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Standardisierte Bausteine für Geothermiesonden

Wie lässt sich eine Idee für ein neues Messverfahren für tiefe Geothermiebohrlöcher schnell in ein In-situ-Funktionsmuster integrieren? Für ähnliche Fragestellungen hat die Automobilindustrie die Plattformstrategie entwickelt. An einer Plattform für Geothermiesonden arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie seit einigen Jahren. Der Baukasten, namens ZWERG, enthält sehr unterschiedliche Komponenten. Einerseits handelt es sich dabei um Blaupausen bewährter Konzepte (zum Beispiel Auslegung und Ausführung des Sondengehäuses) oder Informationen zur Beschaffungslogistik (zum Beispiel Lieferant und Richtpreis für die Halbzeuge des Sondengehäuses). Andererseits enthält er fertige Komponenten, die flexibel einsetzbar sind (zum Beispiel HiTES-Sondensteuerung: High Temperature Embedded System). Die erste Anwendung der Plattform ist eine Sonde zur Inspektion tiefer und heißer Bohrlöcher, die GeoKam.

Im Oberrheingraben ist die Anlage in Soultz-sous-Forêts die bekannteste und am besten erforschte Geothermieanlage. Dort existieren Bohrlöcher mit einer Teufe von 5.000 m, in denen eine Temperatur von ca. 200 °C und Drücke bis 600 bar gemessen werden können. Obwohl dort seit Jahrzehnten gearbeitet, gemessen und geforscht wird, sind noch immer viele Fragen unbeantwortet. So gibt es zum Beispiel keine praktikable Lösung, um dort ein defektes Casing zu reparieren. Am Brunnenkopf kommt deshalb nicht das heiße Wasser aus der Tiefe, sondern ein weniger warmes Mischwasser aus mehreren Horizonten an.

Der erste Reparaturschritt bestünde in einer exakten Lokalisation des Problems. DieTeufe, in der Wasser eindringt, kann mit existierenden Geräten zur Temperaturmessung oder zur Durchflussmessung gut bestimmt werden. Um eine optimale Schadensregulierungsstrategie zu bestimmen, sollte es möglich sein, einen Blick auf den Defekt zu werfen. Dazu wird eine Inspektionskamera benötigt, die auch noch in großen Teufen zuverlässig scharfe Bilder liefert.

Bohrlochsonden für Temperaturmessungen, Inspektionssonden und Reparatursonden unterscheiden sich in vielen Punkten. Sie haben aber auch ganz viele Gemeinsamkeiten. Für den Sondenbetrieb wird immer eine Bedienstation benötigt, die im Wesentlichen aus einem PC mit Touch-Bildschirm besteht. Alle Sonden müssen mit Strom versorgt werden, der über ein Kabel in die Tiefe geleitet wird. Die Bedienstation muss in beide Richtungen Daten mit der Sonde austauschen. Die Sonde braucht eine stabile Hülle, um den Außendruck auszuhalten. Das Gehäusematerial soll nicht korrosionsanfällig sein. In der Sonde wird Elektronik bestehend aus Sensoren, Aktoren und Datenverarbeitungsinstanz benötigt. Was liegt also näher, als die Gemeinsamkeiten herauszuarbeiten und daraus eine Systemplattform zu entwerfen, von der ausgehend kosten- und zeitsparend zahlreiche Spezialsysteme entwickelt werden

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.