Neue Entwicklungen zur Nutzung der oberflächennahen Geothermie mit vertikalen Erdwärmesonden

Erst Erdwärmesonden aus vernetztem Polyethylen ermöglichen aufgrund dessen Temperaturbeständigkeit bis 95°C die Errichtung von Erdwärmesondenspeichern und das unbedenkliche Einspeisen von Überschusswärme aus einer thermischen Solaranlage in die Erdwärmeanlage.

Dipl.-Ing. Guido Kania, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Gottschalk
Die Erdwärmenutzung mit Erdwärmesonden und -kollektoren hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Neben neuen Kollektorformen wurden auch neue Materialien entwickelt und eingesetzt, die gegenüber den bis dahin verwendeten konventionellen Rohrwerkstoffen PE80/PE100 erheblich verbesserte Eigenschaften aufweisen und auch neue Einsatzmöglichkeiten erlauben. Im Mittelpunkt steht der Einsatz von vernetztem Polyethylen, insbesondere PE-Xa. Daraus hergestellte Erdwärmesonden oder -kollektoren sind solchen aus unvernetztem Polyethylen hinsichtlich Spannungsriß-, Kerb- und Punktlastbeständigkeit um Größenordnungen überlegen. Gerade in der Erdwärmenutzung sind diese Eigenschaften von gravierender Bedeutung, da Erdwärmesonden beim Einbringen in das Bohrloch sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und darüber hinaus beim Betrieb auch noch aufgrund ständiger Temperaturänderungen den Auswirkungen der daraus resultierenden thermomechanischen Kräfte über Jahrzehnte

Erst Erdwärmesonden aus vernetztem Polyethylen ermöglichen aufgrund dessen Temperaturbeständigkeit bis 95°C die Errichtung von Erdwärmesondenspeichern und das unbedenkliche Einspeisen von Überschusswärme aus einer thermischen Solaranlage in die Erdwärmeanlage.

In jüngster Zeit werden auch Erdwärmesonden aus erhöht spannungsrissbeständigem Polyethylen (PE-RC) angeboten. Die Spannungsriss-, Kerb- und Punktlastbeständigkeit dieser Rohre ist zwar höher als die von konventionellem Polyethylen, kommt aber bei weitem nicht an die Werte von PE-Xa heran und genügt deshalb nicht den Anforderungen der modernen Erdwärmenutzung. Darüber hinaus ist die thermische Beständigkeit von PE-RC nicht besser als die von konventionellem Polyethylen, dessen Druckrohreigenschaften jenseits von 40 °C rapide einbrechen.

Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie gewinnt vor dem Hintergrund global steigender Energiekosten, der weltweit geforderten Begrenzung des CO2-Ausstoßes und der vom Nutzer geforderten Grundlastfähigkeit stark an Bedeutung. In der Anfangszeit der Nutzung der oberflächennahen Geothermie waren grundwasserbasierte, zum Gebirge offene Systeme mit einer direkten Nutzung der im Grundwasser enthaltenen Wärme noch weit verbreitet („standing column wells“).

Diese Art der Geothermienutzung bedarf jedoch stets einer aufwändigen wasserrechtlichen Genehmigung und ist nur genehmigungsfähig, wenn existierende Grundwasserhorizonte nicht miteinander verbunden werden. Ebenso muss die problemlose Verpressung des entnommenen Grundwassers im sogenannten „Schluckbrunnen“ über Jahre problemlos möglich sein. Darüber hinaus ist die maximal erreichbare Entzugsleistung bei wasserbasierten Systemen durch den Gefrierpunkt des Wassers begrenzt.

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