I/2 Calidutherm® – eine neue Generation von ... - FITR

I/2 Calidutherm ® –
eine neue Generation von Verpressmaterialien für Erdwärmesonden
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Dipl.-Ing. Heiko Theuerkauf
Effiziente Nutzung der natürlichen Ressource Erdwärme als Beitrag zur Einsparung von
Energie und CO2-Emission
Die Nutzung von erneuerbaren Energien bekommt mit dem Inkrafttreten des Erneuerbare-Energie-
Wärme-Gesetzes (EEWärmeG) ab 01. Januar 2009 eine wesentlich größere Bedeutung als zuvor.
Für alle Neubauten ist dann der Einsatz von erneuerbaren Energien für die Wärmeversorgung verpflichtend
vorgeschrieben. Anlagen, die dabei die Geothermie nutzen, spielen darin eine Schlüsselrolle.
Exemplarisch für eine solche Anlage soll Bild 1 stehen. Darin abgebildet ist die Erzeugung
von Wärmeenergie mittels elektrisch betriebener Wärmepumpe und einer Erdwärmesonde (EWS).
Solche Anlagen werden in Zukunft bei ihrer Herstellung vom Staat gefördert. Gekoppelt daran ist
aber der Nachweis der Effektivität einer solchen Anlage. Maßgebend dafür ist die Jahresarbeitszahl
(JAZ), die in diesem Fall das Verhältnis von verbrauchter elektrischer Arbeit und erzeugter Wärmemenge
widerspiegelt. Im Sinne des EEWärmeG muss ein Sachkundiger für die Gesamtanlage nachweisen,
dass die JAZ > 4,0 beträgt. Nur dann entspricht die Anlage den Anforderungen des Gesetzes
und nur dann kann eine solche Anlage durch einen Investitionszuschuss gefördert werden.
Geologie
= Wärmeträger
Die thermische Effizienz der Anlage wird
wesentlich von dem Widerstand der
verpressten Erdwärmesonde gegen die
Wärmeleitung beeinflusst (Thermischer
Bohrlochwiderstand)!
Wärmepumpe
= Energieverbraucher
Erdwärmesonde
= Wärmetauscher
Verpressmaterial
= Verbindung zwischen
Geologie und
Erdwärmesonde
Bild 1:
Schematische Darstellung
einer typischen Anlage zur
Erzeugung von Wärmeenergie
mit elektrisch betriebener
Wärmepumpe und Erdwärmesonde
Diese Effizienz kann aber nur erreicht werden, wenn die Anlage optimal ausgelegt ist und u. a.
die Entzugsleistung der EWS mit der Wärmeleistung der Wärmepumpe zusammenpasst und dies
auf den zeitlichen Verlauf der Wärmeentnahme und ggf. -abgabe des Gebäudes abgestimmt ist.
Demnach kommt der dauerhaft über die gesamte Nutzungszeit effizient arbeitenden EWS als
Wärmetauscher eine primäre Bedeutung zu. Bisher regelt die VDI 4640 wesentliche Anforderungen
und Randbedingungen, die bei der Herstellung von Erdwärmesonden zu beachten sind. Aus
der Praxis der vergangenen Jahre sind dennoch viele Probleme bekannt, die sich auf mangelhafte
Ausführung oder auf zeitlich verschlechternde Effizienz der EWS zurückführen lassen. Zu wenig
Beachtung finden bisher die Eigenschaften der verwendeten Verpressmaterialien.

Mutterboden
Verwittererungshorizont
Sandstein
Wasseranschnitt
Sandstein
Wasseranschnitt
Rotliegendes
Senkung durch
Schwinden
Lufteinschlüsse
durch schlechtes
Fließverhalten
Schwindhohlraum
durch
Wasserabgabe
Wasseranschnitt
schleppt
Verpressmaterial
mit
Bild 2: Effizienzverschlechternde Effekte durch ungeeignetes Verpressmaterial
Links: mit üblichem VM verpresst, z. B. Baustellenmischung VDI 4640
Rechts: mit verbessertem VM verpresst, z. B. Calidutherm ®
Thermischer Bohrlochwiderstand
0,24
0,22
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Franken 5 Hessen 9 NRW
2 Thüringen 6 Sachsen 10 Thüringen
3 Sachsen 7 Rheinland-Pfalz 11 NRW
4 NRW 8 Thüringen 12 Bayern
Calidutherm ®
Bild 3: Ergebnisse aus der Praxis – Thermal-Response-Tests
andere
< 0,09 K/Wm
angestrebt!
Bild 2 soll schematisch effizienzverschlechternde Effekte durch ungeeignetes Verpressmaterial
aufzeigen. Messbar ist die thermische Effizienz einer EWS über den Thermischen Bohrlochwiderstand
[K/Wm]. Dieser wird mittels Thermal-Response-Test an der fertig verpressten Sonde
bestimmt. Analog zum elektrischen Widerstand gilt: je kleiner der Widerstand, umso besser der
Wirkungsgrad. Bild 3 zeigt in der Gegenüberstellung an realen EWS ermittelte Thermische Bohrlochwiderstände
von Anlagen in unterschiedlichen geologischen Verhältnissen, Regionen und
Einsatz von unterschiedlichen Verpressmaterialien.
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Wesentliche Eigenschaften von Verpressmaterialien, die Einfluss auf den Thermischen
Bohrlochwiderstand haben
Eine entscheidende Rolle kommt der Vermeidung von Luft im Verpresskörper zu. Im Vergleich
zum anstehenden Gestein und dem Verpressmaterial hat Luft eine 100-fach geringere Wärmeleitfähigkeit
und wirkt als Wärmedämmung! Lufteinschlüsse, die zum Beispiel durch Abkoppeln des
Verpresskörpers von der anstehenden Geologie durch nachträgliches Schwinden des Verpressmaterials
entstehen, führen zur Verringerung der für den Wärmetausch aktiv zur Verfügung stehenden
Fläche. Der Wärmefluss wird empfindlich reduziert, der Thermische Bohrlochwiderstand
wird größer. Die Wärmepumpe muss mehr arbeiten, um die abgeforderte Wärme- oder Kälte-
sche menge Bohrlochwiderstand bereitzustellen und wird verbraucht größer. dabei Die mehr Wärmepumpe elektrische muss Arbeit. mehr Letztendlich arbeiten, verringert um die abge- sich
forderte spürbar Wärme- die Jahresarbeitszahl. oder Kältemenge Das Verhältnis bereitzustellen aus verbrauchter und verbraucht elektrischer dabei mehr Arbeit elektrische zu erzeugter Ar-
beit. Wärmemenge Letztendlich verschlechtert verringert sich. sich Dieser spürbar prinzipielle die Jahresarbeitszahl. Zusammenhang wird Das in Verhältnis Bild 4 dargestellt. aus ver-
brauchter elektrischer Arbeit zu erzeugter Wärmemenge verschlechtert sich. Dieser prinzipielle
Zusammenhang wird in Bild 4 dargestellt.
Anspruch an die Verpressung
Lufteinschlüsse beim Verpressen
vermeiden!
Nachträgliche Schwindrisse vermeiden!
Hohlraumbildung durch Materialverschleppung
in Klüfte und
Grundwasserleiter vermeiden!
Hohe eigene Wärmeleitfähigkeit
des Verpressmaterials!
Materialeigenschaft
hervorragende
Fließfähigkeit
besondere Tonkomponente
eingestelltes thixotrophes
Erstarren
mind. genauso wie
Geologie
Schlussfolgerungen JAZ = 4,0 JAZ = 5,0
Nur so lässt sich die
anstehende Erdwärme
verlustfrei (nahezu
100%) zur Wärmepumpe
übertragen
oder Wärme ins Erdreich
übertragen!!!!!!!!
Bei Großanlagen ist es heute bereits üblich, die Auslegungsparameter anhand von einer oder
mehreren Testsonden im Sondenfeld mittels Thermal-Response-Test zu überprüfen, bzw.
nach den Ergebnissen der Messung 3/4 festzulegen. Daraus leiten sich wesentliche, zwingende 4/5
Gründe ab, leistungsfähige Verpressmaterialien der neuen Generation (wie z. B. Calidutherm
75 % Erdwärme
80 %
Erdwärme
25 % Strom
1/4 20 % Strom
1/5
Bild 4: Energiebilanz von Anlagen mit unterschiedlichen Jahresarbeitszahlen
® ) einzusetzen. Einerseits werden sehr geringe Thermische Bohrlochwiderstände realisiert,
die es ermöglichen, die Gesamtbohrmeter einer Geothermieanlage zu verringern. Andererseits
entsteht ein Projektierungsspielraum, der eine optimale Anpassung von EWS-
Anlage und Wärmepumpentechnik ermöglicht, so dass nachweislich hohe JAZ erreicht werden.
Werden in einem Fall Investitionskosten gespart, werden im anderen Fall Betriebskosten
reduziert und die Voraussetzung für die Förderbarkeit nach EEWärmeG geschaffen. Gerade
unter diesem Aspekt ist der Einsatz eigenschaftsoptimierter Verpressmaterialien auch für die
Erzeugung geringerer Wärmemengen, wie z. B. für Einfamilienhäuser, interessant.
Bild 5 und Bild 6 zeigen Beispiele für das so zu erzielende Optimierungspotential anhand
realer Anlagendaten. Nicht vergessen werden darf, dass der Einsatz des verbesserten Verpressmaterials
dauerhaft gleichbleibende Eigenschaften der Sonde sichert. Die Beständigkeit
von
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Calidutherm ® gegen nachträgliches Schwinden, Frost, Wasserdurchdringung und chemischen
Angriff durch Sulfat sind nachgewiesen und garantiert.

Schlussfolgerungen
Bei Großanlagen ist es heute bereits üblich, die Auslegungsparameter anhand von einer oder
mehreren Testsonden im Sondenfeld mittels Thermal-Response-Test zu überprüfen, bzw. nach
den Ergebnissen der Messung festzulegen. Daraus leiten sich wesentliche, zwingende Gründe ab,
leistungsfähige Verpressmaterialien der neuen Generation (wie z. B. Calidutherm ® ) einzusetzen.
Einerseits werden sehr geringe Thermische Bohrlochwiderstände realisiert, die es ermöglichen,
die Gesamtbohrmeter einer Geothermieanlage zu verringern. Andererseits entsteht ein Projektierungsspielraum,
der eine optimale Anpassung von EWS-Anlage und Wärmepumpentechnik
ermöglicht, so dass nachweislich hohe JAZ erreicht werden. Werden in einem Fall Investitionskosten
gespart, werden im anderen Fall Betriebskosten reduziert und die Voraussetzung für die
Förderbarkeit nach EEWärmeG geschaffen. Gerade unter diesem Aspekt ist der Einsatz eigenschaftsoptimierter
Verpressmaterialien auch für die Erzeugung geringerer Wärmemengen, wie
z. B. für Einfamilienhäuser, interessant.
Bild 5 und Bild 6 zeigen Beispiele für das so zu erzielende Optimierungspotential anhand realer
Anlagendaten. Nicht vergessen werden darf, dass der Einsatz des verbesserten Verpressmaterials
dauerhaft gleichbleibende Eigenschaften der Sonde sichert. Die Beständigkeit von Calidutherm ®
gegen nachträgliches Schwinden, Frost, Wasserdurchdringung und chemischen Angriff durch
Sulfat sind nachgewiesen und garantiert.
Eckdaten der Anlage
Heizleistung: 90 kW bei 2.000
Betriebsstunden/Jahr
Kühlleistung: 55 kW bei 1.500
Betriebsstunden/Jahr
JAZ bei Heizbetrieb: 4,2
Kühlung als freie Kühlung
Jahresheizarbeit: 180.000 kWh
Jahreskühlarbeit: 82.500 kWh
Verpressmaterial
Wärmeleitfähigkeit VM
[W/mK]
Thermischer Bohrlochwiderstand
[K/Wm]
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Calidutherm ®
2
0,07
1600 m
1800 m
2100 m
Calidutherm anderes anderes
anderes
0,6
0,12
anderes
0,6
0,23
Die 500 eingesparten Bohrmeter entsprechen einem Wert von mind. 20T€!
Bild 5: Berechnung des Einsparpotentials an Bohrmetern durch Einsatz eines
eigenschaftsoptimierten Verpressmaterials
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Einsparung in %
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Anlagedaten
Heizleistung: 100 kW
Laufzeit: 2.000 h
Jahresheizarbeit: 200.000 kWh
Kühlung nur passiv (nicht berücksichtigt)
JAZ: 4,2
Strompreis: 0,20 €/kWh
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
4,5 4,6 4,7 4,8 4,9
Jahresarbeitszahl
Bild 6: Berechnung des Einsparpotentials an Betriebskosten (elektrische Arbeit)
durch Erhöhung der JAZ
Ausblick
Innerhalb eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten gemeinsamen
Projektes zwischen der FITR Weimar e.V. und der dornburger zement GmbH unter dem Titel
„Erdwärmesonden und deren Einbau“ wird an einer noch weiteren Verbesserung der Effizienz
von EWS gearbeitet. Dabei sollen die Wärmeenergieverluste im oberflächennahen Bereich der
Sonde eliminiert und der Thermische Bohrlochwiderstand noch weiter reduziert werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. Heiko Theuerkauf
Geschäftsführer
Leiter Kompetenzzentrum
dornburger zement GmbH & Co KG
In der Oberaue
07778 Dorndorf-Steudnitz
Telefon: (03 64 27) 861 – 120
Telefax: (03 64 27) 861 – 191
e-mail: heiko.theuerkauf@thomas-gruppe.de