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Erdwärmenutzung: Lohnt sich eine Probebohrung?

F√ľr das nachhaltige Heizen und K√ľhlen mittels Geothermie sind bei gr√∂sseren Anlagen meistens mehrere Erdw√§rmesonden n√∂tig. F√ľr eine effiziente Dimensionierung eines solchen Erdw√§rmesondenfeldes empfiehlt es sich, eine Probebohrung durchzuf√ľhren. Diese erspart sp√§ter unn√∂tige und teure Bohrmeter und sichert eine langfristige, reibungslose Nutzung.

Die untiefe bzw. oberfl√§chennahe Erdw√§rmenutzung ist inzwischen eine etablierte Technologie. Selbst grosse Geb√§udekomplexe k√∂nnen so beheizt und gek√ľhlt werden. Dabei wird die Thermik des untiefen Untergrundes ‚Äď also des Untergrundes bis 500 Meter unter der Oberfl√§che ‚Äď genutzt. Um sp√§ter keine unliebsamen √úberraschungen zu erleben, lohnt es sich, in eine sorgf√§ltige Planung zu investieren.

Erdwärmesonden als unerschöpfliche Wärmequelle?

Jein. Zwar fliesst die Erdw√§rme aus dem Erdinnern tats√§chlich immer wieder nach, aber je nach Leitf√§higkeit des Untergrundes unterschiedlich schnell. Bei falscher oder schlechter Planung kann es deshalb vorkommen, dass die Erdw√§rme am Projektstandort lokal pl√∂tzlich ¬ęersch√∂pft¬Ľ ist ‚Äď und die entsprechende Erdw√§rmesonden nicht mehr gen√ľgend W√§rme aufnehmen kann. In diesem Fall verringert sich die Effizienz der W√§rmepumpe, wodurch mehr Strom f√ľr den Betrieb des Systems erforderlich wird. Im schlimmsten Fall muss tempor√§r auf alternative Heizmethoden umgestellt werden, bis sich der Untergrund wieder nat√ľrlich regeneriert und erw√§rmt hat. Die Kosten f√ľr die Sanierung einer unterdimensionierten Anlage √ľbersteigen die Kosten f√ľr eine saubere Planung bei Weitem.

Um einem solchen Szenario vorzubeugen, simulieren wir in einem Modell die W√§rmeverh√§ltnisse im Untergrund bei der erwarteten Nutzung √ľber mehrere Jahrzehnte in die Zukunft. Nur wenn wir sehen, dass der Untergrund auch nach 50 Jahren noch gen√ľgend W√§rme abgeben kann, ist eine weitere Planung sinnvoll.

Eine Probebohrung mit den entsprechenden Tests und Modellierungen ist aber noch aus einem weiteren Grund sinnvoll: Findet diese nicht statt, m√ľssen die Erdw√§rmesonden mit einer gewissen Sicherheitsreserve eingebaut werden. Da der gr√∂sste Kostenfaktor die Bohrkosten sind, die pro Laufmeter verrechnet werden, wird dies schnell teuer. Die zus√§tzlichen Kosten einer Probebohrung werden also h√∂chstwahrscheinlich sp√§ter wieder eingespart, indem weniger Bohrmeter n√∂tig sind.

Bei komplexen Untergrundverh√§ltnissen und gr√∂sseren Anlagen ab vier Erdw√§rmesonden empfehlen wir deshalb in jedem Fall die Durchf√ľhrung einer Probebohrung.

In komplexeren F√§llen dient eine Probebohrung zudem f√ľr das Bewilligungsverfahren.

Bei dieser Probebohrung wurde unter anderem die GEOsniff-Methode angewendet.

Bei dieser Methode wird ein kabelloses, kugelf√∂rmiges Messger√§t direkt in die Sonde eingef√ľhrt.

Alle zwei Meter wird bei der Probebohrung eine Probe entnommen - und diese werden anschliessend im Labor untersucht.

Welche Messungen werden bei einer Probebohrung durchgef√ľhrt?

Weil der Untergrund von Natur her heterogen ist, sind Messung am Standort der Bauvorhaben und im Massstab der Anlage notwendig. Grunds√§tzlich geht es dabei darum, die genaue Bodentemperatur √ľber die L√§nge der Sonde sowie die W√§rmeleitf√§higkeit des Untergrunds zu ermitteln. Damit werden viele Unsicherheiten aus dem Weg ger√§umt und die Planung massgeblich erleichtert.

Unsere Methoden im Detail:

  • Geologische Begleitung: Die geologische Begleitung der Probebohrung ist sehr wichtig.
     
  • In-Situ Messungen: Zu den sogenannten ¬ęin-Situ¬Ľ Messungen ‚Äď also Messungen, welche unmittelbar bei der Probebohrung vor Ort aufgenommen werden ‚Äď geh√∂ren folgende Tests:
     
  • TRT: Mit einem Thermal Response Test (TRT) wird einerseits die W√§rmeleitf√§higkeit des Untergrunds und andererseits die F√§higkeit der Erdw√§rmesonde, die W√§rme zu √ľbertragen, ermittelt. Dabei wird √ľber die Sondenfl√ľssigkeit W√§rme in den Untergrund injiziert und deren Temperaturver√§nderung √ľberwacht.
     
  • DTS: Beim Distributed Temperature Sensing (DTS) wird ein Glasfaserkabel in die Probebohrung verlegt. Anschliessend wird in Laser-Puls in das Glasfaserkabel gesendet und das im Kabel gestreute und reflektierte Signal mit einem Messger√§t erfasst. Die Auswertung erlaubt die Bestimmung der Temperatur auf der ganzen L√§nge des Glasfaserkabels. Das Kabel dient nach der Fertigstellung des Sondenfeldes zudem zur permanenten √úberwachung der Anlage.
     
  • GEOsniff: Bei dieser Methode wird ein kabelloses, kugelf√∂rmiges Messger√§t direkt in die Sonde eingef√ľhrt. W√§hrend dieses langsam an den Fuss der Erdw√§rmesonde sinkt, werden √ľber die gesamte L√§nge der Sonde Temperatur und Druck gemessen. Anschliessend wird das Ger√§t durch Einpumpen von Wasser in das U-Rohr wieder herausgesp√ľlt. So k√∂nnen wir die vertikale Verteilung der Temperatur messen.
     
  • E-TRT: Mit der Kombination von DTS- und TRT-Messung k√∂nnen wir zus√§tzlich einen sogenannten erweiterten Thermal Response Test (E-TRT) ausf√ľhren. Dieses spezielle Verfahren erlaubt die Bestimmung eines Profils der W√§rmeleitf√§higkeit. Dadurch kann die Anlage weiter optimiert werden.
     
  • Simulierung: Mit all diesen ermittelten Untergrundkennwerten f√ľhren wir schliesslich eine Simulation f√ľr die geplante Lebensdauer der gesamten Anlage durch und berechnen die Dimensionen der Anlage. Dabei werden, neben den thermischen und geologischen Eigenschaften des Untergrunds, auch die Nutzung der Geb√§ude sowie die Eigenschaften der geplanten W√§rmepumpe ber√ľcksichtigt. Mit der Dimensionierung stellen wir sicher, dass die minimale Temperatur in der Anlage die von der Norm vorgeschriebene minimale Temperatur w√§hrend der Lebensdauer nicht unterschreitet. So k√∂nnen wir neben der Sondenl√§nge die genaue Anzahl sowie den optimalen Abstand zwischen den Erdw√§rmesonden ermitteln.

Die Vorteile einer Erdwärmesondenanlage im Überblick:

  • Die Betriebs- und Unterhaltskosten sind gering ‚Äď und zudem unabh√§ngig von Preisschwankungen.
  • Erdw√§rmesonden sind klimafreundlich und erneuerbar.
  • Erdw√§rme ist wetterunabh√§ngig.
  • Die Versorgung ist lokal sichergestellt und unabh√§ngig von Lieferungen aus dem Ausland.

Tipps f√ľr eine erfolgreiche Erdw√§rmenutzung:

  • Auf der interaktiven Erdw√§rmesondenkarte kann gepr√ľft werden, ob am gew√ľnschten Standort eine Erdsondenbohrung erlaubt ist. Wichtig: Auch in den ¬ęgr√ľnen Zonen¬Ľ ist eine Bewilligung des zust√§ndigen Amtes notwendig.
  • F√ľr eine Erdw√§rmenutzung in den gelben Zonen muss beim zust√§ndigen Amt eine Voranfrage get√§tigt und allenfalls ein geologisches bzw. hydrogeologisches Gutachten erstellt werden. Erlauben die √∂rtlichen Verh√§ltnisse aufgrund der Untersuchungsresultate die Erdw√§rmenutzung, kann das Amt diese bewilligen.
  • Fr√ľhzeitige Planung: Das ganze Verfahren bis zur Fertigstellung eines Sondenfeldes braucht Zeit! Wir empfehlen daher, die Probebohrung, die in-situ Messungen und die Dimensionierung fr√ľhzeitig vorzunehmen, idealerweise im Rahmen der Vorstudie oder sp√§testens bei der Projektierung.
Petra Eggenschwiler
MSc Geologin
Petra Eggenschwiler ist Geologin und seit 2017 bei GEOTEST. Sie ist spezialisiert auf die Bereiche Hydrogeologie und Geothermie.
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