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Über dieses Buch

Das Handbuch vermittelt die Grundlagen wie das thermische Regime der Erde, die oberflächennahe Geologie, geologisch-geophysikalische Grundlagen, zugrunde liegende mathematische Methoden, Risikomanagement und Bohrtechniken. In den angewandten Kapiteln geht es konkret um Geothermieprojekte aus der Sicht eines Bauherren, u.a. um Heizlastberechnung und die hydraulische Abgleichung, daneben um das Projektmanagement, zu berücksichtigende Umweltaspekte, Finanzierung und Fördermöglichkeiten und die Dimensionierung von Anlagen. Auch Verfahrenstechnische Grundlagen, die Maschinentechnik, die Qualitätssicherung und Fragen der Kommunikation und Akzeptanz wie auch der Arbeitssicherheit und des Gesundheitsschutzes werden behandelt. Auch wenn der Schwerpunkt des Handbuches auf Deutschland, Österreich und der Schweiz liegt, so wird auch auf die Oberflächennahe Geothermiebranche weltweit eingegangen und Herausforderungen wie auch Chancen und Perspektiven aufgezeigt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Geothermie – Ein kurzer Abriss

Geothermie setzt sich entsprechend seiner griechischen Herkunft aus zwei Worten γῆ = Erde und Θερμόϛ = warm zusammen. Geothermie bezeichnet also etymologisch die in der Erde auftretende Wärme.
Ziel dieses Kapitels ist es, einen kurzen Abriss des gegenwärtigen Facettenspektrums der Geothermie zu liefern. Dazu gehört neben der Oberflächennahen auch die Tiefe Geothermie, deren detaillierte Darstellung sich zwar im „Handbuch Tiefe Geothermie“ (Springer Spektrum, 2014) findet, hier aber dennoch hinsichtlich der Klassifizierung und der unterschiedlichen Energie- und Nutzungsformen Berücksichtigung finden soll.
Im Einzelnen schlüsselt sich das Kapitel wie folgt auf: Unter Zugrundelegung des Schalenmodells der Erde (vgl. Abschn. 1.1) beschäftigt sich Abschn. 1.2 mit den Standardschätzangaben des Wärmedargebots und -Potenzials der Erde und der omnipräsenten geothermischen Ressourcenbasis. In Abschn. 1.3 finden einige wesentliche Etappen der Geschichte geothermischer Bewusstwerdung und Energienutzung Erwähnung. Abschn. 1.4 liefert die gängigen Klassifikationen tiefer und oberflächennaher Reservoire sowie geothermischer Systeme hinsichtlich Temperatur und Tiefe. Abschn. 1.5 widmet sich den heute in der Exploration verfügbaren Datentypen aus Gravitation, Geomagnetik, Seismik, Thermoelastizität und Wärmefluss sowie den zugehörigen Explorationsmethoden in Kurzdarstellung. Es schließt sich eine Auflistung der häufigsten bei der Modellierung verwendeten Reservoirmodelle (in Abschn. 1.6) an. Abschn. 1.7 hat als Gegenstand die Nutzung der Erdwärme in Oberflächennaher – als auch Tiefer Geothermie. Der Beitrag schließt mit der Gegenüberstellung von Vorteilen und Nachteilen der Oberflächennahen als auch der Tiefen Geothermie (in Abschn. 1.8), einem Fazit in Form von Kernaussagen über die Geothermie (in Abschn. 1.9) und einem kurzen Ausblick (in Abschn. 1.10) über den zu erwartenden Anteil von Geothermie am künftigen Energiemix.
Willi Freeden, Clemens Heine

2. Bedeutung der Oberflächennahen Geothermie für Immobilien

Oberflächennahe Geothermie bietet interessante Potenziale zur Wärmeversorgung von Immobilien mit Erneuerbarer Energie und kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende in Deutschland leisten. Die Potenziale und technischen Möglichkeiten, insbesondere beim Einsatz in Wohngebäuden und Wohnquartieren, werden in diesem Beitrag beleuchtet. Zunächst wird der Immobilienbestand in Deutschland hinsichtlich Gebäudearten, -kategorien, Gebäudetypologien und energetischen Merkmalen dargestellt. Danach folgt die Beschreibung energetischer Anforderungen, Vorgaben und Anreize sowie der Maßnahmenbereiche zur Optimierung der Wärmeversorgung in Gebäuden und Quartieren. Anhand eines Fallbeispiels werden mehrere Energieversorgungskonzepte für ein konkretes Wohnquartier mit Vor- und Nachteilen dargestellt. Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken beim Einsatz Oberflächennaher Geothermie für Immobilien werden ausführlich dargestellt und entsprechende Strategien abgeleitet.
Björn-Martin Kurzrock, Tillman Gauer

3. Geologische und geophysikalische Untersuchungen

Leitlinie dieser Ausführungen ist die Auffassung, dass die Oberflächennahe Geothermie und ihre Nutzung ganz primär im geologischen Rahmen des Untergrundes mit seinen lithofaziellen und strukturellen Eigenheiten sowie seinen hydrogeologischen und hydraulischen Parametern angesiedelt ist, was als ein gewisses und notwendiges Gegengewicht zur bisher stark dominierenden Sichtweise des Bauingenieurwesens zu verstehen ist. Diesen geologischen Untergrund mit seinem bekanntermaßen vielfach sehr komplexen Aufbau und mit nicht selten unvorhergesehenen Überraschungen zu erkunden und zu beschreiben und die Ergebnisse den planenden und ausführenden Beteiligten an die Hand zu geben, ist die Aufgabe, der sich die Ausführungen annehmen werden. Dabei wird die enge Verknüpfung von Geologie und Geophysik besonders herausgestellt und gleichzeitig für ein besseres Verständnis für das jeweils andere Fachgebiet, aber auch für eine zunehmende Öffnung des Ingenieurwesens insbesondere für die überzeugenden Möglichkeiten der Geophysik geworben. Deshalb wird auch auf die Darstellung der theoretischen Grundlagen und Details der Auswertung für z. B. Hydraulik oder geophysikalische Messverfahren nahezu völlig verzichtet und stattdessen einiges über geologische, hydrogeologische und geothermische Karten, übers geologische Kartieren sowie die Möglichkeiten des bisher ziemlich ignorierten digitalen Geländemodells geschrieben. Ein wichtiges Anliegen ist es zu zeigen, dass Geophysik auch ohne Formeln und Gleichungen auskommen kann, aber trotzdem mit der Darstellung von Messvorgängen, Auswertung und geologischer Interpretation ihre ungeheuer vielfältigen Möglichkeiten offenbart. Geologie und Geophysik und ihr zwingend notwendiges Zusammenwirken werden insbesondere bemüht, wenn es um die Erkundung von Aquiferen mit den hydraulisch wichtigen Parametern und die für die Oberflächennahe Geothermie wichtige Bewegung des Grundwassers sowie um das „Vorhersehen“ möglicher geologischer Risiken geht. Geologie und Geophysik in diesem Rahmen der Oberflächennahen Geothermie ist stets auch als Dienstleistung zu sehen, worauf eingegangen wird und wobei auch kritische Betrachtungen nicht ausgespart bleiben.
Kord Ernstson

4. Innovative Explorationsmethoden in der Gravimetrie und Reflexionsseismik

In dieser Arbeit wird eine neuartige Möglichkeit behandelt, zusätzliche Informationen über die Risikoabschätzung aus geophysikalischen Messungen in die Bewertung eines geplanten Geothermieprojektes eingehen zu lassen. Dazu wird für die üblicherweise eingesetzten Techniken (Gravimetrie, Reflexionsseismik) ein innovatives geomathematisches Verfahren entwickelt, um vorhandene Auswertungsmethoden sinnvoll zu ergänzen. Das Verfahren, das dem Wesen nach ein seismisches Postprocessing darstellt, basiert auf einer Weiterentwicklung moderner Multiskalenverfahren der Konstruktiven Approximation.
In einem Folgeschritt kann das Multiskalenverfahren auch als Inversionsalgorithmus zur Gewinnung der Kontrastfunktion (d. h. Dichte in der Gravimetrie, Refraktionsindex in der seismischen Tomographie) aus Potentialinformation außerhalb des Explorationsareals dienen. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die auftretenden Wavelets neben ihrer geophysikalischen Relevanz als (approximative) Lösungen bestimmter partieller Differenzialgleichungen lokale Träger besitzen, sodass die entstehenden linearen Gleichungssysteme dünn besetzt sind und damit effizient und ökonomisch lösbar sind.
Christian Blick, Willi Freeden, Helga Nutz

5. Mathematische Lösungspotentiale,Strategien und Dilemmata

Das Kapitel stellt eine integrative Zusammenschau aller wesentlichen in der oberflächennahen Exploration verfügbaren Datensysteme und Methoden aus mathematischer Sicht bereit, um auf diese Weise zur Risikoreduzierung in einem geothermischen Projekt beizutragen. Die in der Exploration auftretenden physikalisch motivierten Grundgleichungen werden beschrieben und klassifiziert. Sie führen zu sogenannten „Inversen Problemen“. Dieser Begriff wird in seiner mathematischen Bedeutung erläutert und die den Inversen Problemen innewohnende Eigenschaft der Schlecht-Gestelltheit im Hinblick auf die daraus resultierenden Schwierigkeiten bei der Lösung dem Leser verdeutlicht. Auf die Behandlung dieser Art von Gleichungen durch Regularisierung wird ausführlich eingegangen.
Willi Freeden, Helga Nutz

6. Auswirkungen der Grundwasserbeschaffenheit auf Bau und Betrieb Oberflächennaher Geothermieanlagen

In Abhängigkeit des genutzten Systems – offene oder geschlossene Anlagen – ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Beschaffenheit des Wärmeträgermediums. Die Grundwasserbeschaffenheit spielt besonders bei offenen Systemen eine wesentliche Rolle und beeinflusst Bau, Betrieb und die Lebensdauer bei brunnengekoppelten Anlagen. Aus diesem Grund sollten die Konzentrationen der relevanten Wasserinhaltsstoffe als auch die wesentlichen Vor-Ort-Parameter bekannt sein, da ungünstige hydrochemische Eigenschaften sich nachteilig auf die Förderleistung der Brunnen auswirken können. Die häufigste Ursache für eine frühzeitige Brunnenalterung ist die biologische Verockerung, die im Zusammenhang mit der Nutzung eisen- respektive manganhaltiger Grundwässer auftreten kann. Grundwässer, die über hohe Konzentrationen aggressiver Inhaltsstoffe verfügen, weisen einen korrosiven Charakter auf. Bei geschlossenen Systemen sollte neben der Kenntnis der Grundwasserbeschaffenheit auch die chemische Zusammensetzung synthetischer Wärmeträgermedien bekannt sein, da sie im Fall einer Leckage in das Grundwasser eintreten können. In der Praxis werden Erdwärmesondenanlagen üblicherweise mit einer Wasser-Glykol-Mischung im Verhältnis 4:1 befüllt. Die eingesetzten Glykole (vornehmlich Ethylenglykol aber auch Propylenglykol) gelten als schwach wassergefährdend. Die durch Erdwärmesonden induzierte Temperaturänderung im Untergrund ist vergleichsweise gering und wirkt sich nur unwesentlich auf die Grundwasserbeschaffenheit und Ökosystemfunktionen aus.
Lena Eggeling, Jochen Schneider

7. Risikomanagement bei Planung, Bau und Betrieb von Geothermieanlagen

Jede wirtschaftliche Tätigkeit ist Risiken unterworfen, die dann zu unerwarteten Verlusten führen, wenn sie überraschend auftreten und diejenigen, die die wirtschaftliche Tätigkeit ausüben, unvorbereitet treffen. Das wohl gravierendste Risiko in der Oberflächennahen Geothermie ist das sichere Beherrschen der Schnittstellen zu den anderen Systemkomponenten. Man geht davon aus, dass weltweit etwa 50% aller Bohrungen zur Erschließung neuer Lagerstätten nicht fündig werden. Die „Fehlquote“ bei Geothermiebohrungen in Deutschland wird mit 20–30% deutlich geringer eingeschätzt. Intensive Vorbereitung unter Ausnutzung aller zur Verfügung stehenden Methoden, gründliche Auswertung aller vorhandenen Daten und realistische Abschätzung möglicher Restrisiken können die „Fehlquote“ weiter verringern. Gleichwohl bleibt ein Restrisiko, das den Investor einer einzelnen Geothermiebohrung als Energiequelle stärker treffen kann als den Investor einer größeren Anlage.
Hans Jacobi, Thomas Neu

8. Rechtliche und politische Rahmenbedingungen für oberflächennahe Geothermieprojekte

Die politischen und rechtlichen sowie technischen Rahmenbedingungen für Oberflächennahe Geothermie unterliegen einer laufenden Überarbeitung. So plante die Bundesregierung u. a. 2016 die Novellierung der Energieeinsparverordnung EnEV und die Novellierung des EEWärmeG. Auch die Fördertatbestände im Marktanreizprogramm wurden und werden laufend angepasst, je nachdem wie der Markt sich in den jeweiligen politischen Zielkorridoren bewegt. Wechselwirkungen mit globalen politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die Entwicklung des Öl- und Gaspreises an den internationalen Märkten, entziehen sich allerdings weitgehend der Reichweite von solchen gesetzlichen Maßnahmen. Deshalb bilden Genehmigungsrecht, Ordnungsrecht, Anreizsysteme und Wahrnehmung der Oberflächennahe Geothermie in der Öffentlichkeit nur einen Teil der Einfluss- und Erfolgsgrößen. Grundsätzlich besitzt die Geothermie bei positiven Rahmenbedingungen das Potential, fossile Öl- und Gasheizungen in großem Umfang abzulösen.
André Deinhardt, Gregor Dilger

9. Oberflächennahe Geothermie und Bergrecht

Geothermie ist Rohstoffgewinnung und hat daher einen engen Bezug zum Bergrecht, wenn es sich nicht um eine rein grundstücksbezogene Nutzung handelt. Aber selbst in diesem Fall greifen bei Bohrungen mit über 100 m Tiefe bergrechtliche Regelungen. Ein Rahmenbetriebsplan ist allerdings nicht erforderlich; es genügt ein Hauptbetriebsplan, mit dem ggf. für weitere Bohrungen Sonderbetriebspläne einhergehen müssen. Die Bergschadenshaftung ist nicht explizit angeordnet, aber gleichwohl sachgerecht. Zudem sind ihre Wertungen in die allgemeine Schadenshaftung zu übertragen. Jedenfalls erstreckt sich die bergrechtliche Verantwortlichkeit auf die Wasser(rein)haltung, wie das Urteil Meggen des BVerwG nochmals unterstrich. Konsequenzen hat auch das Fracking-Verbot. Davon werden nach einem Erlass der Ministerien für Wirtschaft und Umwelt des Landes NRW vom 18.11.2011 auch Geothermiebohrungen mit Fracking-Bezug erfasst; es bedarf allerdings einer restriktiven Auslegung.
Walter Frenz

10. Anforderungen an ein Geothermieprojekt aus der Sicht eines Bauherren

Die Oberflächennahe Geothermie ist eine eigenständige Planung neben den anderen Fachplanungen. Der geothermische Fachplaner sollte so früh wie möglich, bereits bei der Baugrunderkundung, ins Projektteam geholt werden. Die Auswahl des Planers erfolgt nach Qualität und Referenzen, für Leistungsumfang und Honorierung liegt eine Empfehlung des AHO (Ausschuss der Verbände und Kammern der Ingenieure und Architekten für die Honorarordnung e.V.: Planungsleistungen im Bereich der Oberflächennahen Geothermie) vor. Die Planung beginnt mit der Prüfung, ob die Geothermie eine sinnvolle Alternative sein kann und ob sie auf dem jeweiligen Standort umsetzbar ist. Danach schließt dann eine Machbarkeitsstudie und Vorplanung an, um Kosten und die Wirtschaftlichkeit verschiedener Varianten zu bewerten. Die weitere Planung muss in enger Abstimmung mit dem Planer für die technische Gebäudeausrüstung (TGA) erfolgen. Die Oberflächennahe Geothermie entfaltet ihre größten Vorteile bei der Kombination von Heizen und Kühlen und der saisonalen Speicherung von Wärme im Untergrund. Bei intelligenter Planung sind erhebliche Einsparungen gegenüber konventionellen Systemen möglich.
Klaus Bücherl, Simone Walker-Hertkorn

11. Bohrtechnik für oberflächennahe geothermische Energiequellen

Seit mehr als 30 Jahren werden in Deutschland und Nachbarländern Bohrungen geteuft, die nach ihrem Ausbau zur Gewinnung von oberflächennaher geothermischer Energie genutzt werden. Dabei unterscheiden wir zwischen zwei völlig unterschiedlichen Systemen; nämlich Förderbrunnen und Re-Infiltrationsbrunnen (offenes System) einerseits und geschlossenen Sondensystemen andererseits.
Mit dem „offenen System“ nutzt man immer sehr oberflächennahe Grundwasserleiter mit möglichst hoher Porosität, um dem geförderten Grundwasser die vorhandene Energie zu entziehen und reinfiltriert das abgekühlte Wasser in einen zweiten Brunnen. Diese Bauwerke sind in aller Regel nicht tiefer als max. 50 m, erfordern aber dennoch Besonderheiten bei der Ausführung der Bohrarbeiten (siehe Abschn. 11.4.1) und der Dimensionierung der Brunnenausbauten.
Die geschlossenen Erdwärmesondensysteme wurden zunächst auch wegen erforderlicher zusätzlicher Genehmigungsverfahren nicht tiefer als 100 m gebohrt.
Da die Bohrungen für den Einbau von Erdwärmesonden in allen möglichen geologischen Formationen (Lockergesteinsfolgen, Festgesteinsformationen) geteuft werden, kommen nicht selten unterschiedliche Bohrverfahren zum Einsatz. Aufgrund logistischer Gegebenheiten (enge Platzverhältnisse beim Bohren) wurden Bohrungen bis 200 m Tiefe häufig die wirtschaftlichere Lösung für die Nutzung der geothermischen Energie in existenten Gebäuden und einer größeren Anzahl flacher Bohrungen gegenüber bevorzugt. Durch die Weiterentwicklung der Materialien für den Ausbau der geschlossenen Erdwärmesonden sind seit einigen Jahren Bohrtiefen bis 400 m nicht mehr nur die Ausnahme. Deshalb ist das Tiefenintervall bis 400 m das, was in diesem Kapitel mit „oberflächennahen Bohrungen“ beschrieben werden soll.
Wenn Anfang der 90er-Jahre Bohrungen für den Einbau von Erdwärmesonden zur Ausführung kamen, wurden diese Bohrungen von dem jeweiligen Bohrunternehmen mit den zur Verfügung stehenden Bohranlagen und Ausrüstungsgegenständen nach bestem Wissen und Gewissen gebohrt, die Sonden aus HDPE eingebaut und der Ringraum häufig gemäß angetroffenen geologischen Formationen verfüllt. Als die Nachfrage für solche Bohrungen Ende der 90er-Jahre rasant anstieg, die Anzahl der Bohrungen für einzelne Projekte immer größer wurde und die Bohrungen auch deutlich tiefer geplant und ausgeführt werden mussten, genügte die bis zu diesem Zeitpunkt eingesetzte Technik, sowohl was die Bohrgerätetechnik als auch das Bohrzubehör betrifft, nicht mehr den Anforderungen. Das war nun der Zeitpunkt, als nahezu alle Hersteller von Bohrgeräten und Bohrzubehör auf die neu gestellten Anforderungen reagierten. So wurden existente technische Details weiterentwickelt und den neuen Anforderungen angepasst, bzw. gänzlich neue Gerätschaften konstruiert und gebaut.
Die Ausführungen in diesem Kapitel konzentrieren sich auf den letzten Stand der modernen Technik und beschreiben lediglich drei Bohrverfahren, nämlich solche, die heute fast ausschließlich zum Einsatz kommen. Bewusst werden „Spezialitäten“ beschrieben denn das „Normale“ und „Fundamentale“ ist in neuerer einschlägiger Literatur bereits beschrieben (z.B. David Urban 2013).
Reiner Homrighausen

12. Die Anforderungen der Wärmepumpe an die Wärmequelle

Neben dem Ausbau erneuerbarer Energien ist die Energieeffizienz eine weitere tragende Säule der Energiewende. Alleine durch Effizienzmaßnahmen und den direkten Einsatz erneuerbarer Energien wird die notwendige vollständige Dekarbonisierung des Gebäudesektors aber kaum gelingen. Um in diesem Sektor fossile Brennstoffe zu ersetzen, ist der Einsatz von Strom aus CO2-freien und erneuerbaren Quellen notwendig. Daher werden bei der Sektorenkopplung vorrangig solche Technologien zum Einsatz kommen, die Strom möglichst effizient in Wärme und Kälte umwandeln. Wärmepumpen sind zudem flexible Verbraucher und können ihre Stromnachfrage an das fluktuierende Wind- und Solarstromangebot anpassen. Die Wärmepumpe ist daher die perfekte Technologie für die Energiewende im Wärmesektor. Die Effizienz des Wärmepumpensystems hängt neben der Güte der Wärmepumpe selbst von der Temperatur der Wärmequelle und der zu erreichenden Temperatur der Wärmesenke ab.
Martin Sabel, Alexander Sperr

13. Geothermische Phasenwechselsonden als Wärmeentzugssystem

Für die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie als erneuerbare Energiequelle zur Bereitstellung von Heizwärme im Gebäudebereich existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Wärmeentzugssystemen. Bei allen Systemen sind die thermophysikalischen als auch die materialspezifischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte etc.) u. a. des Erdreiches, des Bohrlochs, des Zementes und der Geothermiesonde oder des Kollektors wichtige Einflussgrößen und müssen in der Planung und Auslegung entsprechend berücksichtigt werden. Ein innovatives und zugleich sehr effizientes Prinzip für den Wärmeentzug aus dem Erdreich stellt eine Anwendung der Fallfilmverdampfung in einem geothermischen Thermosiphon (auch Phasenwechselsonde genannt) in Kombination mit einer Wärmepumpe dar. Erste Anwendungen von Thermosiphons in oberflächennahen Erdschichten datieren aus der Zeit um 1960, z. B. in Alaska, wobei es sich vorwiegend um die Untergrundstabilisierung in Regionen mit Permafrostböden handelte. Das wohl bekannteste Projekt ist die 1977 fertiggestellte Trans-Alaska-Pipeline, welche auf ca. 730 km mit über 122.000 Thermosiphons stabilisiert wird. Seit 1997 wird dieses einfache Prinzip auch in Kombination mit Wärmepumpen zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt. In diesem Beitrag werden hierzu die Funktionsweise und die Betriebsbedingungen von geothermischen Phasenwechselsonden mit den Vor- und Nachteilen gegenüber Flüssigkeitszirkulationssonden auf dem neuesten Stand der Forschung sowohl für Anwender als auch für Wissenschaftler umfangreich dargelegt. Dabei werden die ablaufenden Prozesse für verschiedene Betriebsphasen (Start, zyklischer oder dauerhafter Wärmeentzug, Regeneration) u. a. hinsichtlich der Filmausbreitung, der Poolaktivität und einer energetischen Bewertung beschrieben. Abschließend werden kurz zukünftige Forschungsfelder geothermischer Phasenwechselsonden umrissen sowie relevante Perspektiven und Herausforderungen diskutiert.
Thomas Storch, Thomas Grab, Ulrich Groß

14. Ausbau der Bohrung zu geothermischen Quellen

Geothermische Quellen können entweder offene Systeme (d. h. Förder- und Schluckbrunnen, die das Grundwasser nutzen) oder geschlossene Systeme (mittels Erdwärmesonden) sein. Beide Bauarten sind komplexe Vorhaben, die man nach Fertigstellung kaum noch sieht und nur noch sehr aufwendig nacharbeiten kann. Deshalb haben die fach- und sachgerechten Planung und Ausführung einschließlich Qualitätsüberwachung eine sehr große Bedeutung. Das Heizsystem des Gebäudes gibt die Leistung der geothermischen Quelle vor, deren Dimensionierung und Ausführung wiederum von der geologischen Ansprache des Untergrundes abhängt. Die verschiedenen Bauarten und einzusetzenden Materialien werden vorgestellt sowie Stärken und Schwächen verschiedener Bauteile und Materialien diskutiert. Manche behördlichen Vorgaben sind leider widersprüchlich (z. B. Abstandshalter und Zentrierstücke, die die Ringraumhinterfüllung mittels Baustoffsuspension behindern) und müssen weiter untersucht werden. Besonderen Wert muss auf die Qualitätssicherung während der Realisierung der Baumaßnahme und eine ordentliche Bauabnahme und Übergabe gelegt werden, da der Bauherr Schäden und Fehlleistungen in den meisten Fällen erst viel später merken wird.
Frank Burkhardt

15. Thermisch aktivierte Bauteile

Die thermische Nutzung des Untergrundes mithilfe von erdberührenden Bauteilen (thermisch aktivierten Bauteilen) stellt eine zukunftsorientierte Möglichkeit der Energiegewinnung im Wärmesektor dar. Durch die Integration von Absorberrohren in ohnehin erforderliche Bauteile können die Installationskosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen der Oberflächennahen Geothermie deutlich reduziert werden. Während der Energiepfahl weltweit bereits eine weite Verbreitung findet, ist die Nutzung von flächigen Bauteilen bisher nur vereinzelt bekannt, obwohlWände, Bodenplatten oder Tunnel über große erdberührende Flächen und damit ein großes regeneratives Energiepotential verfügen.
Die für Erdwärmesonden bekannten und gängigen Rechenmodelle können nur bedingt auf thermisch aktivierte Bauteile übertragen werden. So weisen Energiepfähle im Vergleich zu Erdwärmesonden ein deutlich größeres Verhältnis von Durchmesser zu Länge auf. Bei flächigen Bauteilen ist darüber hinaus ein nicht rotationssymmetrischer Wärmetransport zwischen Bauteil und Untergrund zu berücksichtigen. Da thermisch aktivierte Bauteile vor allem oberflächennah eingesetzt werden, sind nicht zu Letzt andere Randbedingungen (jahrzeitlich schwankende Temperaturverteilung im Untergrund, unterirdische Wärmequellen, gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Bauteilen etc.) zu beachten.
Für eine effiziente und wirtschaftliche Anlagenauslegung sollten thermisch aktivierte Bauteile stets mithilfe von ganzheitlichen Berechnungsansätzen dimensioniert werden. Die Verwendung von Erfahrungswerten ist lediglich in einer ersten Machbarkeitsstudie zu empfehlen. In den letzten Jahren sind daher vermehrt auch Berechnungsansätze und Modelle für thermisch aktivierte Bauteile entwickelt bzw. aufgestellt worden, die durch einen unterschiedlichen Detaillierungsgrad und eine unterschiedliche Anwenderfreundlichkeit gekennzeichnet sind. Eine Auswahl wird im vorliegenden Kapitel vorgestellt, mit dem Ziel, dem planenden Ingenieur einen Überblick über den Stand der Technik zu verschaffen und das Einsatzgebiet bzw. die Ausweitung von thermisch aktivierten Bauteilen auch zukünftig weiter zu steigern.
Sylvia Kürten, David Koppmann, Renate Pechnig

16. Nutzung oberflächennaher Erdwärme aus einem erdgedeckten Flüssiggastank mit einer Wärmepumpe, angetrieben durch ein Blockheizkraftwerk

Ein erdgedeckter Flüssiggastank von mittlerer Größe (2,1 t) hat ca. 33 m2 Kontaktfläche zum Erdreich. In Kombination mit einem Blockheizkraftwerk, welches von dem Erdtank versorgt wird, wird der Tank gleichzeitig als Direktverdampfer für eine Wärmepumpe verwendet. Zur Erprobung des Verfahrens wurde eine Prototypenanlage mit einer Wärmepumpe aufgebaut, die Propan als Kältemittel nutzt, wobei der Tank als Erdwärmesonde zur oberflächennahen Erdwärmegewinnung dient. Der Versuchsbetrieb an einer real existierenden Anlage zeigt erste vielversprechende Ergebnisse des Verfahrens. Durch die dargestellten Messungen konnte der Nachweis der grundsätzlichen Funktion des Systems erbracht werden. Der Erdtank hat trotz seiner relativ geringen Tiefe von nur ca. 2 m an der tiefsten Stelle genügend Oberfläche, um dauerhaft als Erdwärmesonde fungieren zu können.
Thomas Heinze

17. Energetische Nutzung von Grubenwasser aus gefluteten Bergwerken

Für die Erdwärmegewinnung aus Grubenwasser im oberflächennahen Bereich stellen nicht verschlossene und geflutete Bergwerke (z. B. Erz- und Kohlebergwerke) auch nach ihrer ursprünglichen Nutzung z. T. sehr geeignete Standorte für eine alternative und regenerative Energieversorgung dar. Geflutete Grubengebäude weisen aufgrund der großen künstlich geschaffenen wärmeübertragenden Flächen mit hohen Wasserdurchlässigkeiten zwischen Kavernen, Schächten und Stollensystemen sehr große Wärmepotentiale auf. Dieses kann durch unterschiedlichste Nutzungsarten z.B. zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden sowie Klimatisierung mit Grubenluft angewendet werden. Die ersten technischen Anwendungen von Grubenwasser im Bergwerk wurden zur Wasserhaltung und ab dem 19. Jahrhundert zur Elektroenergiegewinnung in sogenannten Kavernenkraftwerken realisiert. Getrieben durch steigende Energiepreise begann die thermische Nachnutzung der Wässer aus gefluteten Bergwerken gegen Ende der 1980er Jahre mit dem Einsatz von Wärmepumpen zur Anhebung des Temperaturniveaus.
Da jedes Bergwerk in Geologie, Aufbau und Infrastruktur einzigartig ist, gibt es viele wichtige Kriterien, welche für eine erfolgreiche Realisierung einer Grubenwasseranlage betrachtet werden müssen. In diesem Beitrag werden daher neben den möglichen Nutzungsarten auch deren Vor- und Nachteile im Vergleich zu alternativen Heiz- und Kühlkonzepten vorgestellt. Hierzu werden wichtige Punkte von der Planung mithilfe von Potentialstudien bis hin zur Umsetzung aufgelistet und beschrieben. Dabei werden auch das aktuelle Bergrecht und der prinzipielle Einfluss der Wasserchemie diskutiert.
Eine äußerst umfangreiche Übersicht zur weltweiten Situation der geothermischen Grubenwassernutzung zeigt die internationale Bedeutung dieser Energiequelle. Darin finden sich detaillierte Angaben zu über 70 betriebenen, geplanten oder vereinzelt wieder stillgelegten Anlagen. Erweiternd werden am Beispiel von zwei betriebenen Grubenwasseranlagen im Erzgebirge (Deutschland) wichtige Ergebnisse und Betriebserfahrungen aus dem realen Anlagenbetrieb präsentiert.
Thomas Grab, Thomas Storch, Ulrich Groß

18. Geophysikalische Bohrlochmessungen in Geothermiebohrungen und -sonden

Beim Bau von Erdwärmesonden stellen zumeist nicht die darin eingebauten Installationen (z.B. U-Rohre u. a) sondern die Bohrung selbst das Problem dar. Das betrifft u. a. die aus Unkenntnis über den Untergrund und die durch dessen Eigenschaften bestimmte Bohrungsgeometrie falsch bemessenen und eingebauten Abdichtungen des Ringraumes, damit verbundene unerwünschte Kurzschlußströmungen und daraus resultierende Folgeschäden. Die Methoden der geophysikalischen Bohrlochmessungen und deren an den Bau von Erdwärmesonden gekoppelte Anwendung bieten die Möglichkeit der ausreichenden Voruntersuchung von Bohrung und Untergrund bis hin zur Überprüfung der Abdichtung der Sonde und deren Wirksamkeit.
Karl-Norbert Lux

19. Geothermische Messungen für die oberflächennahe Geothermie

Die Ergebnisse eines Response Tests lassen Rückschlüsse auf das geothermische Standortpotential zu und sind maßgebende Parameter einer softwaregestützten Dimensionierung von Erdwärmeanlagen bzw. bilden die Grundvoraussetzung für die Berechnung des geothermischen Nutzungspotentials. Tiefendiskrete Temperaturmessungen haben sich im Rahmen der Durchführung von Response Tests etabliert und sind mittlerweile fester Bestandteil der In-situ-Bestimmung bemessungsrelevanter thermophysikalischer Untergrundparameter. Der Einsatz spezifischer Messtechnik und die nachfolgende Messdatenauswertung liefern Aussagen zu den thermophysikalischen Gebirgseigenschaften und können zur Qualitätskontrolle von Erdwärmanlagen genutzt werden.
Jens-Uwe Kühl, Clemens Lehr

20. Messmethoden für Monitoring, Qualitätskontrolle und Beweissicherung bei Erdwärmesonden

Der Artikel befasst sich mit Methoden der Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden, insbesondere im Hinblick auf neueste Messmethoden und deren Einsatz bei der Überprüfung fachgemäßer Ausführung des Bauwerks Erdwärmesonde, sowohl in der Planungsphase, beim Bau, bei Fertigstellung oder einer Langzeitüberwachung im Betrieb. Komponenten der Qualitätssicherung, die betrachtet werden, sind geometrische Parameter von Erdwärmesonden, die Qualität der Zementierung, die Ermittlung von Temperaturen und Entzugsleistungen. Zum Einsatz kommen dabei Messsonden mit kabelgestützter Datenerfassung sowie kabellose Messmolche mit autarker Energieversorgung, Datenspeicherung bzw. berührungsloser Datenübertragung. In der Planungsphase können geologische und anthropogene Gefährdungspotentiale mit innovativen Remote-Sensing-Verfahren untersucht werden.
Johannes Gottlieb, Marc-Alexander Tilg, Daniel Fischer, Roman Zorn, Simeon Meier

21. Qualitätssicherung und Zertifizierung

Die weitere Entwicklung der oberflächennahen Geothermie ist ganz erheblich davon abhängig, ob die ökonomischen und ökologischen Vorteile dieser Technologie durch sorgfältig geplante, installierte und richtig betriebene Anlagen auch zum Tragen kommen. Einen wesentlichen Beitrag dazu können Qualitätssicherungsmaßnahmen leisten. Darunter sind organisatorische und technische Maßnahmen zu verstehen, die der Schaffung und Sicherstellung einer definierten Qualität dienen. Die Einhaltung dieser Maßnahmen wird häufig durch Zertifikate, Gütesiegel oder Gütezeichen nachgewiesen. Glaubwürdig sind diese, wenn ihre Ausstellung durch eine unabhängige und fachkundige Stelle bestätigt wird. Am bekanntesten sind die Gütesiegel für Wärmepumpenhersteller und die Zertifizierung von Bohrunternehmen. Doch weder eine fachgerecht ausgeführte Geothermiebohrung noch eine mit Gütesiegel ausgezeichnete Wärmepumpe können ohne eine fachgerechte Planung die gewünschte Anlagenqualität garantieren. Gerade im Bereich der Architekten, Planer, Fachbüros und Installateure mangelt es derzeit an definierten Qualitäts- und Qualifikationsanforderungen, sodass Handlungsbedarf besteht. Dies ist umso dringlicher, da die Herausforderung der nächsten Jahre die ganzheitliche Bearbeitung und Betrachtung einer Geothermieanlage von der Planung bis zur Ausführung mit Fokus auf die Schnittstellenregelung zwischen den Beteiligten sein wird, die nur in der Hand von Planern liegen kann.
Christine Buddenbohm

22. Risikopotenziale der Oberflächennahen Geothermie

Die Einbringung von Erdwärmesonden in den bebauungsnahen Untergrund erhöht das Risikopotenzial der oberflächennahen Geothermie. Einige Schadensfälle wurden in den Medien stark thematisiert. Zur Vermeidung von Schäden und Unfällen einerseits und zur Verbesserung des medialen Echos sind Maßnahmen zur Qualitätseinhaltung und -überwachung notwendig. So können die typischen Risikopotenziale dieser Technik reduziert werden. Im Sinne der EA Geothermie wird die Anwendung der 5-M-Methode empfohlen. Da sie auf alle Risikobereiche wirkt.
Ingo Sass

23. Kommunikation und Akzeptanz

Die erfolgreiche Einführung und Umsetzung technologischer Projekte der Oberflächennahen Geothermie als wichtiger Baustein zur Energiewende bedürfen einer sorgfältig geplanten, effektiven und kontinuierlichen Kommunikationsstrategie. Akzeptanz für innovative Technologien ist ein wesentlicher Bestandteil für den langfristigen Erfolg und die nachhaltige Umsetzung neuer Technologien in der Energiewende. Kommunikation ist ein wesentlicher Zugang zur Herausbildung von Wissen, Vorstellungen und Einstellungen. Der Beitrag beschreibt Herausforderungen an die Kommunikation (größerer) Oberflächennaher Geothermieprojekte sowie Vorgehensweisen, wie Betreiber von Projekten Stakeholder proaktiv adressieren, informieren und einbeziehen können. Basierend auf empirischen Befunden werden Kommunikationsregeln und -grundsätze benannt. Der Beitrag betont die Relevanz projekt-, standort- und stakeholderbezogener Strategien und empfiehlt das Einbeziehen internetbasierter Formate (z. B. Social Media, Foren).
Anna Borg, Eva-Maria Jakobs, Martina Ziefle

24. Arbeits- und Gesundheitsschutz

In diesem Beitrag wird in den ersten drei Abschnitten auf allgemeine Grundlagen zu Arbeits- und Gesundheitsschutz eingegangen, die gleichermaßen in allen Bereichen, wo Menschen arbeiten, Geltung haben. In drei weiteren Abschnitten wird dann auf den Bereich Oberflächennahe Geothermie fokussiert.
Der Verpflichtung zu Arbeits- und Gesundheitsschutz können sich kein Unternehmer, keine Führungskraft und kein Mitarbeiter entziehen. Dabei muss gesetzlich vorgeschriebener Arbeits- und Gesundheitsschutz nur dort in Form von Schutzmaßnahmen stattfinden, wo legal „bezahlte“ Arbeit stattfindet. Dagegen wird in vielen Unternehmen heute über die Mindestvorschriften hinaus etwas getan zur Vermeidung oder zumindest zur Verminderung von Verletzungen infolge von Arbeits- und Wegeunfällen mit oftmals einhergehenden Sachschäden, anerkannten und entschädigungspflichtigen Berufskrankheiten, eingeschränkter Leistungsfähigkeit bzw. befristetem Arbeitsausfall der Beschäftigten durch arbeitsbedingte Gesundheitsgefahren.
Dies trifft leider nicht auf die Masse der kleinen und mittleren Unternehmen zu, sodass diese nach wie vor ein deutlich erhöhtes Unfallrisiko in Form von vielfach erhöhten Unfallzahlen gegenüber Großunternehmen ausweisen. Dabei zeigt die Erfahrung, dass in die Produktion integrierter Arbeits- und Gesundheitsschutz bei richtiger Vorgehensweise Wertschöpfung und damit Wettbewerbssteigerung zur Folge hat. Es geht damit über die Erfüllung der moralischen, sozialen und gesetzlichen Verpflichtung zur menschengerechten Gestaltung von Arbeit hinaus bis zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit sowie einer Förderung des internen und externen Images des Unternehmens.
Arbeits- und Gesundheitsschutz ist insofern bei Oberflächennaher Geothermie nichts „Besonderes“, hat aber gerade in der Bauphase durch Beteiligung von kleineren und mittleren Unternehmen – nicht selten noch durch Unterstützung bzw. Erbringung gewisser Eigenleistungen durch den privaten Bauherrn selbst – seine Besonderheiten, auf die entsprechend zu achten ist.
Mathias Bauer

25. Oberflächennahe Geothermie in Österreich

In Österreich wurden bis Ende 2014 kumuliert 37.763 Erdwärmesondenprojekte fertiggestellt, für die 6,24 Mio. Bohrmeter niedergebracht wurden. Die gesamte Entzugsleistung der Sonden lässt sich mit 312 MW abschätzen; unter Zugrundelegung einer Jahresarbeitszahl von 3,5 resultiert daraus eine thermische Gesamtleistung der österreichischen Erdwärmesondenanlagen von rund 440 MW. Wie im gesamteuropäischen Markt lässt sich auch in Österreich eine deutliche Abnahme des Anteils der erdgekoppelten (= Erdwärmesonden + Flachkollektoren) an den jährlich neu installierten Wärmepumpenanlagen feststellen: Betrug der Anteil 2007 noch 76,1%, so sank er 2014 auf 35,9%.
Durch die Novelle des Wasserrechtsgesetzes 2011 wurde die Errichtung von Anlagen zur Gewinnung von Erdwärme in Form von Vertikalkollektoren (Erdwärmesonden) mit Tiefen von weniger als 300 m in Österreich bewilligungsfrei gestellt, jedoch wurden Gebiete mit gespannten und artesisch gespannten Grundwasservorkommen und wasserrechtlich besonders geschützte Bereiche von der Bewilligungsfreiheit ausgenommen. Das Bundesgesetz wird durch die einzelnen Bundesländer unterschiedlich interpretiert; so gibt es Länder, in deren gesamtem Gebiet Bewilligungspflicht gilt, und andere, die das gesamte Landesgebiet bewilligungsfrei gestellt haben. Über eine Tiefe von 300 m ist unabhängig von einer wasserrechtlichen Genehmigung eine bergbehördliche Bewilligung erforderlich.
Die Probleme bei der Herstellung von Erdwärmesonden haben geologische und technische Ursachen. Spektakuläre Schadensfälle betrafen das Erschließen von seichten brennbaren Gasvorkommen. Die mangelnde Qualität bei der Ausführung der Bohrarbeiten und der Verfüllung der Erdwärmsonden birgt ein nicht unbeträchtliches Konfliktpotential mit den Interessen der Trinkwasserwirtschaft. Im Bundesland Steiermark führte die mangelhafte Ausführung von Erdwärmesonden zur Ausweisung von Ausschlussgebieten für deren Errichtung, in denen artesische Drücke von > 0,3 bar zu erwarten sind.
Johann Goldbrunner

26. Oberflächennahe Geothermie in der Schweiz

Die Oberflächennahe Geothermie in der Schweiz ist eine Erfolgsgeschichte mit bis zu zweistelligen Wachstumsraten. Die größten Einschränkungen bewirken Grundwasservorkommen als Trinkwasserreservoire. Verschiedene Vollzugshilfen und technische Normen unterstützen die fachgerechte Ausführung beim Bau von Anlagen. Die Qualitätssicherung hat einen enormen Stellenwert in der Schweiz. Prüf- und Anlaufstellen sowie verschiedene Zertifikate bzw. Gütesiegel sind die wichtigsten Qualitätssicherungsmaßnahmen. Die Schweizer Geothermiebranche verfolgt unter dem Dachverband Geothermie-Schweiz verschiedenste Projekte zur Förderung der Geothermie. Forschungsinnovationen werden vorangetrieben und auch die Nachhaltigkeit im urbanen Bereich ist jüngst in den Fokus der Schweizer Geothermiebranche gerückt. Die Oberflächennahe Geothermie wird in der Schweiz auch zukünftig eine wichtige Rolle bei der Gebäudeklimatisierung spielen. Dies beruht insbesondere auf hohem Umweltbewusstsein, verbreitetem Wissen über die Systeme sowie hoher Motivation und Innovationsfreudigkeit von Bauherren, Unternehmen und Interessenverbänden.
Katharina Link, Roland Wyss

27. Oberflächennahe Geothermienutzung weltweit: regionale Trends und Innovationen

Oberflächennahe Geothermieanwendungen werden auf vielfältige Art und Weise weltweit genutzt. Markttrends und innovative Projektbeispiele unterscheiden sich regional aufgrund der Ressourcenausstattung und Bedarfsstrukturen sehr. Duplizierbare Erfolgskriterien werden gezielt extrahiert und auf andere Projekte übertragen. Innovative Projektbeispiele umfassen die flächendeckende Erdwärmepumpennutzung in Schweden, die Erforschung und beginnende Nutzung ehemaliger Grubengebäude des Kohlebergbaus im Ruhrgebiet und in den Niederlanden, die Nutzung Oberflächennaher Geothermie für Gewächshäuser in den Niederlanden als auch für öffentliche Einrichtungen, Gebäudekomplexe und Einkaufszentren in Korea. Deutlich wird, dass die Regierungen, Gesetzgeber und Finanzinstitute ausschlaggebend sind für die Geothermieentwicklung in den Ländern.
Marietta Sander

28. Ausblick: Schlüsselelemente, Herausforderungen, Chancen und Perspektiven

Die geothermische Energie ist ein wichtiger Baustein bei zunehmendem Bedarf an erneuerbarer Energieproduktion. Geothermie bedeutet eine gesicherte und stabile Grundversorgung an Wärme. Den Vorteilen, z. B. saisonale Unabhängigkeit von Wetterphänomenen, lokale autarke Produktion, umweltfreundlicher Charakter, optisch unauffälliger, geringer Flächenbedarf, stehen als kritische Momente die Bewertung des Fündigkeitsrisikos und die soziale Akzeptanz gegenüber, deren dezentrale Bewältigung nur auf der Basis von Wissenschaftlichkeit und verstärkter Forschungstätigkeit gelingen kann. Speziell in Deutschland sind Anreize zur Finanzierbarkeit und ein Interessenmanagement zur Schaffung politischer Akzeptanz als Chance und Herausforderung dringend geboten.
Mathias Bauer, Willi Freeden, Hans Jacobi, Thomas Neu

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