Standard-U-Rohr- Erdwärmesonde mit erdverlegter Horizontalanbindung, wie sie auch unter Bebauung häufig realisiert wird

Abbildung 3.1.3

Schema einer U-Rohr-Erdwärmesonde mit Horizontalanbindung über ein Schachtbauwerk

Abbildung 3.1.4

Schema einer koaxialen Erdwärmesonde mit erdverlegter Horizontalanbindung

Abbildung 3.1.5

Schema einer koaxialen Erdwärmesonde, mit Horizontalanbindung über ein Schachtbauwerk

Abbildung 3.1.6

Prinzipskizze einer EWS-Anlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.7

Prinzipskizze einer Erdwärmekollektoranlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.8

Prinzipskizze einer Brunnenanlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.9

Prinzipskizze einer Verdampfersonde

Abbildung 3.1.10

Bau eines Flächenkollektors

Abbildung 3.1.11

Bau eines Grabenkollektors

Abbildung 3.1.12

Konstruktionsprinzip eines Erdwärmekorbs

Abbildung 3.1.13

Einbau eines Erdwärmekorbes

Abbildung 3.1.14

Energiepfahlgründung unter einem Hochhaus

Abbildung 3.1.15

Baustellenfoto und Schemazeichnung einer Energiepfahlanlage integriert in Ve rbauwand mit überschnittenen, rückverankerten Bohrpfählen

Abbildung 3.1.16

Systembild einer Energiepfahlanlage

Abbildung 3.1.17

Pfahlbewehrung mit Wärmeaustauschrohren und Rohrleitungsausfädelung

Abbildung 3.1.18

Energiepfahlausfädelungen in einer Hochhausbodenplatte

Abbildung 3.1.19

Horizontale Anbindung von Energiepfählen an den Verteiler

Abbildung 3.2.1

Schemaskizze eines Entnahmebrunnens mit Unterwasserpumpe als Kiesschüttungs-Bohrbrunnen

Abbildung 3.2.2

Prinzip geothermischer Brunnenanlagen im ungespannten Grundwasser dargestellt für die Wärmegewinnung

Abbildung 3.2.3

Prinzip geothermischer Entnahme- und Infiltrationsbrunnenanlagen im gespannten Grundwasser

Abbildung 3.2.4

Dampfender Neuhoffnungsstollen in Bad Ems

Abbildung 3.2.5

Wasserführender „Alter Mann“

Abbildung 3.2.6

Eisenausfällungen an einer Grubenwassereinleitung in die Vorfut

Abbildung 3.2.7

Schemaskizze zur Erdwärmenutzung in „abgesoffenen“ Bergwerken bei freiem Grubenwasserauslauf

Abbildung 3.2.8

Schemaskizze zur Erdwärmenutzung in abgesoffenen“ Bergwerken bei tiefer Grundwasserdruckfläche

Abbildung 3.3.1

Numerische Simulation eines Erdsonden-Wärmespeichers

Abbildung 3.3.2

Noch ungeordneter Bauzustand des Erdwärme- Sondenspeichers Crailsheim vor dem Aufbringen der Rekultivierungsschicht

Abbildung 4.2.1

Schematische Aufsicht auf den Einflussbereich einer EWS in Bezug auf eine Grundstückgrenze

Abbildung 6.1.1

Bohranlage beim Ansatz des pneumatischen Imlochhammer-Verfahrens

Abbildung 6.2.1

Haspelwagen mit Eigenantrieb und 400 m Doppel-U-Rohrsonde

Abbildung 6.3.1

Geometrische Bohrlochabweichung bei einer um 1°, 2° und 3° geneigten Bohranlage

Abbildung 6.3.2

Vertikalitätsüberprüfung einer Erdwärmesondenbohrung, die mit dem Imlochhammer-Verfahren hergestellt wurde

Abbildung 6.3.3

Schematische Darstellung einer Bohrung ohne Stabilisatoreinsatz

Abbildung 6.3.4

Durch richtige Dimensionierung von Bohrstrang, Bohrkopf und Vortriebsart kontrollierte Vertikalbohrung bei kleinem Bohrgestängebiegerradius

Abbildung 6.3.5

Schematische Darstellung eines Stabilisatorgestänges

Abbildung 6.3.6

Möglichkeiten der Bohrlochabweichungen durch Formationswechsel

Abbildung 6.3.7

Kaliberaufweitung und initiale Aufrichtung einer Bohrung an einem flach liegenden Kompentenzwechsel im Gebirge

Abbildung 6.3.8

Links: Entstehung eines Bohrlochversatzes (dogleg) durch Kompetenzwechsel im Gebirge; rechts: Ablenken einer Bohrung durch Aufrichten des Meißels beim mehrfachen inkompetent/ kompetent-Übergang

Abbildung 6.5.1

Schemaskizze eines Geothermal Response Tests

Abbildung 6.5.2

Kompakte, mobile GRT-Einheit

Abbildung 6.5.3

Zeitlicher Verlauf der Vor- und Rücklauftemperaturen sowie der mittleren Temperatur im Wärmeträgermedium während eines GRT

Abbildung 6.5.4

Beispiel für die Regression zur Auswertung eines GRT Ergebnisses

Abbildung 6.5.5

Schematischer Schnitt durch einen Doppel-U-Erdwärmeaustauscher mit assoziierten thermischen Teilwiderständen

Abbildung 6.5.6

Darstellung einer typischen GRT-Messkurve und ihrer Ableitung erster Ordnung

Abbildung 6.5.7

Beispiel für unterschiedliche Leitfähigkeiten der den Erdwärmeaustauscher umgebenden Gesteine

Abbildung 6.5.8

Vergleichende Darstellung des Temperaturverlaufs unter Zugrundelegung von Linien- und Zylinderquellentheorie

Abbildung 6.5.9

Daten von Messungen an einer Doppel-U-Erdwärmesonde und an einem zylindrischen Erdwärmekorb

Abbildung 6.5.10

Auswertung einer Messung an einer Doppel-U-Sonde

Abbildung 6.5.11

Auswertung einer Messung an einer Doppel-U- Sonde

Abbildung 6.5.12

Auswertung einer Messung an einem zylindrischen Erdwärmekorb

Abbildung 6.5.13

Auswertung mittels zeitgebundener Superposition bei schwankender Stromspannung während der GRT-Durchführung

Abbildung 6.5.14

Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Wärmeleitfähigkeit in einem GRT

Abbildung 6.5.15

Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Volumetrische Wärmekapazität in einem GRT

Abbildung 6.5.16

Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Heizleistung in einem GRT

Abbildung 6.5.17

Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Thermische Leitfähigkeit in einem GRT

Abbildung 6.5.18

Widerstände an einem Erdwärmeaustauscher

Abbildung 6.5.19

Einbau einer koaxialen Erdwärmesonde mit Glasfaser-Kupfer-Kabelbündel als Rollenware

Abbildung 6.5.20

Messergebnisse EGRT an einer 150 m tiefen Erdwärmesonde

Abbildung 6.5.21

Ausgewertete Messergebnisse des EGRT mit Bohrprofil

Abbildung 6.5.22

Messergebnisse eines EGRT bei Hamburg

Abbildung 6.5.23

Wärmeleitfähigkeits-Tiefenprofile zweier EGRT mit lokal begrenztem Grundwassereinfluss

Abbildung 7.1.1

Druckverluste in Abhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms für die Doppel-U-Rohr-EWS 32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm für Wasser mit 4 °C als Wärmeträgermedium und einer Sondenlänge von 120 m

Abbildung 7.1.2

Druckverluste in Abhängigkeit der EWS-Länge für typische Doppel-U-Rohrsonden mit Wasser (4 °C) als Wärmeträgermedium und einem Volumenstrom von 2 m³/h (turbulente Strömung) sowie die zugehörigen Leistungsaufnahmen der Umwälzpumpe (angenommener Wirkungsgrad: 25 %)

Abbildung 7.1.3

Orientierende Werte für Einbettungen des Sondenbündels bei beispielhaften Verpressrohrdurchmessern (grau) bei üblichen Bohrdurchmessern

Abbildung 7.1.4

Beispiele für Ausführungen des Sondenfußes

Abbildung 7.1.5

Gewichte wassergefüllter Erdwärmesondenrohre in Abhängigkeit von der Sondenlänge und dem PE-Rohrmaterial

Abbildung 7.1.6

Auf das Sondenrohr wirkende Auftriebskraft in Abhängigkeit von der Suspensionsdichte und der Bohrlochtiefe

Abbildung 7.1.7

Restauftrieb in Abhängigkeit von der Länge der wassergefüllten Sondenrohre für verschiedene Suspensionsdichten

Abbildung 7.1.8

Notwendiges Zusatzgewicht in Abhängigkeit von der Länge einer wassergefüllten PE-100 Doppel-U-Rohr (32 × 2,9 mm) Sonde für verschiedene Suspensionsdichten

Abbildung 7.1.9

Scherfestigkeitsentwicklung eines Standardverfüllbaustoffes bei 10 °C Bodentemperatur

Abbildung 7.1.10

Einsatz der Laborflügelsonde in einem noch nicht stichfesten Hinterfüllbaustoff

Abbildung 7.1.11

Entwicklung der einaxialen Zylinderdruckfestigkeit eines Standardverfüllbaustoffes bei 10 °C Bodentemperatur

Abbildung 7.1.12

Spülungswaage

Abbildung 7.1.13

Marshtrichter

Abbildung 7.1.14

Feldaräometer zur Bestimmung der Spülungsdichte

Abbildung 7.1.15

Fehlstellen durch Bereiche unterschiedlicher Dichte

Abbildung 7.1.16

Hohlraumbildung an der Sonde

Abbildung 7.1.17

Hohlraumbildung an der Bohrlochwand

Abbildung 7.1.18

Thermischer Bohrlochwiderstand in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllbaustoffes

Abbildung 7.1.19

Schematische Darstellung von Rissbildungen durch Frost-Tau-Wechsel

Abbildung 7.1.20

Massenverlust von Hinterfüllbaustoffen nach 10 Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchungen

Abbildung 7.1.21

Hinterfüllbaustoffe mit unzureichendem Frost-Tau-Widerstand nach 2 bis 5 Frost-Tauwechsel-Belastungen

Abbildung 7.1.22

Hinterfüllbaustoffe mit hohem Frost-Tau-Widerstand nach 10 und mehr Befrostungs- und Auftauzyklen

Abbildung 7.1.23

Temperaturverlauf für einen Frost-Tau-Wechsel; Diagramm: nach DIN EN 12371

Abbildung 7.1.24

Wasserdurchlässigkeitszelle für Frost-Tau-Versuche

Abbildung 7.1.25

Schematische Darstellung des Frost-Tau-Wechsel-Versuchstandes

Abbildung 7.1.26

Risse in einem Prüfkörper mit geringem Frost-Tau-Widerstand nach einem Frost-Tau-Zyklus

Abbildung 7.1.27

Prüfkörper eines Baustoffes mit hohem Frost-Tau-Widerstand nach sechs Frost-Tau-Zyklen

Abbildung 7.1.28

Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem gespannten Grundwasser

Abbildung 7.1.29

Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau über Grundwasserstockwerke hinweg

Abbildung 7.1.30

Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem Festgesteinsgrundwasserleiter

Abbildung 7.1.31

Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem Karstgrundwasserleiter

Abbildung 7.1.32

Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem schwebenden Grundwasserkörper im Hangenden eines Grundwasserleiters

Abbildung 7.1.33

Fallbeispiel: Erdwärmesondenausbau in einer Kontamination

Abbildung 7.1.34

Erfolgreicher Durchflusstest einer über 350 m tiefen Erdwärmesonde

Abbildung 7.1.35

Nachweis von Lufteinschlüssen in einer 400 m tiefen Erdwärmesonde durch einen Durchflusstest

Abbildung 7.1.36

Vergleichsdiagramm von berechneten und gemessenen Druckverlustwerten eines Erdwärmesondenfeldes

Abbildung 7.1.37

Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 25 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.38

Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 32 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.39

Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 40 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.40

Druckprüfung; Diagramm nach SIA 384/6

Abbildung 7.1.41

Verteiler für sechs Erdwärmesonden mit Mikroblasenabscheider

Abbildung 7.1.42

Getrennte Verlegung der Rohre und Einsanden als Schutzmaßnahme für die Rohre

Abbildung 7.1.43

Prüfung der Dichte des Wärmeträgermediums mit einem Aräometer und Refrakometer

Abbildung 7.2.1

Einfluss des Rohrabstandes auf die Energieeffizienz

Abbildung 7.2.2

Kollektorbezogene Annuität bei optimierter Spreizung und optimierter Rohrstranglänge bzw. 100 m Rohrstranglänge

Abbildung 8.1.1

Erbohrung eines artesischen Grundwasservorkommens

Abbildung 8.1.2

Definition der Grenzstromlinie, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.3

Bestimmung des Mindestabstands zweier Brunnen, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.4

Grafische Bestimmung des kritischen Abstands zweier Förder- und Verpressbrunnen mit unterschiedlichem Anströmwinkel, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.5

Thermische Nettoleistung in Abhängigkeit von Zirkulationsmenge und Temperaturspreizung

Abbildung 8.1.6

Simulierter hydrothermischer Kurzschluss zwischen zwei konkurrierenden geothermischen Brunnenanlagen

Abbildung 8.1.7

Verockerung

Abbildung 8.1.8

Inkrustation

Abbildung 8.1.9

Versinterung

Abbildung 8.1.10

3D-FEM des Fallbeispiels: Grundwasserströmungssituation bei Heizbetrieb

Abbildung 8.1.11

3D-FEM des Fallbeispiels: Grundwasserströmungssituation bei Kühlbetrieb

Abbildung 8.1.12

Hydroisohypsen- und Isothermenkarte nach der 8. Heizperiode im Fallbeispiel

Abbildung 8.1.13

Hydroisohypsen- und Isothermenkarte nach der 9. Kühlperiode im Fallbeispiel

Abbildung 9.1.1

5-M-Risiken und die Grundlagen der Verantwortlichkeit in Anlehnung an die von Englert & Schalk (2003) entwickelte 5-M Methode

Abbildung 9.1.2

Methoden (gekürzt) zur Beeinflussung des Bohrvorganges

Abbildung 9.3.1

Durch Erdwärmesonden verursachte Stockwerksverbindung und die daraus entstehenden Gefahrenpotenziale

Abbildung 9.5.1

Verkeilung von Erdwärmesonden im Bohrloch mit größerem Durchmesser

Abbildung 9.5.2

Einbauerschwernis bei Verwendung ungeeigneter Abstandhalter

Abbildung 9.5.3

Einbaurisiken bei gebrächem Gebirge

Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie

Des Arbeitskreises „Geothermie“ der Fachsektion Hydrogeologie (FH-DGG) und Fachsektion Ingenieurgeologie (FI-DGGT/DGG)

Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e. V. (DGG) und der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT)

Deutsche Gesellschaft für Geotechnikvertr. durch den VorsitzendenHerrn Prof. Dr.-Ing. Georg HeertenGutenbergstr. 4345128 Essen

Deutsche Gesellschaft für Geowissenschaftenvertr. durch den VorsitzendenProf. Dr. Gernold ZulaufBuchholzer Str. 9830655 Hannover

Titelbild: Funktionsschemata verschiedener Erdwärmesondentypen, Grafik: Sass & Mielke 2012

Der Arbeitskreis „Geothermie“ ist ein gemeinsames Gremium der Fachsektion Ingenieurgeologie (FI-DGGT/DGG) der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik und der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften und der Fachsektion Hydrogeologie der DGG (FH-DGG). Der Arbeitskreis wird geleitet von Prof. Dr. Ingo Sass, TU Darmstadt, und Dr. Dirk Brehm, BGU Bielefeld. Die Namen der weiteren Autoren finden sich im Vorwort der Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie.

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Print ISBN: 978-3-433-02967-1ePDF ISBN: 978-3-433-60445-8ePub ISBN: 978-3-433-60489-2eMobi ISBN: 978-3-433-60488-5oBook ISBN: 978-3-433-60487-8

Vorwort

Die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie hat inden vergangenen zehn Jahren enorme Zuwächse erfahren. Mit der stetig steigenden Anzahl von Geothermieanlagen ging eine steile technische Entwicklung einher. Schadensfälle im Zusammenhang mit der Herstellung und dem Betrieb der geothermischen Anlagen traten auf und waren vielfach im Fokus medialer Aufmerksamkeit. Insbesondere zeigen diese bekannt gewordenen Schadensfälle, dass das Bohren in Tiefen von bis zu einigen hundert Metern ein technisches Handeln ist, welches ein verantwortungsvolles Vorgehen im Sinne qualitätsgesicherter Planung, Ausführung und Betrieb der Anlagen erfordert. Die Vermeidung von Schäden durch oberflächennahe geothermische Anlagen ist wesentliche Voraussetzung einer nachhaltigen geothermischen Nutzung, insbesondere beim Schutz der Grundwasservorkommen vornachteiliger Beeinflussung. Die vor liegenden Empfehlungen verstehen sich als ein Beitrag zur qualitätsgesicherten Ausführung derartiger Anlagen. Es ist eines der Ziele des Arbeitskreises Geothermie der Fachsektion Hydrogeologie der DGG und der Fachsektion Ingenieurgeologie der DGG und der DGGT, die weite Verbreitung der Nutzung der Geothermie als umweltfreundliche Energiequelle zu fördern und dabei den Schutz der Wasservorkommen sehr weitgehend zu berücksichtigen. Die Empfehlungen wurden sowohl von den Autoren als auch von den herausgebenden Verbänden DGG und DGGT als Hilfestellung und nicht als technisches Regelwerk im Sinne einer Norm konzipiert. Dementsprechend enthalten die Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie auch einige lehrbuchartige Passagen und einen umfangreichen Teil zum Genehmigungsrecht. Zum Zeitpunkt der Drucklegung war ein Normungsvorhaben für die Oberflächennahe Geothermie nicht in Sicht. Es wird aber weiterhin als erforderlich angesehen.

Das Autorenteam und die temporären Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Arbeitskreises sind Hydrogeologen, Ingenieurgeologen und Ingenieure aus Planung, Baugewerbe, Baustoffindustrie, Behörden und Hochschulen haben die vorliegenden Empfehlungen in mehrjähriger Arbeit erstellt. Dabei war den Beteiligten immer bewusst, dass Teile der Inhalte auch eine fachliche Kontroverse auslösen können.

Zur Sicherstellung der fachlichen Qualität des Inhaltes der vorliegenden Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie wurden die Empfehlungen des Arbeitskreises einem Begutachtungsverfahren unterzogen. Prof. Dr. Ingrid Stober, Regierungspräsidium Freiburg, Prof. Dr. Rolf Bracke, Internationales Geothermiezentrum, Bochum, sowie Prof. Dr. Dmitry V. Rudakov, National Mining University, Dnipropetrovsk, haben mit unterschiedlicher Sichtweise diese wichtige und anspruchsvolle Aufgabe übernommen. Ihre Anmerkungen und Kommentare wurden sorgfältig in der vorliegenden Version der EA Geothermie berücksichtigt.

Neben dem Begutachtungsverfahren wurde die EA Geothermie drei Monate öffentlich über den Verlag im Internet zugänglich gemacht. Die interessierte Öffentlichkeit war aufgefordert, Anmerkungen, Kommentare und Änderungsvorschläge innerhalb eines Zeitraumes vondrei Monaten abzugeben. Das Autorenteam hat jeden einzelnen Beitrag aus dieser Richtung zur Kenntnis genommen, bewertet und an vielen Stellen Änderungen an Text und Grafik vorgenommen. Wir sind Ihnen, die diese Beiträge geleistet haben, sehr dankbar für diese wertvolle Mitarbeit an der EA Geothermie.

Die Autoren der Empfehlungen sind:

Sprecher des Arbeitskreises

– Prof. Dr. rer. nat. Ingo SassFachgebiet Angewandte GeothermieTechnische Universität DarmstadtSchnittspahnstraße 964287 Darmstadt

Stellvertretender Sprecher

–   Dr. rer. nat. Dirk BrehmBGU, Bielefeld

Ständige Mitglieder des AK

–   Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Georg ColdeweyInstitut für Geologie und PaläontologieWestfälische Wilhelms-Universität Münster

–   Dr. rer. nat. Jörg DietrichHeidelbergCement, Enningerloh

–   Dr. rer. nat. Rainer Kleinboden & grundwasser, Amtzell

–   Dipl.-Min. Torsten KellnerBerlin

–   Dipl.-Ing. Dipl.-Geol. Bernd KirschbaumUmweltbundesamt, Dessau

–   Dipl.-Geol. Clemens LehrGeotechnisches Umweltbüro Lehr, Bad Nauheim

–   Dipl.-Geol. Adam MarekUmweltamt Stadt Bielefeld

–   Dipl.-Ing. Philipp MielkeFachgebiet Angewandte GeothermieTechnische Universität Darmstadt

–   Prof. Dr. rer. nat. Lutz MüllerFachbereich UmweltingenieurwesenHochschule Ostwestfalen-Lippe, Höxter

–   Dr. rer. nat. Björn PanteleitGeologischer Dienst für Bremen

–   Dipl.-Geol. Stefan Pohlgeo consult POHL, Bendorf

–   Dipl.-Geol. Joachim PoradaPorada GeoConsult GmbH & Co. KG, Harsefeld

–   Dipl.-Ing. Stefan SchiesslTERRASOND GmbH & Co. KG, Günzburg

–   Dr. rer. nat. Marec WedewardtSenatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt, Berlin

–   Dominik Wesche, M.Sc. GeowissenschaftenInstitut für Geologie und PaläontologieWestfälische Wilhelms-Universität Münster

Prof. Dr. Ingo Sass

Darmstadt, Dezember 2013

Dank

Im Namen der herausgebenden Fachgesellschaften und der Mitglieder des Arbeitskreises Geothermie der DGG und DGGT ist es uns ein Anliegen, den zahlreichen engagierten Personen zu danken, die die Entstehung dieses Buches unterstützt, gefördert und mit gestaltet haben. Als temporäre Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Arbeitskreises bedanken wir uns bei

Dipl.-Geol. Gisela Augustin, Hamburg

Dipl.-Ing. Arne Buss, Berlin

Dr. Verena Herrmann, GMP-Geotechnik GmbH, Würzburg

Dr. Claus Heske, CDM Smith Consult GmbH, Bochum

Dr. habil. Holger Knoke, IBES GmbH, Neustadt/W.

Prof. Dr. Martin Sauter, Universität Göttingen

Dipl.-Geol. Ingo Schäfer, Geologisches Landesamt, Krefeld

Prof. Dr. Dietmar Schenk, Universität Mainz († 2008)

Dipl.-Geol. Christian Spang, Dr. Spang Ingenieurgesellschaft für Bauwesen, Geologie und Umwelttechnik mbH, Witten

Dipl.-Geol. Andreas ter Glane, HPC AG, Göttingen

Ohne die permanente Organisation und Unterstützung durch Frau Simone Ross-Krichbaum und Frau Dunja Sehn, beide Technische Universität Darmstadt, wäre die enge Folge an Arbeitssitzungen und Abstimmungen gar nicht möglich gewesen. Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, M. Sc., Technische Universität Darmstadt, übernahm die Rolle eines Fachlektors, wofür auch ihm besonders zu danken ist. Carolin Tissen und Andreas Hofheinz, Hilfskräfte an der TU Darmstadt, waren insbesondere bei der Zusammenführung von Texten, Layoutfragen, Einbindung von Abbildungen und Setzen der Gleichungen für die EA Geothermie zuverlässige Mitarbeiter.

Weiterhin danken wir den Vorständen und Geschäftsführungen der beteiligten Fachgesellschaften und Fachsektionen für die aktive Unterstützung der Arbeit des Arbeitskreises Geothermie.

Im Namen aller Arbeitskreismitglieder und den die EA Geothermie herausgebenden Verbände DGG und DGGT danken wir Frau Prof. Dr. Stober, Freiburg, und Herrn Prof. Dr. Bracke, Bochum, für die Übernahme der verantwortungsvollen und sehr arbeitsintensiven Aufgabe der Begutachtung.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.0.1 Prognose der Geothermischen Energieerzeugung in Deutschland bis in das Jahr 2020, Stand Oktober 2009

Abbildung 2.2.1 Prinzip der konduktiven Wärmeleitung in einem Gesteinskörper (l = Länge der Probe; T = absolute Temperatur)

Abbildung 2.2.2 Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Wasser in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.3 Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Luft in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.4 Effektive Wärmeleitfähigkeit von Quarz und Eis in Abhängigkeit von der Gesamtporosität

Abbildung 2.2.5 Modellbildung zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit

Abbildung 2.2.6 Erscheinungsformen des unterirdischen Wassers

Abbildung 2.2.7 Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.2.8 Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität c von Wasser von der Temperatur bei Normaldruck

Abbildung 2.2.9 Abhängigkeit der kinematischen Viskosität von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.2.10 Abhängigkeit der spezifsichen Dichte von Wasser von der Temperatur

Abbildung 2.3.1 Ausbildung der Solarspeicherzone, Geosolarer Übergangsbereich und Terrestrischer Zone durch den solaren und terrestrischen Wärmestrom

Abbildung 2.3.2 Jahrestemperaturverläufe in der Solarspeicherzone mit geosolarem Übergangsbereich am Beispiel Berlins; Stadtrandlage, Versiegelungsgrad 20 bis 30 %

Abbildung 2.3.3 Jahrestemperaturverläufe in der Solarspeicherzone mit geosolarem Übergangsbereich am Beispiel Berlins; Innenstadtbereich, Ve rsiegelungsgrad >60 %

Abbildung 2.4.1 Klimazonen nach DIN 4710

Abbildung 2.4.2 Wärmeentzugsleistungen je Klimazone

Abbildung 3.0.1 Funktionsschema einer Wärmepumpe

Abbildung 3.1.1 Funktionsschemata einer a) U-Rohr-Erdwärmesonde, einer b) Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde, einer c) Koaxial- Erdwärmesonde mit innengeführtem Rücklauf und einer d) Koaxial-Erdwärmesonde mit außengeführtem Rücklauf

Abbildung 3.1.2 Schema einer typischen Standard-U-Rohr- Erdwärmesonde mit erdverlegter Horizontalanbindung, wie sie auch unter Bebauung häufig realisiert wird

Abbildung 3.1.3 Schema einer U-Rohr-Erdwärmesonde mit Horizontalanbindung über ein Schachtbauwerk

Abbildung 3.1.4 Schema einer koaxialen Erdwärmesonde mit erdverlegter Horizontalanbindung

Abbildung 3.1.5 Schema einer koaxialen Erdwärmesonde, mit Horizontalanbindung über ein Schachtbauwerk

Abbildung 3.1.6 Prinzipskizze einer EWS-Anlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.7 Prinzipskizze einer Erdwärmekollektoranlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.8 Prinzipskizze einer Brunnenanlage für ein Einfamilienhaus

Abbildung 3.1.9 Prinzipskizze einer Verdampfersonde

Abbildung 3.1.10 Bau eines Flächenkollektors

Abbildung 3.1.11 Bau eines Grabenkollektors

Abbildung 3.1.12 Konstruktionsprinzip eines Erdwärmekorbs

Abbildung 3.1.13 Einbau eines Erdwärmekorbes

Abbildung 3.1.14 Energiepfahlgründung unter einem Hochhaus

Abbildung 3.1.15 Baustellenfoto und Schemazeichnung einer Energiepfahlanlage integriert in Ve rbauwand mit überschnittenen, rückverankerten Bohrpfählen

Abbildung 3.1.16 Systembild einer Energiepfahlanlage

Abbildung 3.1.17 Pfahlbewehrung mit Wärmeaustauschrohren und Rohrleitungsausfädelung

Abbildung 3.1.18 Energiepfahlausfädelungen in einer Hochhausbodenplatte

Abbildung 3.1.19 Horizontale Anbindung von Energiepfählen an den Verteiler

Abbildung 3.2.1 Schemaskizze eines Entnahmebrunnens mit Unterwasserpumpe als Kiesschüttungs-Bohrbrunnen

Abbildung 3.2.2 Prinzip geothermischer Brunnenanlagen im ungespannten Grundwasser dargestellt für die Wärmegewinnung

Abbildung 3.2.3 Prinzip geothermischer Entnahme- und Infiltrationsbrunnenanlagen im gespannten Grundwasser

Abbildung 3.2.4 Dampfender Neuhoffnungsstollen in Bad Ems

Abbildung 3.2.5 Wasserführender „Alter Mann“

Abbildung 3.2.6 Eisenausfällungen an einer Grubenwassereinleitung in die Vorfut

Abbildung 3.2.7 Schemaskizze zur Erdwärmenutzung in „abgesoffenen“ Bergwerken bei freiem Grubenwasserauslauf

Abbildung 3.2.8 Schemaskizze zur Erdwärmenutzung in abgesoffenen“ Bergwerken bei tiefer Grundwasserdruckfläche

Abbildung 3.3.1 Numerische Simulation eines Erdsonden-Wärmespeichers

Abbildung 3.3.2 Noch ungeordneter Bauzustand des Erdwärme- Sondenspeichers Crailsheim vor dem Aufbringen der Rekultivierungsschicht

Abbildung 4.2.1 Schematische Aufsicht auf den Einflussbereich einer EWS in Bezug auf eine Grundstückgrenze

Abbildung 6.1.1 Bohranlage beim Ansatz des pneumatischen Imlochhammer-Verfahrens

Abbildung 6.2.1 Haspelwagen mit Eigenantrieb und 400 m Doppel-U-Rohrsonde

Abbildung 6.3.1 Geometrische Bohrlochabweichung bei einer um 1°, 2° und 3° geneigten Bohranlage

Abbildung 6.3.2 Vertikalitätsüberprüfung einer Erdwärmesondenbohrung, die mit dem Imlochhammer-Verfahren hergestellt wurde

Abbildung 6.3.3 Schematische Darstellung einer Bohrung ohne Stabilisatoreinsatz

Abbildung 6.3.4 Durch richtige Dimensionierung von Bohrstrang, Bohrkopf und Vortriebsart kontrollierte Vertikalbohrung bei kleinem Bohrgestängebiegerradius

Abbildung 6.3.5 Schematische Darstellung eines Stabilisatorgestänges

Abbildung 6.3.6 Möglichkeiten der Bohrlochabweichungen durch Formationswechsel

Abbildung 6.3.7 Kaliberaufweitung und initiale Aufrichtung einer Bohrung an einem flach liegenden Kompentenzwechsel im Gebirge

Abbildung 6.3.8 Links: Entstehung eines Bohrlochversatzes (dogleg) durch Kompetenzwechsel im Gebirge; rechts: Ablenken einer Bohrung durch Aufrichten des Meißels beim mehrfachen inkompetent/ kompetent-Übergang

Abbildung 6.5.1 Schemaskizze eines Geothermal Response Tests

Abbildung 6.5.2 Kompakte, mobile GRT-Einheit

Abbildung 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der Vor- und Rücklauftemperaturen sowie der mittleren Temperatur im Wärmeträgermedium während eines GRT

Abbildung 6.5.4 Beispiel für die Regression zur Auswertung eines GRT Ergebnisses

Abbildung 6.5.5 Schematischer Schnitt durch einen Doppel-U-Erdwärmeaustauscher mit assoziierten thermischen Teilwiderständen

Abbildung 6.5.6 Darstellung einer typischen GRT-Messkurve und ihrer Ableitung erster Ordnung

Abbildung 6.5.7 Beispiel für unterschiedliche Leitfähigkeiten der den Erdwärmeaustauscher umgebenden Gesteine

Abbildung 6.5.8 Vergleichende Darstellung des Temperaturverlaufs unter Zugrundelegung von Linien- und Zylinderquellentheorie

Abbildung 6.5.9 Daten von Messungen an einer Doppel-U-Erdwärmesonde und an einem zylindrischen Erdwärmekorb

Abbildung 6.5.10 Auswertung einer Messung an einer Doppel-U-Sonde

Abbildung 6.5.11 Auswertung einer Messung an einer Doppel-U- Sonde

Abbildung 6.5.12 Auswertung einer Messung an einem zylindrischen Erdwärmekorb

Abbildung 6.5.13 Auswertung mittels zeitgebundener Superposition bei schwankender Stromspannung während der GRT-Durchführung

Abbildung 6.5.14 Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Wärmeleitfähigkeit in einem GRT

Abbildung 6.5.15 Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Volumetrische Wärmekapazität in einem GRT

Abbildung 6.5.16 Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Heizleistung in einem GRT

Abbildung 6.5.17 Sensitivitätsanalyse für den Kennwert Thermische Leitfähigkeit in einem GRT

Abbildung 6.5.18 Widerstände an einem Erdwärmeaustauscher

Abbildung 6.5.19 Einbau einer koaxialen Erdwärmesonde mit Glasfaser-Kupfer-Kabelbündel als Rollenware

Abbildung 6.5.20 Messergebnisse EGRT an einer 150 m tiefen Erdwärmesonde

Abbildung 6.5.21 Ausgewertete Messergebnisse des EGRT mit Bohrprofil

Abbildung 6.5.22 Messergebnisse eines EGRT bei Hamburg

Abbildung 6.5.23 Wärmeleitfähigkeits-Tiefenprofile zweier EGRT mit lokal begrenztem Grundwassereinfluss

Abbildung 7.1.1 Druckverluste in Abhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms für die Doppel-U-Rohr-EWS 32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm für Wasser mit 4 °C als Wärmeträgermedium und einer Sondenlänge von 120 m

Abbildung 7.1.2 Druckverluste in Abhängigkeit der EWS-Länge für typische Doppel-U-Rohrsonden mit Wasser (4 °C) als Wärmeträgermedium und einem Volumenstrom von 2 m³/h (turbulente Strömung) sowie die zugehörigen Leistungsaufnahmen der Umwälzpumpe (angenommener Wirkungsgrad: 25 %)

Abbildung 7.1.3 Orientierende Werte für Einbettungen des Sondenbündels bei beispielhaften Verpressrohrdurchmessern (grau) bei üblichen Bohrdurchmessern

Abbildung 7.1.4 Beispiele für Ausführungen des Sondenfußes

Abbildung 7.1.5 Gewichte wassergefüllter Erdwärmesondenrohre in Abhängigkeit von der Sondenlänge und dem PE-Rohrmaterial

Abbildung 7.1.6 Auf das Sondenrohr wirkende Auftriebskraft in Abhängigkeit von der Suspensionsdichte und der Bohrlochtiefe

Abbildung 7.1.7 Restauftrieb in Abhängigkeit von der Länge der wassergefüllten Sondenrohre für verschiedene Suspensionsdichten

Abbildung 7.1.8 Notwendiges Zusatzgewicht in Abhängigkeit von der Länge einer wassergefüllten PE-100 Doppel-U-Rohr (32 × 2,9 mm) Sonde für verschiedene Suspensionsdichten

Abbildung 7.1.9 Scherfestigkeitsentwicklung eines Standardverfüllbaustoffes bei 10 °C Bodentemperatur

Abbildung 7.1.10 Einsatz der Laborflügelsonde in einem noch nicht stichfesten Hinterfüllbaustoff

Abbildung 7.1.11 Entwicklung der einaxialen Zylinderdruckfestigkeit eines Standardverfüllbaustoffes bei 10 °C Bodentemperatur

Abbildung 7.1.12 Spülungswaage

Abbildung 7.1.13 Marshtrichter

Abbildung 7.1.14 Feldaräometer zur Bestimmung der Spülungsdichte

Abbildung 7.1.15 Fehlstellen durch Bereiche unterschiedlicher Dichte

Abbildung 7.1.16 Hohlraumbildung an der Sonde

Abbildung 7.1.17 Hohlraumbildung an der Bohrlochwand

Abbildung 7.1.18 Thermischer Bohrlochwiderstand in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Verfüllbaustoffes

Abbildung 7.1.19 Schematische Darstellung von Rissbildungen durch Frost-Tau-Wechsel

Abbildung 7.1.20 Massenverlust von Hinterfüllbaustoffen nach 10 Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchungen

Abbildung 7.1.21 Hinterfüllbaustoffe mit unzureichendem Frost-Tau-Widerstand nach 2 bis 5 Frost-Tauwechsel-Belastungen

Abbildung 7.1.22 Hinterfüllbaustoffe mit hohem Frost-Tau-Widerstand nach 10 und mehr Befrostungs- und Auftauzyklen

Abbildung 7.1.23 Temperaturverlauf für einen Frost-Tau-Wechsel; Diagramm: nach DIN EN 12371

Abbildung 7.1.24 Wasserdurchlässigkeitszelle für Frost-Tau-Versuche

Abbildung 7.1.25 Schematische Darstellung des Frost-Tau-Wechsel-Versuchstandes

Abbildung 7.1.26 Risse in einem Prüfkörper mit geringem Frost-Tau-Widerstand nach einem Frost-Tau-Zyklus

Abbildung 7.1.27 Prüfkörper eines Baustoffes mit hohem Frost-Tau-Widerstand nach sechs Frost-Tau-Zyklen

Abbildung 7.1.28 Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem gespannten Grundwasser

Abbildung 7.1.29 Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau über Grundwasserstockwerke hinweg

Abbildung 7.1.30 Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem Festgesteinsgrundwasserleiter

Abbildung 7.1.31 Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem Karstgrundwasserleiter

Abbildung 7.1.32 Fallbeispiel Erdwärmesondenausbau in einem schwebenden Grundwasserkörper im Hangenden eines Grundwasserleiters

Abbildung 7.1.33 Fallbeispiel: Erdwärmesondenausbau in einer Kontamination

Abbildung 7.1.34 Erfolgreicher Durchflusstest einer über 350 m tiefen Erdwärmesonde

Abbildung 7.1.35 Nachweis von Lufteinschlüssen in einer 400 m tiefen Erdwärmesonde durch einen Durchflusstest

Abbildung 7.1.36 Vergleichsdiagramm von berechneten und gemessenen Druckverlustwerten eines Erdwärmesondenfeldes

Abbildung 7.1.37 Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 25 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.38 Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 32 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.39 Durchflussdiagramm für eine Erdwärmesonde mit d = 40 mm pro Kreis mit verschiedenen Längen bei Wasser (15 °C)

Abbildung 7.1.40 Druckprüfung; Diagramm nach SIA 384/6

Abbildung 7.1.41 Verteiler für sechs Erdwärmesonden mit Mikroblasenabscheider

Abbildung 7.1.42 Getrennte Verlegung der Rohre und Einsanden als Schutzmaßnahme für die Rohre

Abbildung 7.1.43 Prüfung der Dichte des Wärmeträgermediums mit einem Aräometer und Refrakometer

Abbildung 7.2.1 Einfluss des Rohrabstandes auf die Energieeffizienz

Abbildung 7.2.2 Kollektorbezogene Annuität bei optimierter Spreizung und optimierter Rohrstranglänge bzw. 100 m Rohrstranglänge

Abbildung 8.1.1 Erbohrung eines artesischen Grundwasservorkommens

Abbildung 8.1.2 Definition der Grenzstromlinie, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.3 Bestimmung des Mindestabstands zweier Brunnen, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.4 Grafische Bestimmung des kritischen Abstands zweier Förder- und Verpressbrunnen mit unterschiedlichem Anströmwinkel, neu gezeichnet nach LFU

Abbildung 8.1.5 Thermische Nettoleistung in Abhängigkeit von Zirkulationsmenge und Temperaturspreizung

Abbildung 8.1.6 Simulierter hydrothermischer Kurzschluss zwischen zwei konkurrierenden geothermischen Brunnenanlagen

Abbildung 8.1.7 Verockerung

Abbildung 8.1.8 Inkrustation

Abbildung 8.1.9 Versinterung

Abbildung 8.1.10 3D-FEM des Fallbeispiels: Grundwasserströmungssituation bei Heizbetrieb

Abbildung 8.1.11 3D-FEM des Fallbeispiels: Grundwasserströmungssituation bei Kühlbetrieb

Abbildung 8.1.12 Hydroisohypsen- und Isothermenkarte nach der 8. Heizperiode im Fallbeispiel

Abbildung 8.1.13 Hydroisohypsen- und Isothermenkarte nach der 9. Kühlperiode im Fallbeispiel

Abbildung 9.1.1 5-M-Risiken und die Grundlagen der Verantwortlichkeit in Anlehnung an die von Englert & Schalk (2003) entwickelte 5-M Methode

Abbildung 9.1.2 Methoden (gekürzt) zur Beeinflussung des Bohrvorganges

Abbildung 9.3.1 Durch Erdwärmesonden verursachte Stockwerksverbindung und die daraus entstehenden Gefahrenpotenziale

Abbildung 9.5.1 Verkeilung von Erdwärmesonden im Bohrloch mit größerem Durchmesser

Abbildung 9.5.2 Einbauerschwernis bei Verwendung ungeeigneter Abstandhalter

Abbildung 9.5.3 Einbaurisiken bei gebrächem Gebirge

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1 Wärmekapazität Cth (Ws · K–1) von ungefrorenen Böden

Tabelle 2.2 Wärmeleitfähigkeit λ (W · m–1 · K–1) von ungefrorenen Böden

Tabelle 2.3 Wärmekapazität Cth (Ws · K–1) von gefrorenen Böden

Tabelle 2.4 Wärmeleitfähigkeit λ (W · m–1 · K–1) von gefrorenen Böden

Tabelle 2.5 Typische Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Gesteine

Tabelle 2.6 Die 15 Klimazonen in Deutschland

Tabelle 4.1 Zuständige Behörden für den Vollzug der Gesetze, die für die Zulassung und den Betrieb von oberflächennahen Geother- mischen Anlagen von Bedeutung sind

Tabelle 5.1 Planungsprogramme und numerische Simulationsmodelle zur Auslegung von geothermischen Anlagen

Tabelle 6.1 Übersicht über Bohrverfahren

Tabelle 6.2 Einbauhilfen für Erdwärmesonden-Schlauchware

Tabelle 6.3 Vereinfachte geologische Verhältnisse und die zugehörigen Bemessungskennwerte für den berechneten Beispielfall

Tabelle 6.4 Variation der Sondentiefe bei der Anordnung der EWS im Quadrat

Tabelle 6.5 Geologische Risikomerkmale und vorbereitende Maßnahmen mit technischen Gegenmaßnahmen in der Ausführungsphase

Tabelle 7.1 Verfüllbaustoffe für Erdwärmesonden – Baustoffkennwerte und Anforderungsprofl

Tabelle 7.2 Grenzwerte für die Expositionsklassen von betonaggressiven Wässern gemäß der DIN EN 206-1

Tabelle 7.3 Beispiele für Rohrleitungen und zugehörige Volumen

Tabelle 7.4 Zulässige abgelassene Wa ssermenge pro Meter Erd wärmesonde nach SN EN 805, die für die Druckabsenkung nicht überschritten werden darf

Tabelle 7.5 Vergleich einiger physikochemischer Kennwerte von Monoethylenglykol und Monopropylenglykol

Tabelle 8.1 Chronologische Arbeitsschritte der iterativen Brunnenbemessung

Tabelle 8.2 Hydrochemie und Brunnenleistungseinschränkungen

Tabelle 8.3 Typische anorganische Verbindungen bei Fouling- und Scalingerscheinungen in Brunnen

Tabelle 8.4 Analytik bei Erkundung eines Grundwasservorkommens

Tabelle 8.5 Kostenfreie analytische und numerische Berechnungssoftware für hydrochemische Fragestellungen

Tabelle 9.1 Die Inanspruchnahme-Risiken eines Bohrunternehmens und deren Absicherung

Tabelle 9.2 Beispiele rechtlicher Grundlagen für einen Anspruch gegenüber einem Schädiger

Vorbemerkung

Die Mitglieder des Arbeitskreises Geothermie (AK Geothermie) der Fachsektionen Hydrogeologie (FH-DGG) und Ingenieurgeologie (FI-DGG/ DGGT) der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (DGG) und der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) freuen sich, dass Sie Interesse an den Empfehlungen „Oberflächennahe Geothermie – Empfehlungen zu Planung, Bau, Betrieb und Qualitätssicherung“ (EA Geothermie) haben. Diese Empfehlungen sind das Ergebnis der laufenden Arbeit des AK Geothermie. Der Arbeitskreis wird als AK 4.11 bei der DGGT geführt. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des AK sind Experten aus allen Bereichen, die mit Geothermie zu tun haben: Industrie, Behörden, Consulting, Fachhochschulen und Universitäten.

Die Herausgabe der vorliegenden Empfehlungen ist eine der Hauptaufgaben des Arbeitskreises. Die vorliegenden Empfehlungen beschränken sich zunächst auf die oberflächennahe Geothermie, doch sollen auch Aspekte der Tiefengeothermie berücksichtigt werden. Weiterhin sollen die Empfehlungen eine fachliche Grundlage für die Aus- und Weiterbildungsveran-staltungen für gewerbliches Bohrpersonal in Anlehnung an DIN EN ISO 22475-1 „Fachkraft Bohrungen für geothermische Zwecke und Einbau von geschlossenen Wärmeüberträger-Systemen (Erdwärmesonden)“ (DGGT/ DGG, 2010) gewährleisten.

Der AK Geothermie tritt zu regelmäßigen Arbeitssitzungen etwa vier bis sechs Mal im Jahr zusammen. Eine der Hauptaufgaben des AK ist die Herausgabe von Hinweisen, Tipps und Handlungsempfehlungen für die Mitglieder der Fachsektionen und andere Personen und Körperschaften, die mit Fragestellungen im Bereich der Geothermie Berührung haben. Diese Empfehlungen berücksichtigen insbesondere den Untergrundteil der verschiedenen Geothermieanlagen. Es sollen die wichtigsten Aspekte der geothermischen Nutzung des Untergrundes angerissen werden, wobei der Fokus eindeutig auf den häufigsten Anwendungsformen Erdwärmesonden und Brunnenanlagen liegt. Spezielle Verfahren, Techniken oder Verfahrens-kombinationen gibt es am Markt in großer Zahl. Der Umstand, dass diese in der EA Geothermie zumeist nicht ausführlich diskutiert werden, impliziert keineswegs, dass es sich bei den verschiedenen Spezialitäten etwa um untaugliche oder weniger gut geeignete Systeme handelt. Die Beschränkung auf die gebräuchlichsten Systeme ist lediglich der Begrenzung des Umfanges dieses Buches geschuldet.

Ein besonderes Anliegen der Empfehlungen sind die qualitätsgesicherte Planung, der Bau und Betrieb von oberflächennahen geothermischen Anlagen sowie deren qualifizierte Überwachung. Die Empfehlungen sollen helfen, den Schutz der Grundwasservorkommen sicher zu stellen, ohne die weitere Verbreitung geothermischer Heiz- und Kühlsysteme zu behindern. Dazu steht die Vermeidung von Schäden an der geothermischen Anlage sowie Schäden durch die Herstellung und den Betrieb der Anlagen im Mittelpunkt. Aufgrund aktueller Projekte wurden die Empfehlungen mit einem separaten Abschnitt zur Bewältigung von Risikopotenzialen ausgestattet.