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Erdwärme-Zeitung.de | 18. November 2017

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Frostfreier Betrieb von Erdwärmeanlagen

Frostfreier Betrieb von Erdwärmeanlagen
Frostfreier Betrieb von Erdwärmeanlagen: Vor und Nachteile?

Betrachtungen von Rüdiger Grimm, Geschäftsführer der Firma geoEnergie Konzept GmbH aus Freiberg und Herausgeber des Blogs „erdwaerme-heute.de“

Aus aktuellem Anlass möchte ich heute eine immer häufiger gestellt Frage aufnehmen: „Welches sind die wirtschaftlichen Konsequenzen für eine Erdwärmeanlage, wenn statt der bisher üblichen Betriebsweise nur noch der sog. „frostfreie Betrieb“ möglich ist?“ oder kurz „Wieviel Bohrmeter benötigen wir mehr, wenn die Anlage nicht unter 0°C gefahren werden darf?“.Zunächst zum Hintergrund. Aktuell wird das Thema eigentlich deshalb, weil hinsichtlich der Frost-Tau-Wechselbeständigkeit von Verfüllmaterialien noch keine einheitlichen Regeln herrschen. Sprich, sollten die marktüblichen Verfüllbaustoffe für Erdwärmesonden einem mehrfachen Frost-Tau-Wechsel während des regulären Betriebs nicht standhalten, so besteht die Gefahr, dass diese Materialien ihre Eigenschaften hinsichtlich der geringen Wasserdurchlässigkeit verlieren und so mit der Zeit über die Bohrung eine Verbindung zwischen verschiedenen Grundwasserleitern entsteht.

Eine zweite Begründung für den frostfreien Betrieb, welche wir in der letzter Zeit zunehmend hören, ist das Argument, dass man dann auf das Frostschutzmittel Glykol, welches ja in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft ist, aber von jedem Autofahrer munter den ganzen Winter über die Scheibenwischanlage in die Natur versprüht wird, verzichten könnte.

Meines Erachtens sind diese Fragen eher theoretischer Natur und ich will nachfolgend auch begründen, warum. Eine einfache beispielhafte Rechnung mittels Simulationsprogramm EED Earth Energy Designer zeigt, dass für ein Einfamilienhaus gegenüber der bisherigen Herangehensweise schon deutliche Mehrkosten entstehen. Reichten bisher 100 m aus, so sind für einen frostfreien Betrieb in der Grundlast 120 m und in der Spitzenlast schon 145 m erforderlich. Laut der in Deutschland gültigen VDI 4640 („Keine Absenkung in der Grundlast um mehr als 11K gegenüber der natürlichen Untergrundtemperatur.“) oder der schweizer Norm SIA 384/6 („Niemals unter -3°C.“) ergeben sich für das gezeigte Beispiel Werte von 90 m bzw. 105 m.

An dieser Stelle muss ich die Begriffe „Grund- und Spitzenlast“ aus geothermischer Sicht kurz erläutern, weil sie im Simulationsprogramm EED etwas unglücklich gewählt (übersetzt) sind – also „Grundlast“ sind die monatlichen kWh, welche aus dem Untergrund erbracht werden müssen. Mit „Spitzenlast“ ist die maximale ununterbrochene Beanspruchung der Erdwärmesonde gemeint, sprich: Wie lange läuft die Wärmepumpe ohne Unterbrechung? Dazu existieren im Übrigen aus der Praxis nur sehr sporadische Erfahrungswerte). D.h. wir verwenden hier als Planer in der Regel sehr konservative Annahmen. Die Grundlastkurve und die Spitzenlastkurve sind zwei sich überlagernde Kurven, welche die Soletemperaturen (hier als Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauf) beschreiben.

Es stellt sich nun also die Frage: „Welche Temperaturgrenzen sind denn eigentlich mit „frostfreiem Betrieb“ gemeint?“. „Grundlasttemperatur nicht kleiner als 0°C“ würde Sinn machen, erstens haben wir so seit Jahren die Anlagen dimensioniert (siehe Grafik), zweitens ähnelt diese Vorgehensweise der Schweizer Norm SIA 384/6 und drittens befinden wir uns hier in einer ausgeglichenen Balance zwischen Investition und Betriebskosten. Die Erdwärme wird nachhaltig genutzt. Wird die Anlage so betrieben, wie geplant, dann käme es auch nur in sehr seltenen Fällen zur Frostbildung im Untergrund, denn ehe der Verfüllbaustoff durchfroren wäre, ist schon lange wieder eine Unterbrechung des Betriebs eingetreten und es kommt zur Regeneration des Sondenumfelds bis auf das Niveau der Grundlasttemperatur.

Selbst wenn es zum Durchfrieren käme, ist zu hinterfragen, in wie vielen Extremfällen (strenge Winter etc.) dies überhaupt passieren kann und wie sich das auf die Materialeigenschaften auswirkt. Wichtig ist hier eigentlich nur eine Größe: die Durchlässigkeit des Gesteinskörpers gegenüber Grundwasser. Selbst wenn es also zur teilweisen Änderung der Materialeigenschaften käme, muss dies nicht zwangsläufig bedeuten, dass dies zu einer wirksamen Verbindung zwischen Grundwasserleitern führt. Eine klare Norm, welche es für die Geothermie-Baustoffe nicht gibt, muss hier schnellstens Aussagen treffen.

Auch wenn die Soletemperatur in der Erdwärmesonde bei 0 °C liegt, so ist die Temperatur an der Außenseite des PE-Rohres (Wanddicke üblicherweise 2,9 mm) aufgrund des thermischen Widerstandes mehr als 1 K höher. Eigene Messungen über im Verfüllkörper eingebaute Temperaturmessketten haben gezeigt, dass die Temperatur im Ringraum der Bohrung deutlich über den gemessenen Soletemperaturen am Austritt aus der Erdwärmesonde liegt. Ein Beispiel im Raum Frankfurt a.M. zeigt hier Differenzen von 2,5 K.

Wichtig ist auch, zu beachten, wo überhaupt eine Auflage zum frostfreien Betrieb Anwendung finden sollte. Ganz sicher nicht in Bereichen, in denen nicht von einem Grundwasserstockwerksbau gesprochen werden kann (also in vielen Festgesteinen, in denen das Grundwasser, wenn überhaupt, nur auf Klüften und Störungen zirkuliert und auch keine Grundwassernutzung stattfindet). Auch nicht in Bereichen, wo eine Erdwärmenutzung ohnehin auf den obersten Grundwasserleiter beschränkt ist (wie z.B. in Bayern), denn hier kann es ja zu gar keiner Verbindung durch die Bohrung kommen.

Was brauchen wir also in der Branche:
  1. Augenmaß bei der Festlegung von Auflagen zum frostfreien Betrieb.
  2. Eine Norm für Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit von Verfüllbaustoffen, welche sich an realistischen Szenarien beim Betrieb einer Erdwärmeanalage orientiert.
  3. Mehr Monitoring von Erdwärmeanlagen, um aufzuzeigen, dass die dargestellten Szenarien von Vereisung im schlimmsten Fall Folgen von Fehlplanung bzw. Fehlbetrieb sind.

Hier geht`s zum Blog und zur Diskussion: www.erdwaerme-heute.de , Quelle Grafik ErdwärmeHeute Freiberg 17.08.2012

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