Um einen echten Synergieeffekt zwischen Sondenbau und Wärmepumpenkonstruktion zu schaffen hat Stiebel Eltron, Marktführer bei Wärmepumpen, 2006 die Geowell GmbH in Marl als Tochtergesellschaft aus der Taufe gehoben und Markus Schädlich, Gründer und Eigentümer eines renommierten Brunnenbau-Unternehmens, zum Geschäftsführer und Mitgesellschafter bestellt. „Es geht darum, durch lückenlose Komplettangebote in höchster Qualitätsstufe mit garantierter Wärmeleistung zum Festpreis eine gewisse Alleinstellung im Wettbewerb zu erreichen.“ So argumentiert Jens Kreikenbohm, kaufmännischer Leiter bei Geowell.
Das Konzept: „Alles aus einer Hand in betont hoher Markenqualität mit nahtlosem Know-how-Transfer zwischen dem Abteufen der Sonden als einzelobjektbezogene Maßarbeit und andererseits der Wärmepumpenproduktion im großen Stil. Von der ersten Vorplanung bis zur Inbetriebnahme mit Gewährleistung langjähriger Zuverlässigkeit. Und zwar nicht nur bis das Wärmepumpenaggregat nach ca. 15 bis 20 Jahren genau wie jeder Heizkessel erneuert werden muss, sondern über eine geplante 50-jährige Standzeit, mit einer realen Standzeit von sogar für 70 bis 80 Jahren – also für drei Erneuerungszyklen der Wärmepumpe.“
Auf die Frage, aus welchen Gründen ausgerechnet im vergangenen Jahr eine explosionsartig steigende Nachfrage nach Sole/Wasser-Wärmepumpen zu verzeichnen war, konstatiert Schädlich: „Dass es so kommen würde, war für Insider schon lange klar.“ Als Haupttriebfedern für den Wandel auf dem Energiesektor stellt er heraus:
- • die wissenschaftliche Forschung und die technischen Fortschritte in der Praxis;
- • die Weiterentwicklung von Heizung und Kühlung, Thermodynamik und Hydraulik;
- • der Wunsch nach Alternativen zu Öl und Gas bei der Wärmebereitstellung;
- • Endlichkeit und Verknappung fossiler Brennstoffe und die damit zusammenhängenden Auswirkungen;
- • die Versechsfachung der Öl- und Gaspreise seit 1973 macht Techniken rentabel, die sich bei Rohölpreisen unter 10 $/Barrel nie ausgezahlt hätten;
- • Spekulationen, dass der Ölpreis schon bald 100 US-$/Barrel erreicht;
- • Forderungen nach Nutzung brachliegender heimischer Energiequellen, Verringerung von Klimawirkungen und Luftverschmutzung durch Verbrennungsprozesse;
- • finanzielle Fördermaßnahmen und
- • der Wunsch vieler Bauherren nach Unabhängigkeit und Autarkie in Sachen Wärmeenergie.
In dieser Situation verspricht die Fachwelt Ab-hilfe durch oberflächennahe Geothermie als Energiequelle vom eigenen Grundstück, risikofrei erwärmt durch direkte und diffuse Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Regen-, Oberflächen- und Grundwasser. Typischerweise werden Erdwärmesonden heute „oberflächennah“ mit bis zu 100 (200) m Tiefe erstellt. Eine Nutzung von Tiefengeothermie aus dem Erdinneren für den Privatgebrauch ist in Deutschland aber nur an wenigen Stellen rentabel zu erschließen. Der terrestrische Wärmestrom aus dem Erdinneren liegt nur bei etwa 0,05 bis 0,15 W/m2.
Alles schon kartographiert
Inzwischen gibt es quasi flächendeckend Daten auf CD-ROM, die alle 3 km die überwiegend solar bedingten geothermischen Verhältnisse bis 100 m Tiefe erfassen. Diese Angaben sind bei den staatlichen geologischen Diensten der Bundesländer abrufbar. Abweichungen von den kartographierten Temperatur- und Wärmeleitfähigkeitswerten der unterschiedlichen Erdschichten an der Bohrstelle vor Ort halten sich fast immer im Bereich von max. 4 bis 5 %. Namhafte Hersteller dokumentieren darüber hinaus in ihren Referenzlisten mit größter Sorgfalt jede von ihnen im Wohnhausbereich vorgenommene Bohrung mit allen geothermischen und technischen Daten wie Anlagengröße, Genehmigungen, Bohrverfahren, Verrohrungstiefe, Wärmeentzugsleistung je laufendem Sondenmeter, Art der Verfüllung nebst Verpressung bis zum Wärmepumpenanschluss im Gebäude.
Diese Sorgfalt und die Berücksichtigung der örtlichen geothermischen Verhältnisse sind für eine wirtschaftliche Anlage enorm wichtig, denn die Entzugsleistung hat eine Bandbreite von 40 bis 100 W je Sondenmeter. Durchschnittlich liegt sie bei 50 W/m, kann aber bei Festgestein wie Granit oder Kalkstein deutlich höher sein. Ungünstig sind dagegen lockere Schichten z.B. auf dem Areal ehemaliger Braunkohlegruben, mit höchstens 25 W/m.
Die von Stiebel Eltron/Geowell bisher ausgeführten Bohrungen ermöglichten im Schnitt eine Kapazität von 8 kW der Sole/Wasser-Wärmepumpe. Sie kommen dabei mit 120 Bohrmetern (z.B. zwei Bohrungen à 60 m) fast immer schon aus. Welchen Mindestabstand die einzelnen Sonden voneinander haben müssen, lässt sich aufgrund der geologischen Gegebenheiten berechnen. Zu eng nebeneinander liegende Bohrungen in Sondenfeldern können zu einer kritischen Entwärmung der umgebenden Erdschichten führen, weil diese (ohne Kühlung über die Sonde) nur von der Sonneneinstrahlung regeneriert werden. Da die Soletemperatur lediglich ca. 12 °C beträgt, können Erdsonden auch zur passiven Gebäudekühlung genutzt werden. Ohne die Wärmepumpe zu betreiben, können Kühllasten über einen Plattenwärmeübertrager und ein soleseitiges Umschaltventil in das Erdreich geleitet bzw. bis zur nächsten Heizsaison gespeichert werden.
Grenzen beachten
Um eine Erschöpfung zu vermeiden, müssen die Bohrabstände mindesten 3 m betragen. Um einem „Wärmeklau“ an den Grundstücksgrenzen vorzubeugen, verlangen die Behörden der meisten Bundesländer 3 bis 5 m Mindestabstand zur Grundstücksgrenze. Für große Wärmepumpenleistungen (ab etwa 50 kW) ist es ratsam, mehrere Einzelanlagen zu kombinieren und nicht nur eine einzige Großsonde abzuteufen, was den Einsatz schwerer Maschinen, höhere Grundstücksbelastung und eine wesentlich größere Baustelle notwendig macht. Grundsätzlich zu vermeiden ist ein exzessiver Wärmeentzug zur Bauaustrocknung.
Für umfangreiche Erdsondenfelder sind Fachleute hinzuzuziehen, die den Wärmeentzug insgesamt berechnen und die gegenseitige Beeinflussung der Erdsonden untereinander simulieren können. Bei großen Erdsondenfeldern lohnt sich auch ein geothermischer Responsetest, um den Bohraufwand zu optimieren.
Ausschlaggebend für den Zuschlag bei Auftragserteilung an ein Bohrunternehmen sind oft Zahl und Größe der zur Verfügung stehenden Bohrgeräte. „Wir selbst haben 13 Bohrmaschinen in unterschiedlicher Größe im Einsatz. Drei weitere Geräte werden bis Ende 2007 noch hinzukommen“, so Schädlich. Eine normale Sondenbohranlage kann theoretisch 10000 bis 12000 Bohrmeter pro Jahr abteufen. Das entspricht einer Entzugsleistung von 600 kW, ausreichend für gut 100 Einfamilienhausanlagen à 8 kW. Ein ausgewogener Maschinenpark bietet dabei Vorteile: Kleinere Maschinen können Sonden besonders kostengünstig abteufen, bei Einfamilienhäusern eventuell schon im Vorgarten. Oft kann man sie auch ohne Autokran auf die Rückseite des Gebäudes transportieren. Bei Neubauten bietet es sich an, die Sonden vor dem Betonieren der Sohlplatte zu erstellen – exakt passend am Aufstellort der Wärmepumpe.
Schlanke, präzise Dimensionierung
Die Dimensionierung einer Erdwärmesondenanlage mit Faust- oder Pauschalwerten birgt Risiken. Sind die Annahmen zu optimistisch, kühlt im einfachsten Schadensfall das Erdreich mit der Zeit zu stark aus und reduziert so die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Sind die Annahmen zu pessimistisch, wird die Sonde durch die Überdimensionierung unnötig teuer. Sicherheitszuschläge sind zwar bei der Auslegung erforderlich, aber nur zum Ausgleich nicht überprüfbarer Unwägbarkeiten. Spezialisten dimensionieren Erdwärmesonden gemäß VDI 4640 unter Berücksichtigung der standörtlichen Gegebenheiten. Fast immer gilt: Der Bohrlochdurchmesser sollte so schlank wie praktisch möglich gewählt werden. Je enger der Sondenquerschnitt, desto weniger wird die Struktur des Erdreichs unterbrochen und desto höher ist die Wärmeentzugsleistung.
Schädlich: „Wir empfehlen eigentlich immer, mit DN 150 mm auszukommen. Das spart Bohrzeit und -kosten, die mit wachsendem Umfang überproportional ansteigen. Noch engere Bohrlöcher wären zwar theoretisch günstiger, sind aber in der Praxis kaum hohlraumfrei zu verfüllen und zu verpressen.“ Heute ist es vielfach üblich, Erdsonden bis 100 m Tiefe zu bohren. Je nach Beschaffenheit des Untergrundes können jedoch auch zwei Bohrungen mit der halben Tiefe geologisch und technisch günstiger sein, weil mit kleineren Bohrgeräten machbar. Manchmal ist ein Niederbringen auf 150 oder sogar 200 m betriebswirtschaftlich rentabler. Für Sonden bis 100 m Tiefe erteilt die Kreisverwaltung als untere Wasserbehörde die Erlaubnis, bei größeren Tiefen ist eine bergrechtliche Genehmigung vom regional zuständigen Bergamt einzuholen.
Der Behördengang gehört dazu
Für Bau und Betrieb von erdgekoppelten Wärmepumpen sind das Wasserhaushaltsgesetz sowie wasserrechtliche Genehmigungen der einzelnen Bundesländer zu beachten. Bohrungen von Erdwärmesonden sind grundsätzlich anzeigepflichtig. Begonnen werden darf erst, wenn eine behördliche Zustimmung erteilt ist. Dem steht fast nie etwas entgegen, solange für die Sonde keine tieferliegenden Grundwasserstockwerke angebohrt werden und miteinander in Verbindung treten könnten und solange Wasserschutzzonen bzw. Heilquellenschutzgebiete nicht tangiert werden. Bei komplizierten hydrogeologischen Gegebenheiten werden spezielle Abdichtungsmaßnahmen zum Schutz des Grundwassers gefordert.
Trotzdem: „Genehmigungsanträge schnell und richtig zu stellen, ist schon eine Kunst für sich“, so Schädlich: „Aber auf diese Kunst verstehen wir uns. Als Hochqualitäts-Bohrunternehmen stellt Geowell die Anträge aufgrund langer Erfahrung stets so präzise, dass der Bauherr nur noch unterschreiben muss. Alle Kosten der Antragstellung sind bereits im Festpreis für die komplette Wärmequellenerschließung inbegriffen. Und: Bei wirklich fachmännischer Bearbeitung aller Punkte kann die Genehmigung heute schon fünf bis sechs Wochen nach Antragstellung vorliegen. Acht bis zwölf Wochen nach Auftragseingang kann bei uns eine Bohrung durchaus schon erfolgen. Unsere Bohraufträge für Erdwärmesonden werden nach DVGW W 120 zertifiziert.“
Inzwischen sind die extremen Wartefristen für Sondenbohrungen von mehr als einem halben Jahr überwunden, wie sie im Boomjahr 2006 üblich waren. Auf dem Papier hören sich acht Wochen zwar immer noch lange an, aber Schädlich hat eine andere Erfahrung gemacht: „Der Planungsvorlauf vieler Bauherren ist länger als unsere Lieferbereitschaft. Oft warten wir auf den Bauherren und nicht der Bauherr auf uns.“ Die eigentliche Bohrarbeit dauert im Normalfall nur noch drei bis vier Tage. Und dann kann wieder schnell Gras darüber wachsen: Schädlich: „Unsere Bautrupps verlassen den Tatort als Grobplanum eingeebnet. Schon am nächsten Tag können die Gärtner anrücken.“
Nach dem Bohren
Da eine Wärmepumpenanlage immer nur so gut sein kann wie derjenige, der sie einbaut, spielt die Qualität der geleisteten Arbeit vor allem bei Erdwärmepumpen eine noch wichtigere Rolle, als dies im Heizungsbau ohnehin schon der Fall ist. Schädlich: „Jeder unserer Bautrupps vor Ort muss sich punktgenau an sämtliche planerische Vorgaben halten. Der Fortgang der Arbeiten wird an die konkreten Gegebenheiten des jeweils umgebenden Gesteins und seiner Wärmeleitfähigkeit angepasst. Schicht für Schicht muss so ein Bohrvorgang nach Art, Größe und Funktionsweise der zugehörigen Wärmepumpe optimiert werden, wenn wir Maßarbeit auf höchstem Qualitätsstandard gewährleisten wollen.“
Das Bohren selbst geschieht je nach Gebirge im Spülverfahren mit Wasser oder Luft oder mit speziellen Bohrköpfen in einem Trockenbohrverfahren. Für einen Wärmentzug mit möglichst kleiner Temperaturdifferenz stattet Geowell die Sonden in der Regel mit zwei Paar Duplexrohren aus PE100, d25 oder d32 mm aus. Dabei werden die beiden U-Rohre in einem zylinderförmigen Sondenfuß mit Kegelspitze zusammengeführt und werkseitig verschweißt. Die Sondenrohre für den Solekreislauf werden auftragsbezogen in Rollen angeliefert und dürfen laut VDI 4640-3 keinesfalls auf der Baustelle angestückelt werden.
Nach der Niederbringung sorgt eine fünfte, in der Mitte zwischen den vier Sondenrohren eingefügte Röhre dafür, dass das Verfüllmaterial bis zum Sondengrund hinabgeschickt und von dort hohlraumfrei aufsteigend in den Sondenschacht gepresst werden kann. Dabei wird die fünfte Röhre entsprechend der wachsenden Füllhöhe kontinuierlich mit hochgezogen, die untere Öffnung jedoch immer in der Suspensionsmasse belassen.
Als Verfüllmaterial für eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen anstehendem Gestein und den Sondenrohren dient zumeist eine Zement-Bentonit-Suspension. Bentonit ist ein natürliches Tonmineralgemisch und quillt bei Feuchtigkeit stark auf. Durch die hydraulische Ausdehnung schmiegt sich der Brei kraftschlüssig an Rohrwandungen und Gestein so eng an, dass das Bohrloch blasenfrei ausgefüllt wird.
In kritischen Fällen wird „ThermoCem“ als Trockenmörtel mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2,0 W/m bevorzugt, der speziell für die Einbettung von Sondenrohren in geothermische Bohrungen entwickelt worden ist. Resultat: Höhere Entzugsleistungen, weniger Sondenmeter und größere Betriebssicherheit. Die Masse fixiert die Lage der Rohre und schützt sie vor Punktlasten durch spitze Steine o.ä. aus dem Erdreich. (Grund-)Wasserhorizonte in Rohrnähe können sich dann nicht miteinander verbinden. Einmal hydraulisch abgebunden bleibt das Material volumenbeständig und dicht, aber trotzdem elastisch. Es ist auch in Wasserschutzzonen einsetzbar.
In Sonderfällen setzt Geowell der Verfüllmasse auch Quarzsand bei. Die Wärmeleitfähigkeit der Verfüllung im Bohrkern darf den umgebenden Gesteinsschichten auf keinen Fall nachstehen, um maximalen Wärmeentzug zu erreichen. Wichtig ist die Verwendung von zugelassenem Verpressungsmaterial, das auch nach mehrmaligem Einfrieren nicht zerbröseln kann.
Wirklich alles komplett (?)
Der Boom in 2006 hat zu einer deutlichen Ausweitung der Bohrkapazitäten geführt. Inzwischen wächst sogar der Wettbewerb um Bohraufträge. Umfang und Qualität des Sondenangebots rücken damit immer stärker in den Vordergrund. Weil „bauseitige“ Eigenleistungen höchstens in geringem Umfang möglich sind, ist die von Stiebel Eltron/Geowell angebotene Komplettlieferung der gesamten Anlage sogar hinsichtlich der Gesamtkosten günstiger. Größere Bestellmengen, werkseitige Vorfertigung, kürzere Einbauzeiten und Gewährleistung für fachgerechte Ausführung bis ins Detail schlagen zu Buche. Alles – von der Vorplanung bis zum quellenseitigen Anschluss der Wärmepumpe und Endabnahme der gesamten Anlage – komplett aus einer Hand liefern zu können, erweist sich so als doppelter Wettbewerbsvorteil.
Angeregt durch die Nachfrage haben sich in jüngster Zeit auch Landwirte, Erdbeerbauern oder Landschaftsgärtner als Seiteneinsteiger Bohrgeräte angeschafft. Im Speziellen kann man hier zwar keine Aussage über die Qualität der erstellten Erdwärmesonden treffen, im Allgemeinen aber schon. Denn ein oft nur dreiwöchiger Einweisungskurs kann nicht die Erfahrung eines Brunnenbauers und noch viel weniger die eines Sondenbohrspezialisten für Erdwärmepumpen mit allen zugehörigen Installationen ersetzen. „Wer eine Sondenbohrung fachgerecht und risikolos liefern will, braucht dafür erstklassige Bautrupps mit qualifizierten Mitarbeitern, die eine abgeschlossene Ausbildung im Brunnenbau oder Spezialtiefbau-Handwerk besitzen. Sie müssen mit ihrem Können und ihrer Erfahrung in Kenntnis aller einschlägigen Vorschriften eine gewissenhafte und genaue Arbeit abliefern“, so Schädlich.
Mit dem bloßen Einhalten aller Mindestanforderungen der VDI-Richtlinie 4640-3 ist es noch lange nicht getan, warnt der Geowell-Geschäftsführer. Bekannt gewordene Fehlschläge solcher Versuche haben der gesamten Branche bereits geschadet. Denn Fehler lassen sich bei 100 m in die Tiefe reichenden Bohrlöchern nachträglich nur noch schwer nachbessern, wenn die vorgesehene Wärmeentzugsleistung einer Sonde nicht planungsgerecht erreicht wird. Oft ist deshalb das Bohren einer ganz neuen Sonde unvermeidlich und kostengünstiger als zeitaufwendige Reparaturen. Fehler bei der Niederbringung von Erdsonden sind Baumängel, die erst nach 30 Jahren verjähren. Ein Risiko, das sich kein qualifizierter Spezialist leisten kann. Und auch kein Heizungsbauer, der bei der Insolvenz eines von ihm beauftragten Bohrunternehmers für den Schaden haften muss. Dr. Friedrich-Karl Läge
Trauer um Markus Schädlich
Nachdem dieser Fachartikel schon druckreif vorlag, erreichte uns die traurige Nachricht, dass unser Gesprächspartner, Markus Schädlich, im Alter von nur 38 Jahren in der Nacht zum 11. November plötzlich und überraschend verstorben ist. Ehre seinem Andenken. Er ruhe in Frieden.
