Innovative geothermische Systeme für große und kleine Gebäude
Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen werden bei Geothermie nur sehr wenig CO2 und andere Treibhausgase freigesetzt. Doch um die wärmeführende Flüssigkeit knapp unter der Erdoberfläche nutzbar machen zu können, muss ihre Temperatur erst mit Wärmepumpen (üblicherweise Erdwärmesonden) erhöht werden. Es gibt allerdings bei den typischen Bohrtechnologien einige Problempunkte, die angegangen werden könnten, unter anderem teure Ausrüstung, Spezialistenteams, Lärm des Kompressors, Gefahr durch Druckluft (12-20 bar), potenzielle Instabilität des Bohrlochs, die großen Mengen an verbrauchtem Trinkwasser sowie schlechte Arbeitsbedingungen. Im EU-geförderten Projekt GEOTeCH wurde eine Erdbohranlage entworfen, gebaut und geprüft, die bereits über Conrad (einen der Projektpartner) kommerziell erhältlich ist. Sie verfügt über eine Werkzeug (Hohlbohrschnecke), mit der Bohrungen für oberflächennahe Erdwärmesonden ausgeführt werden können. Die Anlage kann in lockeren Böden (Sand, Kies, Ton) bei minimalem Wassereinsatz schnell Bohrungen durchführen. Diese Maschinen wurden für kleine Gebäude ausgelegt und kosten nur 70 % eines vergleichbaren Rotary-Bohrers mit Spülkopf, sodass Barrieren für neue Akteure auf dem Geothermiemarkt abgebaut werden. Das Projekt hat zudem einen Erdwärmekollektor für die Fundamentplatte entwickelt, der in größeren Gebäuden in die bestehenden Klimatisierungssysteme integriert werden kann, was die Gesamtkosten senkt.
Eine geothermische Lösung für große und kleine Gebäude
Für kleinere Gebäude wurde auf Grundlage eines koaxialen, spiralförmigen Wärmetauschers eine „Plug-and-Play“-Erdwärmesonde entwickelt, die Energie aus geringerer Tiefe gewinnen kann als konventionelle Methoden. Zwar stand dieses Design schon seit einigen Jahren zur Verfügung, doch beim Prototyp des Projekts wird es um Koextrusion des inneren Spiralrohrs ergänzt. Durch diese Innovation wird in Tiefen von 20 bis 50 m im Vergleich zu konventionellen U-förmigen Wärmetauschern ein kostengünstigeres Ergebnis möglich. GEOTeCH hat zudem einen Erdwärmekollektor für Dienstleistungsgebäude entwickelt, bei dem das Rohr in die Fundamentstrukturen (z. B. die Wände) eingebettet wird. Dank dieses Ansatzes fallen Bohren, Rohrverlegung und Vergießen wie bei Erdwärmesonden weg. Die Bohrtechnologie und Wärmetauscher wurden an vier Gebäuden in Europa getestet: Die Erdwärmesonden an kleinen Bürogebäuden in Amsterdam, Leicester und Padua und die Erdwärmekollektoren an einem großen Bürogebäude in Barcelona, wo sie auch an das Klimatisierungssystem angeschlossen wurden.
Eine passende Lösung
Das Beispiel Barcelona hat gezeigt, dass GEOTeCH besonders bei größeren Neubauten deutlich zur Reduktion des Energieverbrauchs beitragen kann. „Unsere Erdwärmekollektoren haben dieselbe Wärmetauscherkapazität wie Erdwärmesonden, aber bei 82 % niedrigeren Installationskosten“, sagt Projektkoordinator Dery Torres. Um das gesamte System in größere Gebäude zu integrieren, wozu auch das Management einer geothermischen Wärmepumpe für Heizung und Kühlung gehört, wo gleichzeitig andere geothermische Energiequellen verfügbar sein könnten, wurden zwei Energiemanagementsysteme (EnMS) auf Basis von Techniken des maschinellen Lernens entwickelt. Beide nutzten frei zugängliche Schnittstellen für die Verknüpfung zur bestehenden Gebäudeleittechnik und ihre Funktionen wurden an zwei Gebäuden validiert: dem BTEK Museum im spanischen Derio und dem Campusbau des Hollandsch Huys im belgischen Hasselt. Vor dem Markteintritt der Technologie arbeitet das Team noch daran, Bohrloch und Erdwärmekollektoren zu verbessern, indem es den Fluidgehalt, die Durchflussrate, die Materialien und die Steigung der Spirale der Erdwärmesonde optimiert.
Schlüsselbegriffe
GEOTeCH, geothermisch, Wärmetauscher, Energiemanagementsysteme, Klimatisierung, Heizung, Kühlung, Bohrung, Bohranlage, Bohrloch
