EA

– Geotherm

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Die Empfehlungen Oberfl ächennahe Geothermie fassen den Stand

der Technik zusammen. Das Ziel ist die fachgerechte Erschließung

des Untergrunds für geothermische Zwecke sowie die Vermeidung

von Schäden für den Untergrund und das Grundwasser einerseits und

an der Anlage sowie der Bebauung andererseits. Die Empfehlungen

sollen als Arbeitshilfe die optimale und nachhaltige geothermische

Nutzung des Untergrunds am konkreten Standort in Beratung, Pla-

nung, Bauausführung und Betrieb begleiten. Die Fach- und Genehmi-

gungsbehörden erhalten die Möglichkeit, sich bei ihren Entscheidun-

gen und Vorgaben an den Empfehlungen zu orientieren.

Der Arbeitskreis (AK) Geothermie wurde 2004 in Bochum gegründet

und wurde 2007 zum gemeinsamen Arbeitskreis der Fachsektionen

Hydrogeologie der DGG und Ingenieurgeologie der DGG/DGGT. Rund

20 aktive Fachkollegen/Innen aus Hochschulen, Behörden und Inge-

nieurbüros beteiligen sich an dem 2- bis 3-mal pro Jahr tagenden AK

Geothermie.

ISBN 978-3-433-02967-1

Empfehlungen Oberfl ächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie

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Vorwort

Die Nutzung der Oberflächennahen Geothermie hat in den vergangenenzehn Jahren enorme Zuwächse erfahren. Mit der stetig steigenden Anzahlvon Geothermieanlagen ging eine steile technische Entwicklung einher.Schadensfälle im Zusammenhang mit der Herstellung und dem Betrieb dergeothermischen Anlagen traten auf und waren vielfach im Fokus media-ler Aufmerksamkeit. Insbesondere zeigen diese bekannt gewordenen Scha-densfälle, dass das Bohren in Tiefen von bis zu einigen hundert Metern eintechnisches Handeln ist, welches ein verantwortungsvolles Vorgehen imSinne qualitätsgesicherter Planung, Ausführung und Betrieb der Anlagenerfordert. Die Vermeidung von Schäden durch oberflächennahe geother-mische Anlagen ist wesentliche Voraussetzung einer nachhaltigen geother-mischen Nutzung, insbesondere beim Schutz der Grundwasservorkommenvor nachteiliger Beeinflussung. Die vorliegenden Empfehlungen verstehensich als ein Beitrag zur qualitätsgesicherten Ausführung derartiger An-lagen. Es ist eines der Ziele des Arbeitskreises Geothermie der Fachsek-tion Hydrogeologie der DGG und der Fachsektion Ingenieurgeologie derDGG und der DGGT, die weite Verbreitung der Nutzung der Geothermieals umweltfreundliche Energiequelle zu fördern und dabei den Schutz derWasservorkommen sehr weitgehend zu berücksichtigen. Die Empfehlun-gen wurden sowohl von den Autoren als auch von den herausgebendenVerbänden DGG und DGGT als Hilfestellung und nicht als technischesRegelwerk im Sinne einer Norm konzipiert. Dementsprechend enthaltendie Empfehlungen des Arbeitskreises Geothermie auch einige lehrbuchar-tige Passagen und einen umfangreichen Teil zum Genehmigungsrecht. ZumZeitpunkt der Drucklegung war ein Normungsvorhaben für die Oberflä-chennahe Geothermie nicht in Sicht. Es wird aber weiterhin als erforderlichangesehen.

Das Autorenteam und die temporären Mitarbeiterinnen und Mitarbeiterdes Arbeitskreises sind Hydrogeologen, Ingenieurgeologen und Ingenieu-re aus Planung, Baugewerbe, Baustoffindustrie, Behörden und Hochschu-len haben die vorliegenden Empfehlungen in mehrjähriger Arbeit erstellt.Dabei war den Beteiligten immer bewusst, dass Teile der Inhalte auch einefachliche Kontroverse auslösen können.

Zur Sicherstellung der fachlichen Qualität des Inhaltes der vorliegendenEmpfehlungen des Arbeitskreises Geothermie wurden die Empfehlungendes Arbeitskreises einem Begutachtungsverfahren unterzogen. Prof. Dr.Ingrid Stober, Regierungspräsidium Freiburg, Prof. Dr. Rolf Bracke, Inter-nationales Geothermiezentrum, Bochum, sowie Prof. Dr. Dmitry V. Ruda-kov, National Mining University, Dnipropetrovsk, haben mit unterschied-licher Sichtweise diese wichtige und anspruchsvolle Aufgabe übernommen.

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Ihre Anmerkungen und Kommentare wurden sorgfältig in der vorliegendenVersion der EA Geothermie berücksichtigt.

Neben dem Begutachtungsverfahren wurde die EA Geothermie drei Mo-nate öffentlich über den Verlag im Internet zugänglich gemacht. Die inte-ressierte Öffentlichkeit war aufgefordert, Anmerkungen, Kommentare undÄnderungsvorschläge innerhalb eines Zeitraumes von drei Monaten abzu-geben. Das Autorenteam hat jeden einzelnen Beitrag aus dieser Richtungzur Kenntnis genommen, bewertet und an vielen Stellen Änderungen anText und Grafik vorgenommen. Wir sind Ihnen, die diese Beiträge geleistethaben, 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

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– 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 desArbeitskreises Geothermie der DGG und DGGT ist es uns ein Anliegen,den zahlreichen engagierten Personen zu danken, die die Entstehung dieses

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Buches unterstützt, gefördert und mit gestaltet haben. Als temporäre Mit-arbeiterinnen 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 fürBauwesen, Geologie und Umwelttechnik mbH, Witten

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

Ohne die permanente Organisation und Unterstützung durch Frau SimoneRoss-Krichbaum und Frau Dunja Sehn, beide Technische UniversitätDarmstadt, wäre die enge Folge an Arbeitssitzungen und Abstimmungengar nichtmöglich gewesen.Dipl.-Ing. SebastianHomuth,M. Sc., TechnischeUniversität Darmstadt, übernahm die Rolle eines Fachlektors, wofür auchihm besonders zu danken ist. Carolin Tissen und Andreas Hofheinz, Hilfs-kräfte an der TU Darmstadt, waren insbesondere bei der Zusammenfüh-rung von Texten, Layoutfragen, Einbindung von Abbildungen und Setzender Gleichungen für die EA Geothermie zuverlässige Mitarbeiter.

Weiterhin danken wir den Vorständen und Geschäftsführungen der beteilig-ten Fachgesellschaften und Fachsektionen für die aktive Unterstützung derArbeit des Arbeitskreises Geothermie.

Im Namen aller Arbeitskreismitglieder und den die EAGeothermie heraus-gebenden Verbände DGG und DGGT danken wir Frau Prof. Dr. Stober,Freiburg, und Herrn Prof. Dr. Bracke, Bochum, für die Übernahme der ver-antwortungsvollen und sehr arbeitsintensiven Aufgabe der Begutachtung.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXII

Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXV

Formelzeichen und Indizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Grundlagen der Geologie, Hydrogeologie und Geotechnik . 52.2 Grundlagen der Geothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Solarspeicherzone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4 Geosolarer Übergangsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5 Terrestrische Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.6 Anthropogene thermische Beeinflussung. . . . . . . . . . . . . . . . 342.7 Wechselwirkungen geothermischer Anlagen mit dem

Untergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.7.1 Hydrochemische Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7.2 Wechselwirkungen zwischen geothermischen Systemen und

Grundwasserorganismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 Geothermische Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1 Geschlossene Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.1 Erdwärmesonden (Geothermiesonden) . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.2 Verdampfersonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.1.3 Erdwärmekollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.4 Energiepfähle und erdberührende Betonbauteile . . . . . . . . . 533.2 Offene Systeme (direkte Grundwassernutzung). . . . . . . . . . . 583.2.1 Brunnenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.2.2 Geothermie Nutzung im Bergbau und Hohlraumbau . . . . . 643.3 Geothermische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.1 Aquiferspeicher (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) . 683.3.2 Erdwärmesondenspeicher (Borehole Thermal Energy

Storage, BTES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.3.3 Kavernenspeicher (Cavernous Thermal Energy Storage, CTES) 71

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4 Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.1 Wasserrecht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1.1 Europäische Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1.2 Deutsches Recht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2 Bergrecht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.3 Lagerstättenrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.4 Naturschutz und Landschaftspflege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.4.1 Eingriffsregelung nach dem Bundesnaturschutzgesetz . . . . . 814.4.2 Schutzausweisungen in Landschaftsplänen . . . . . . . . . . . . . . 824.4.3 Europäisches ökologisches Netz „Natura 2000“ . . . . . . . . . . 824.5 Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung . . . . . . . . . . 84

5 Grundlagen der Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.1 Projektablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.2 Erkundungsbedarf für Erdwärmesondenanlagen . . . . . . . . . 905.3 Modelle zur Simulation des Wärmetransportes. . . . . . . . . . . 92

6 Bohrungen und Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.1 Bohrverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.2 Hinweise zum Ausbau von Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.3 Bohrlochabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.4 Geologische und hydrogeologische Einflüsse. . . . . . . . . . . . . 1116.5 Response Test Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.5.1 Grundlagen und Messprinzip eines Geothermal Response

Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.5.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.5.3 Thermischer Bohrlochwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.5.4 Qualitätssicherung mit Hilfe des GRT. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.5.5 Auswertung instationärer GRT-Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.5.6 Zylinderquellen-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.5.7 Enhanced Geothermal Response Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

7 Planung, Herstellung und Betrieb geschlossener Systeme . . . . 151

7.1 Erdwärmesondenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.1.1 Planung und Dimensionierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517.1.2 Verfüllung des Ringraums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.1.3 Anforderungen an den Verfüllbaustoff . . . . . . . . . . . . . . . . . 1667.1.4 Nicht vollständig abgedichtete Erdwärmesonden . . . . . . . . . 1847.1.5 Druck- und Durchflussprüfung an Erdwärmesonden . . . . . . 1907.1.6 Wärmeträgermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

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7.1.7 Horizontale Anschlussleitungen und Schnittstellezur Haustechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7.1.8 Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027.1.9 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.1.10 Rückbau und Stilllegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.2 Erdwärmekollektoren (EWK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.2.1 Planung und Bemessung von Kollektoranlagen . . . . . . . . . . 2087.2.2 Bauausführung von Flächenkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2.3 Bauausführung von Erdwärmekörben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.2.4 Verlegung der Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2127.2.5 Füllen und Entlüften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.2.6 Wärmeträgermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.2.7 Druckprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.2.8 Inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.2.9 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.2.10 Betrieb der Erdwärmekollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.2.11 Auswirkungen des Betriebes der Erdwärmekollektoren . . . . 2157.2.12 Rückbau / Stilllegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

8 Planung, Herstellung und Betrieb offener Systeme . . . . . . . . . 219

8.1 Brunnenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2198.1.1 Planung und Dimensionierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2268.1.2 Bauausführung, Qualitätssicherung, Dokumentation. . . . . . 2288.1.3 Pumpversuch und Brunnentest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2288.1.4 Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2288.1.5 Hydrochemische und mikrobiologische Einflüsse . . . . . . . . . 2328.1.6 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2378.1.7 Stilllegung und Rückbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2378.1.8 Praxisbeispiel Brunnenanlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2388.2 Aquiferspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

9 Risikopotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

9.1 Die 5-M-Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2459.1.1 Mensch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2469.1.2 Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2469.1.3 Material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2479.1.4 Maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2489.1.5 Medium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2489.1.6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2499.2 Geologische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2509.2.1 Quellfähige und setzungsempfindliche Gesteine . . . . . . . . . . 250

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9.2.2 Lösliche Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2519.2.3 Überkonsolidierte und porenwasserdruckanfällige Gesteine 2519.2.4 Tektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2529.2.5 Massenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2529.2.6 Erdfall-, Senkungs- und Bergsenkungsgebiete. . . . . . . . . . . . 2529.2.7 Gasaustritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2539.3 Hydrogeologische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2549.3.1 Gespanntes und artesisch gespanntes Grundwasser . . . . . . . 2549.3.2 Stockwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2549.3.3 Hydrochemische Gradienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.3.4 Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.3.5 Wasserqualität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.4 Umwelttechnische Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.4.1 Altlasten und Altablagerungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.4.2 Bergbau, Bergbaufolgeschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.5 Risiken beim Sondeneinbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2589.6 Betriebsrisiken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

Gesetze, Normen, Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

Leitfäden von Ländern und Kommunen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Glossar A bis Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

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Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie.1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) undder Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e.V. (DGG).© 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG

3 Geothermische Anlagen

Für die meisten Anwendungen geothermischer Energie (Heizen, Prozess-wärme, Speicherung) sind die Temperaturen des oberflächennahen Unter-grundes für die unmittelbare energetische Nutzung zu gering. Das gilt so-wohl für offene (direkte) Systeme, bei denen das Grundwasser entnommen,thermisch genutzt und meist wieder eingeleitet wird, als auch für geschlos-sene (indirekte) Systeme, bei denen ein Wärmeträgermedium (Flüssigkeitoder Gas) in geschlossenen Rohrleitungssystemen dem Untergrund Wärmeentzieht oder zuführt. In diesen Fällen ist die Erhöhung der Nutzungstem-peraturen durch Wärmepumpen der häufigste Fall.

Wärmepumpen arbeiten prinzipiell wie Kühlschränke, allerdings mit umge-kehrter Wirkungsweise. Dem Untergrund wird Wärme entzogen, um diesefür den Heizbetrieb imWohnhaus zu nutzen. In einem geschlossenen Kreis-lauf befindet sich in der Wärmepumpe eine leicht siedende Flüssigkeit alsArbeitsmedium. Diese wird durch den Verdampfer bei niedrigen Tempe-raturen verdampft und nimmt dabei Wärme auf. Durch die Kompressiondes Verdichters wird das Temperaturniveau des Dampfes weiter erhöht undgelangt so in den Verflüssiger. Ein Wärmeaustauscher gibt die Wärme desDampfes an den Heizkreislauf ab. Der Dampf wird hierbei durch Konden-sation verflüssigt. Durch ein Expansionsventil wird der Druck abgebaut.Das so abgekühlte Kältemittel wird wieder verflüssigt und dem Verdampferzugeführt. Hier beginnt der Kreislauf erneut (Abbildung 3.0.1).

Abbildung 3.0.1 Funktionsschema einer Wärmepumpe;Grafik: Bundesverband Wärmepumpe e.V., 2013

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Abbildung 3.0.1 versteht sich als Beispiel für eine derzeit übliche Bauart vonWärmepumpen. Es sind u. a. verschiedene Kompressionswärmepumpenund Absorptionswärmepumpen verfügbar und in Entwicklung, die in denvorliegenden Empfehlungen jedoch nicht weiter behandelt werden.

Auf dem Markt sind verschiedene geothermische Systeme, die eine Kombi-nation aus direkter und indirekter Nutzung ermöglichen. Wegen der bishergeringen Verbreitung dieser Spezialsysteme wird in den Empfehlungen desArbeitskreises Geothermie nur am Rande darauf eingegangen. Die Grund-lagen, wie sie bei den geschlossenen und offenen Systemen diskutiert wer-den, gelten selbstverständlich auch bei diesen Systemen.

3.1 Geschlossene Systeme

Es existieren unterschiedliche Ausführungen geschlossener Systeme, die sichin Erdwärmesonden, Verdampfersonden, Direktverdampfersonden, Erd-wärmekollektoren, Erdwärmekörbe und Energiepfähle unterteilen lassen.Es gibt erhebliche Unterschiede in der Bauausführung, dem Flächenbedarfund der Tiefenlage bzw. Teufe der Systeme.

Geschlossene Systeme verfügen über ein unterirdisches Rohrleitungssystem,das als Wärmeaustauscher fungiert. Es kommen unterschiedliche Rohrma-terialien zum Einsatz. Hauptsächlich werden Polyethylenrohre hoher Dich-te (PE-HD), Stahlrohre und Kupfer verbaut. In jüngster Zeit werden für Po-lyethylenrohre praktisch nur noch hochspannungsrißbeständige Werkstoffemit der Bezeichnung PE100-RC (RC: resistant to crack) eingesetzt. NachHerstellerangaben eignet sich PE100-RC beispielsweise für die sandbettlo-se Verlegung von Rohren. PE100, PE80 sowie hochvernetztes Polyethylen(PE-X) und andere Materialien werden nur in geringerem Umfang einge-setzt. Im Folgenden wird von PE-100-RC Rohren ausgegangen, wenn nichtausdrücklich alternative Rohrmaterialien angesprochen werden.

3.1.1 Erdwärmesonden (Geothermiesonden)

Erdwärmesonden (EWS), synonym als Geothermiesonden bezeichnet, wer-den überwiegend zur Erschließung oberflächennaher geothermischer Ener-gie verwendet. Dabei kommen U-Rohr-EWS, Doppel-U-Rohr-EWS undkoaxiale EWS zur Anwendung (Abbildung 3.1.1). Bei den meisten Erdwär-mesondenanlagen wird zurzeit die Doppel-U-Rohr-EWS eingesetzt. Abbil-dung 3.1.2 und Abbildung 3.1.3 zeigen stark schematisiert das überwiegendverbreitete Bauprinzip einer EWS. Lediglich aus graphischen Gründen wur-de die EWS nur mit einemU-Rohr dargestellt. Obwohl die Doppel-U-Rohr-

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Bauart am häufigsten eingesetzt wird, ist anzumerken, dass die Einfach-U-Rohr-Variante vor allem bei tieferen Bohrlöchern (ab ca. 250–300 m) zumEinsatz kommt, um u. a. den Einbau der Sondenrohre zu erleichtern. BeimÜbergang zu den horizontalen Anschlussleitungen und innerhalb der hori-zontalen Leitungsabschnitte selbst ist darauf zu achten, dass kein schwer zuentlüftender Hochpunkt entsteht.

In Abbildung3.1.2 und Abbildung3.1.3 sind schematisch Außen- und In-nenzentrierungen (s. u.) für die Sondenrohre dargestellt. Durch eine Innen-zentrierungwird der thermischeKontakt zwischenVor- undRücklaufrohrenminimiert.Sie erleichtertdenEinbau,dadieVerdrillungdesRohrbündelsver-ringertwird, undnimmtggf. denVerpressschlauchbzw. dasVerpressrohr auf.

Die Außenzentrierung (Abstandhalter) soll den Kontakt des Rohrbündelsoder des Koaxialrohres mit der Bohrlochwand verhindern und die Um-hüllung mit Hinterfüllmaterial verbessern. In Abhängigkeit von den Ge-birgsverhältnissen, dem eingesetzten Bohrverfahren und dem Zustand desBohrloches kann der Einbau von Abstandhaltern zu erhöhten Einbauwi-derständen führen (Kapitel 9). Der Einsatz von Außenzentrierungen ist pro-jektbezogen zu definieren.

Abbildung 3.1.1 Funktionsschemata einer a) U-Rohr-Erdwärmesonde,einer b) Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde, einer c) Koaxial-Erdwärmesonde mitinnengeführtem Rücklauf und einer d) Koaxial-Erdwärmesonde mit außen-geführtem Rücklauf; rot: Vorlauf, blau: Rücklauf; in Bezug auf die Wärmepumpeangegeben; Grafik: Sass & Mielke, 2012

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Empfehlungen Oberflächennahe Geothermie – Planung, Bau, Betrieb und Überwachung – EA Geothermie.1. Auflage. Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. (DGGT) undder Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften e.V. (DGG).© 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG

7 Planung, Herstellung und Betriebgeschlossener Systeme

Zu den geschlossenen Systemen der Erdwärmenutzung zählen vertikale undgeneigte Erdwärme- und Verdampfersonden, horizontal verlegte Erdwär-mekollektoren sowie Erdwärmekörbe und Energiepfähle. Ein untertägigesRohrleitungssystem fungiert bei den geschlossenen Systemen als Wärme-austauscher. Vertikal eingebaute Erdwärmesonden werden zurzeit am häu-figsten eingesetzt.

An die Qualität der für die geschlossenen Systeme verwendeten Anlagen-komponenten und Einbaumaterialien sind hohe Anforderungen zu stellen,um die Effizienz und Langzeitbeständigkeit der gesamten Anlage sicherzu-stellen und Risiken für Boden und Grundwasser zu minimieren. Für dieSicherheit der Anlage und für den Schutz der Umwelt sind erforderlich:

– sorgfältige Planung unter Berücksichtigung der geologischen und hydro-geologischen Verhältnisse,

– qualitätsorientierte und qualitätsüberwachte Herstellung,– Dokumentation der Herstellung und der Abnahmeprüfungen,– ordnungsgemäßer Betrieb im Sinne der Rechtsvorschriften und deren

Auslegung und– fachgerechte Wartung.

Qualitätssicherung und Dokumentation sind neben der Sicherheit der An-lage auch zur Beurteilung zukünftiger Arbeiten auf dem genutzten Grund-stück und zur Beurteilung des wirtschaftlichenWertes der Anlage bei Eigen-tumswechsel von großer Bedeutung.

7.1 Erdwärmesondenanlagen

Vertikale Erdwärmesondenanlagen stellen die überwiegende Form deroberflächennahen geothermischen Systeme dar, die in Deutschland reali-siert werden.

7.1.1 Planung und Dimensionierung

Erdwärmesondenanlagen werden über die Festlegung der minimalen undmaximalen Vor- und Rücklauftemperaturen ausgelegt. Zur Vermeidungvon Vereisungen im Untergrund ist es notwendig, dass die Eintrittstempe-ratur des Wärmeträgermediums in die Erdwärmesonde −3 °C nicht unter-schreitet. Zwischen dem Anschluss des Rücklaufs an die Wärmepumpe bzw.

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den Wärmetauscher der WP-Anlage und der Erdwärmesonde entstehenthermische Verluste oder treten thermische Gewinne auf je nach Art, Be-schaffenheit und Bauweise der Anbindungsrohrleitung. Diese Temperatur-differenzen sind messtechnisch oder rechnerisch zu bestimmen und in dieAuslegung der Gesamtanlage einzubeziehen. Im Idealfall (vernachlässigbarkurze Transportleitungen etc.) kann in dieser Anordnung eine Temperatur-spreizung von 3 °C genügen.

Wird als Wärmeträgermedium Wasser ohne Beimengungen von Frost-schutzmitteln verwendet, ist die Anlage so auszulegen, dass in Wärmetau-scher und Wärmepumpe keine Vereisungen eintreten können. Zum Schutzdavor ist ein Frostschutzwächter (Vorgaben der Wärmepumpen-Hersteller-firma beachten) einzubauen oder ein entsprechend dimensionierter Sekun-därkreislauf (ggf. in Kombination mit einem Pufferspeicher) zu installieren.Bei der Wahl des Hinterfüllbaustoffs der Erdwärmesonde sind die Ausle-gungstemperaturen zu berücksichtigen.

Weiterhin ist die wirtschaftlich-technische Betriebszeitspanne ein wesent-liches Bemessungskriterium. Aus geothermischer Sicht ist der Eintritt inquasi-stationäre Wärmeentnahmeverhältnisse im Untergrund eine sinnvolleOrientierung. In Abhängigkeit der in Abschnitt 2.2 diskutierten Einfluss-größen werden quasi stationäre Verhältnisse bei Einzelerdwärmesondenoder EWS-Feldern nach etwa 5 bis 15 Jahren erreicht. Es sind aber auchbetriebs- und projektbedingte Konstellationen möglich, bei denen dieseZeiträume deutlich unter- oder überschritten werden. Auslegungszeiträu-me von 30 bis 50 Jahren sind daher meistens sinnvoll. Die Schweizer NormSIA 384/6 (2010) schreibt z. B. eine Simulationsdauer von 50 Jahren vor.

7.1.1.1 Allgemeine AnforderungenGrundlage für die Planung einer Erdwärmesondenanlage sind die Leis-tungsangaben zum Heiz- und Kühlbetrieb sowie die objekt- und nutzungs-bedingten Arbeitsgrößen, die von den betrachteten Zeiträumen abhängen.In Kapitel 5 sind die Planungs- und Überwachungstätigkeiten beschrieben.Sie gelten bis auf die systembedingten Abweichungen auch für die anderengeothermischen Systeme wie z. B. Brunnenanlagen und Energiepfähle.

Für die Planung und Bemessung von geothermischen Anlagen gelten nebenden technischen Anforderungen und Zielen die wasserrechtlichen Regelun-gen der jeweiligen Bundesländer (Kapitel 4).

Bei der hydraulischen Auslegung von Erdwärmesondenanlagen ist eine klas-sische Optimierungsaufgabe zu lösen. Ziel ist es, die Leistungszahl (ε) derWärmepumpe zu maximieren und den Hilfsenergieaufwand, im Wesent-lichen ist dies der elektrische Strom für die Umwälzpumpe, zu minimie-ren. Durch Reduzierung der Pumpenleistung nimmt der Massenstrom des

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Wärmeträgermediums in den Erdwärmesonden ab. Bei Unterschreitungeines systemspezifischenMassenstroms geht die turbulente Strömung in einelaminare Strömung über. Bei laminarem Fluss sinkt aufgrund fehlender in-terner Durchmischung im Wärmeträgermedium die Entzugsleistung derErdwärmesonde.Daraus resultiert eineniedrigereFluidtemperaturbeimEin-tritt in den Verdampfer derWärmepumpe und damit eine geringere Effizienzder Anlage, da die erforderliche elektrische Arbeit des Verdichters ansteigt.Umgekehrt bewirkt die Erhöhung desMassenstroms bis zumErreichen einerturbulenten Strömung eine höhere Entzugsleistung der Erdwärmesonden.Daraus resultieren eine höhere Fluidtemperatur im Verdampfer derWärme-pumpe und damit eine höhere Leistungszahl der Wärmepumpe. Zwar wirdhierbeimehrHilfsenergieaufwandbenötigt, aber dieGesamteffizienz derAn-lagedurchdie erhöhteLeistungszahl ist imRegelfall größer.

Bei der hydraulischen Auslegung der gesamten Erdwärme-Sondenanlagemüssen die Leitungsdurchmesser und Leitungslängen der Erdwärmeson-den und der Anschlussrohre hinsichtlich des hydraulischen Druckverlustsaufeinander abgestimmt werden. Der Gesamtdruckverlust und damit dieLeistungsaufnahme der Umwälzpumpe sind immer größer als die Summeder Druckverluste der einzelnen Sonden.

In Abbildung 7.1.1 sind beispielhaft die hydraulischen Druckverluste inAbhängigkeit des Massen- bzw. Volumenstroms für die zwei gängigstenU-Rohrsondentypen aus PE-HDWerkstoff (32 × 2,9 mmund 40 × 3,7 mm)dargestellt. Der zwischen 0,5 und 1,0 m³ ∙ h−1 bei beiden Kurven erkennbareAnstieg der Druckverluste ist auf den Übergang von laminarer zu turbulen-ter Strömung zurückzuführen. Erwartungsgemäß werden für den größerenEWS-Durchmesser niedrigere Druckverluste berechnet.

Die Abhängigkeit der Druckverluste von der Sondenlänge der U-Rohrson-dentypen 32 × 2,9 mm und 40 × 3,7 mm ist in Abbildung 7.1.2 dargestellt.Für das gewählteBeispiel (s.Abbildungsunterschrift) liegendieDruckverlus-te der EWS 32 × 2,9 mm etwa Faktor 2,8 über denen der EWS 40 × 3,7 mm.Weiterhin ist die notwendige Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe zurÜberwindung des Druckverlustes dargestellt. Die Leistungsaufnahmewurde jeweils aus dem Produkt aus Druckabfall und Volumenstrom sowieeinem Wirkungsgrad der Umwälzpumpe von 25 % errechnet.

Die Druckverluste, in Abbildung 7.1.1 und Abbildung 7.1.2 dargestellt,wurden mittels den von Huber &Ochs (2007) angegebenen Formeln berech-net. Druckverluste in Wärmepumpe, Horizontalleitungen, Verteiler undweiteren Armaturen sind nicht berücksichtigt, jedoch die 180°-Umlenkungam Sondenfuß. Aufgrund der unsteten Zunahme des Druckverlustes mitsteigender EWS-Länge ist ab einer Sondenlänge von 120 m zur Minimie-rung der Druckverluste eine EWS mit 40 × 3,7 mm einzusetzen.

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7.1.1.2 Achsabstände von ErdwärmesondenErdwärmesonden können sich gegenseitig thermisch beeinflussen. Dies giltsowohl für die Erdwärmesonden einerGruppe oder eines Feldes, als auch fürEinzelsonden auf benachbarten Grundstücken. Bei der Planung sind daherMindestabstände der Erdwärmesonden zu berücksichtigen, um einen nach-haltigenBetrieb auch inbaulichdicht genutztenGebieten zugewährleisten.

Bei der Festlegung von Abständen von Erdwärmesonden sind zu beachten:

– Abstandsvorgaben aus den Leitfäden der Bundesländer und des BbergG,– Abstandsauflagen aus der bergrechtlichen Situation untertage,– Vertikalabweichung des eingesetzten Bohrverfahrens im konkreten Ge-

birge,– Planungsbeeinflussende Merkmale der geologischen Verhältnisse,– Berücksichtigung der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit,– Berücksichtigung von Schwankungen der Grundwasserströmungsrich-

tung,

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

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– Geometrie der betroffenen Grundstücke,– Nutzung der Anlage (Heizung, Heizung/Kühlung, Speicherung).

Der axiale Mindestabstand von zwei vertikalen Erdwärmesondenbohrun-gen beträgt in Abhängigkeit von den Regelungen des jeweiligen Bundeslan-des 5 m bis 10 m. Bei größerenMehrsondenanlagen sind rechnerische Nach-weise zu führen, um u. a. die geeigneten Abstände festzulegen. Gleiches giltfür die Abstände von Erdwärmesonden zu den Grundstücksgrenzen. DasLand Berlin empfiehlt beispielsweise in seinem Leitfaden Mindestabständefür zwei Erdwärmesondenanlagen von 10 m, gibt aber keinen Mindestab-stand zu Nachbargrundstücken vor.

Die thermische Beeinflussung der Anlagen untereinander ist sowohl ab-hängig von den standortspezifischen geologischen und hydrogeologischenVerhältnissen (siehe Kapitel 5) als auch von benachbarten geothermischenNutzungen.

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

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