Brunnen-/ Dublettensysteme

Oberflächennahes Grundwasser weist im Allgemeinen ein konstantes Temperaturniveau von 8 - 12 °C auf [1,2] und eignet sich somit gut als Wärmequelle und Wärmeträgermedium in offenen Systemen. Eine Grundwasseranlage besteht aus mindestens einem Förderbrunnen, welcher mit einer Tauchpumpe zur Wasserentnahme ausgestattet ist. Aus diesem wird das Wasser entnommen und direkt in eine Wärmepumpe eingeleitet. Ist mit einer hohen Mineralisation des Wassers zu rechnen, so ist der Einsatz eines zusätzlichen Wärmeübertragers möglich, um eine Verschmutzung der Wärmepumpe zu vermeiden. Weiterhin besteht das System aus mindestens einem Schluckbrunnen, auch Injektionsbrunnen genannt, der der Grundwasserrückführung dient. Üblicherweise betragen die typischen Brunnentiefen zwischen 5 bis 15 m [1], bei größeren Anlagen auch deutlich tiefer.

Abb.: Prinzipschema einer Grundwasser- bzw. Dublettenanlage (nach [1])

Voraussetzung für den Betrieb einer solchen Anlage ist ein Grundwasserleiter (Aquifer), der genug Grundwasser mitführt und bei einer Entnahme ausreichend schnell nachführt [2]. Außerdem sollte der Aquifer nicht zu tief liegen, da eine hohe Förderhöhe eine hohe Pumpleistung erfordert, was sich wiederum negativ auf die Energiebilanz auswirkt [3].

Um eine gegenseitige Wechselwirkung zwischen Wärmeentzug und Kälteeintrag in den Grundwasserleiter (thermisch-hydraulischer Kurzschluss) zu vermeiden, müssen beide Brunnen in ausreichender Entfernung voneinander errichten werden [1,2,3]. Ebenso muss für die Anordnung der Brunnen die Fließrichtung des Grundwassers bekannt sein und beachtet werden. Der Schluckbrunnen darf hierbei nicht stromaufwärts liegen [2]. Um die Beeinflussung der physikalischen und chemischen Eigenschaften gering zu halten sollten Grundwasseranlagen so konzipiert sein, dass eine Temperaturdifferenz von 6 K zwischen Förder- und Schluckbrunnen nicht überschritten wird [1,4] (üblicherweise 3-4 K [3]). Andernfalls kann es, abhängig von der Grundwasserzusammensetzung, besonders zu Ausfällungen kommen [2]. Eine Voruntersuchung der Grundwasserzusammensetzung ist deshalb oft erforderlich.

Wie bei geschlossenen Systemen, wie z.B. Solesonden, können Brunnenanlagen neben dem Einsatz in der Heizperiode ebenfalls zur Kühlung im Sommer eingesetzt werden, da die Grundwassertemperatur im Bereich um 10 °C direkt als Wärmesenke dienen kann. Aktuell werden in Deutschland Grundwasseranlagen jedoch meist nur für Heizzwecke konzipiert.

 

Neben der Wärme- und Kältebereitstellung aus oberflächennahen Gebieten ist auch die Energiegewinnung in größeren Tiefen über 400 m (Tiefe Geothermie) mithilfe von offenen Dublettensystemen möglich. Durch die steigenden Erdreichtemperaturen mit zunehmender Tiefe kann Wärme mit einem höheren Temperaturniveau zu Heizwecken zur Verfügung gestellt werden. Hieraus resultiert ein effizienterer Betrieb von Wärmepumpensystemen. Teilweise reichen die hierzu abgeteuften Bohrungen mehrere Kilometer in die Erde. Mit den vorliegenden Temperaturen von teilweise >100 °C können neben der Heizwärmebereitstellung auch Wärmekraftprozesse zur Stromerzeugung betrieben werden. Hierzu wird üblicherweise ein organisches Medium (organic rankine cycle-Prozess) oder ein Ammoniak-Wassergemisch (Kalina-Prozess) als Prozessmedium verwendet.

Ähnlich wie bei der oberflächlichen Grundwassernutzung können tiefe und wärmere Aquifere in hydrothermalen Grundwasserleitern erschlossen werden. Weiterhin ist eine Nutzung von petrothermalen Systemen möglich (Hot-Dry-Rock). Hierbei liegt kein Wasserleiter vor, sondern warmes Festgestein. Zur energetischen Nutzung wird mittels Hochdruckpumpen künstlich Wasser über Injektionsbohrungen in das Erdreich eingepresst. Nach dessen Erwärmung im zerklüfteten Gestein wird dieses in Förderbohrungen entnommen.

Literatur

[1] Kaltschmitt M., Streicher W., Wiese A.(2006) Erneuerbare Energien (Vierte, aktualisierte, korrigierte und ergänzte Auflage). Springer Verlag, Berlin Heidelberg
[2] Stober I., Bucher K. (2012) Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
[3] Tholen M. und Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[4] Verein Deutscher Ingenieure (2001) VDI 4640, Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes - Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen