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Erdwärmesonden: Nachweis der abdichtenden Wirkung der Ringraumhinterfüllung

Fehlerhafte Ringraumhinterfüllungen in Erdwärmesonden
waren eine Ursache für die in jüngster Vergangenheit eingetretenen Schadensfälle im Zusammenhang mit Geothermiebohrungen, bei denen durch Geländehebung oder -setzung Gebäude beschädigt wurden und/oder benachbarte Brunnen trocken gefallen sind. Angepasste, aufeinander abgestimmte Bohrlochmesstechniken überprüfen die Qualität und Funktionalität der Ringraumhinterfüllung in neu errichteten wie auch älteren Erdwärmesonden. Der Beitrag erläutert die Methodik und zeigt aktuelle Beispiele aus der Praxis.

Die Ringraumhinterfüllung aus einer Zement-Bentonit-Mischung dichtet den Hohlraum zwischen den beiden U-Rohren der Erdwärmesonde und den umgebenden Untergrund - den Ringraum - ab. Eine Ringraumhinterfüllung ist intakt, wenn sie vollständig und quasi wasserundurchlässig (kf < 10-9m/s) ist. Um diese Eigenschaft auch über viele Betriebsjahre sicherzustellen, sollte das Material Frost- Tau-Wechsel-beständige Eigenschaften aufweisen und - angepasst an die Geologie - gegebenenfalls sulfatbeständig sein. Die vollständige Anbindung an den Untergrund sichert eine verlustarme Wärmeleitung und damit einen effizienten Betrieb der Geothermieanlage. Wie entstehen Fehlstellen in der Hinterfüllung und wann sind sie funktionsrelevant? Die Zement-Bentonit-Suspension wird entsprechend den Angaben des Herstellers angemischt, damit auf eine vorgegebene Dichte eingestellt und ausgehend von der Bohrlochsohle mit dem Kontraktorverfahren in den Hohlraum eingebracht. Idealerweise wird dabei die Suspension so lange von unten nach oben verpresst, bis an der Oberfläche die Suspension mit der gleichen Dichte austritt wie sie eingebracht wird. Schwierigkeiten treten auf, wenn über das offene Bohrloch zwei Grundwasserleiter mit unterschiedlichen Potenzialen verbunden sind, sodass eine bohrlochinterne vertikale Grundwasserströmung entsteht: Die injizierte Zementsuspension wird mit dem strömenden Grundwasser abtransportiert. Auch bei erbohrten Kluftzonen tritt durch die Verlagerung der Zementsuspension in die Hohlräume ein Massenverlust ein. Ist mit der Bohrung eine Zone mit starker Grundwasserströmung erbohrt worden, wird die Zementsuspension durch die horizontale Grundwasserströmung verdünnt oder gar abgeführt. Oftmals gelingt es, den unkontrollierten Massenverlusten lokal durch das Einbringen von 'Stopfmaterial', wie Sand und/oder Feinsplit, Einhalt zu gebieten. Anschließend wird weiter Zementsuspension verpresst.

Geothermie im Spezialtiefbau: Praxis mit BIM
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (7/2017)
Ab 2020 werden öffentliche Großprojekte in Deutschland nur noch mit Building Information Modeling (BIM) neu geplant, gebaut und betrieben. So sieht es der Stufenplan Digitales Planen des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur vor.

Depothermie - Geothermale Nutzung von Deponien und Altablagerungen zur Wärmegewinnung und -speicherung
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (6/2017)
Dem Ausbau der Geothermie, insbesondere der oberflächennahen Geothermie zur Heizung und Kühlung von Wohn- und Industriegebäuden, wird zukünftig eine steigende Bedeutung zukommen, da durch die Energiewende und den beschlossenen Klimaschutzplan 2050 die Umstellung von einer kohlenstoffbasierten auf eine regenerative Energieerzeugung forciert werden wird.

Europäische Normung für den Brunnenbau nimmt Fahrt auf
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (6/2017)
Die umfangreichen Vorbereitungen für eine gute Ausgangsposition der deutschen Expertise bei der Normung des Brunnenbaus tragen nun erste Früchte. Die strikte Trennung der Themenkomplexe 'oberflächennahe Geothermie' und 'Brunnenbau' wurde auf der konstituierenden Sitzung des CEN TC 451 'Water wells and borehole heat exchangers' durchgesetzt.

Anlagendimensionierung zur Unterschreitung des in Hessen für EWS geforderten Mindestabstandes zur Grundstücksgrenze
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (5/2017)
Die hessischen Anforderungen des Gewässerschutzes an Erdwärmesonden (EWS) vom 21. März 2014 geben einen im Regelfall einzuhaltenden Mindestabstand zwischen EWS und Grundstücksgrenze von 5 m vor. Bei Einhaltung dieses Abstandes wird für EWS-Anlagen mit einer Heizleistung bis 30 kW davon ausgegangen, dass es in der Regel zu keiner thermischen Beeinflussung außerhalb des Grundstücks kommt und somit keine Gewinnung von Erdwärme im Sinne des Bundesberggesetzes (BBergG) erfolgt.

Leistungsvergleich von Erdwärmesonden verschiedener Bauart
© wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH (5/2017)
Ein praktischer Leistungsvergleich von Erdwärmesonden verschiedener Bauart am gleichen Standort unter gleichen Beanspruchungsbedingungen ist bisher nicht bekannt.