VON HOCHSCHULE KARLSRUHE  |  15.07.2015 09:44

Innovatives Geothermie-Monitoring

Aufbau eines Erdwärmesondenfelds und Entwicklung eines Messsystems zu dessen Leistungsoptimierung an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

ZIM ist ein zentrales Innovationsprogramm für die Kooperation von Forschungseinrichtungen mit mittelständischen Unternehmen, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Über ZIM wird auch ein Projekt zwischen der Krämer Erdwärme GmbH, der Systec & Services GmbH und dem Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik der Hochschule Karlsruhe gefördert, über das an der Hochschule ein Erdwärmesondenfeld aufgebaut wird.

Erdwärmesonden sind eine attraktive, aber standortabhängige Alternative zu konventionellen Gebäudeheizungen. Sie bestehen aus geschlossenen, mit einer zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit gefüllten Rohrsystemen, die über Bohrlöcher in den Untergrund eingelassen werden. Durch eine Erdwärmesonde wird dem Boden Wärme entzogen, die anschließend durch eine Wärmepumpe zur Beheizung von Gebäuden genutzt werden kann. Das Arbeitsprinzip lässt sich auch umkehren, sodass die Erdsonden auch zur Gebäudekühlung (Klimaanlage) eingesetzt werden können. Hierbei wird dann allerdings Wärme aus Gebäuden über die Wärmepumpe in das Erdreich abgegeben.

An der Hochschule Karlsruhe wurden verschiedene Erdwärmesonden, wie z. B. Doppel-U-Sonden, Spiralsonden und Koaxialsonden, die jeweils abhängig vom geologischen Profil des Untergrunds eingesetzt werden, zu Testzwecken auf dem Hochschulcampus installiert, sodass dort ein eigenes Erdwärmesondenfeld entstand. Insgesamt zehn Sonden wurden mit Bohrdurchmessern von bis zu einem Meter und Bohrtiefen bis zu 37 Metern versenkt. Die starke Grundwasserströmung von rund 3 Meter pro Tag in unmittelbarer Nähe des Rheins war hierbei ein wichtiger Faktor. Es fließt also nach dem Wärmeentzug ungekühltes Wasser nach, wodurch sich die gesamte Entzugsleistung steigern lässt.

Ziel des Forschungsprojekts „Geothermie-Monitoring-Technologie“ ist es, ein Messgerät zu entwickeln, das vor Ort die lokale Wärmeentzugsleistung bestimmen kann. Mit ihm lässt sich die Anlageneffizienz optimieren und Mehrkosten, bspw. durch Überdimensionierung von Anlagen, vermeiden. Insgesamt bieten diese Daten eine sichere Planungsgrundlage für den Aufbau von Sondenfeldern. Die lokale Entzugsleistung kann damit auch erstmals unabhängig vom geologischen Profil bestimmt werden, wodurch innovative Sondenformen das lokale Potenzial optimal ausnutzen und sich Erdwärmesondenfelder sehr präzise auslegen lassen.

Bisherige Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Entzugsleistung (Thermal Response Test) aus dem Erdreich sind zeitaufwendig, kostenintensiv und bereiten Probleme bei stärkerer Grundwasserströmung. Deswegen wurde am Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (IKKU) der Hochschule Karlsruhe ein verändertes Messverfahren entwickelt, bei dem Kälte und auch Wärme ins Erdreich eingebracht werden kann. Durch Temperatursensoren auf den Sonden und einem definierten Volumenstrom des Wärmeträgers lässt sich nun die spezifische Entzugsleistung ermittelt. Mit einem Messmolch im Flüssigkeitskreislauf der Sonde lassen sich zusätzlich die unterschiedlichen Temperaturen in den einzelnen Erdschichten erfassen.

Der sogenannte GEOsniff-Messmolch wurde von der enOware GmbH, eines aufgrund der positiven Forschungsresultate eigens vom Projektpartner Systec und Services GmbH gegründeten Unternehmens, in Karlsruhe entwickelt und ist aktuell auch schon auf dem Markt. Er wird über einen Bypass, also eine Überbrückung, in die Erdwärmesonde eingeschleust und sinkt dann durch sein Eigengewicht ab. Während dieses Sinkvorgangs werden ständig Messdaten, wie z. B. Druck und Temperatur aufgezeichnet. Durch eine angeschlossene Pumpe wird er anschließend wieder nach oben befördert und durch den Bypass entnommen. Die Messdaten lassen sich drahtlos auslesen und der Molch selbst induktiv laden. Aus den Daten kann dann ein präzises Temperaturprofil des Untergrunds erstellt werden, sodass sich die Sonde in der optimalen Tiefe platzieren lässt.

„Dieses ZIM-Projekt ist das erste Forschungsvorhaben am IKKU, in dem es noch während der Projektlaufzeit zu einer eigenen Unternehmensgründung kam und somit auch neue Arbeitsplätze entstanden“, so Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld, Projektleiter und Leiter des Forschungsinstituts. „Es ist ein großer und auch sichtbarer Erfolg unserer angewandten Forschung und verdeutlicht die Innovations- und Ertragskraft, die aus einer engen Kooperation mit der mittelständischen Industrie hervorgehen kann.“