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Tiefen-EWS Oftringen

Zusammenfassung (Abschlussbericht)

Gut zwei Jahre nach der Installation einer 706 m tiefen konventionellen Doppel-U-Sonde bei Oftringen wurde die Erdwärmesonde (EWS) zur Pilotanlage „Tiefen-EWS Oftringen“ ausgebaut. Ziel war es, in situ-Temperaturdaten vom Vor- und Rücklauf in 0, 50, 225, 500 und 700 m bei unterschiedlichen Entzugsleistungen und Durchflussraten zu erhalten. Die Projektstudie befasst sich mit der Möglichkeit der Nutzung einer Tiefen-EWS als Wärmequelle für eine Direktheizung – also ohne den Einsatz einer Wärmepumpe.

Das Messprogramm beinhaltete drei verschiedene Durchflussraten (1.5, 2.5 und 3.5 m³/h) mit einem dauerhaften Leistungsentzug von 0, 5, 10, 15, 20 und 30 kW. Die jeweilige Einstellung wurde bis zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes beibehalten. Ein Gleichgewichtszustand wurde nicht immer erreicht. Die energetische Auswertung hat einerseits die thermischen Verlustzonen der Tiefen-EWS Oftringen beleuchtet, andererseits zeigte sich, dass niedrige Entzugsleistungen von 5 oder 10 kW mit sehr ungünstigen Arbeitszahlen (COP) von 7.8 bis 17.0 verbunden sind. Lohnender sind Entzugsraten von 15 bzw. 20 kW. Hier werden COP-Werte von 23.2 bis 31.1 erreicht, allerdings fallen die Sondenaustrittstemperaturen auf etwa 20 °C ab.

Unter den Voraussetzungen, wie sie in der Tiefensonde in Oftringen vorliegen, können zurzeit Austrittstemperaturen von über 20 °C erreicht werden. Diese Vorlauftemperaturen ermöglichen eine Direktheizung von Gewächshäusern, Lagerhallen, stark isolierten Häusern oder Gebäuden deren Fremdwärme durch Büromaschinen wie z. B. Computer, Kopierer etc. relativ hoch ist. Eine andere Betrachtungsweise ist der Einsatz einer Wärmepumpe, welche das Temperaturniveau auf konventionelle Vorlauftemperaturen von 25 bis 30 °C anhebt. Hierdurch kann die Entzugsleistung der Sonde wesentlich erhöht werden und grössere Gebäudekomplexe beheizt werden. Die bei einer Direktversorgung vorliegenden sehr hohen COP-Werte würden dadurch natürlich wieder sinken. Das Einsatzgebiet, der Verwendungszweck der Sonde bzw. das Kosten-Nutzen-Verhältnis muss schlussendlich darüber entscheiden, welchen Weg man mit der geplanten Anlage geht.

Wissenswertes zur Tiefen-EWS Oftringen

Zu einem Sondentyp dieser Art und Tiefe gab es bislang keine "echten" Langzeitdaten über eine Heizperiode. Insbesondere war nicht bekannt, wie sich die Sonde bei definiertem Leistungsentzug bzw. unterschiedlichen Durchflüssen wirklich verhält und welche Durchflussraten eine möglichst verlustarme Förderung der Wärme bis zum Sondenaustritt erlauben. Aus diesem Grunde wurde die Pilot- und Demonstrationsanlage "Tiefen-EWS Oftringen" von der EBERHARD & Partner AG geplant und realisiert. Der definierte Leistungsentzug wurde über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) vollautomatisch geregelt. Die Überwachung, Parametereingabe sowie die Auslesung der Daten erfolgte vor Ort oder online von Aarau aus.

Allgemeines Schema zur Temperaturentwicklung in einer Erdwärmesonde bei verschiedenen Durchflüssen
Allgemeines Schema zur Temperaturentwicklung in einer Erdwärmesonde bei verschiedenen Durchflüssen

Für Standard-Erdwärmesonden bis maximal 400 m Tiefe sind diese Einflussgrössen hinlänglich bekannt. Die meisten Modellierungsansätze basieren auf diesen Messdaten. Für tiefer reichende EWS gibt es hingegen noch keine fundierten Datensätze. In der ersten Phase des im Dezember 2009 gestarteten Forschungsprojektes sollten die Leistungsparameter für den Fall einer Direktheizung bestimmt werden.

Diese Grafik gibt einen Überblick über den Zustand der Anlage am 16. Dezember 2009. Neben den Temperaturen werden die eingestellten Parameter und Laufzeiten gezeigt. Ferner kann die Betriebsart (Hand- oder Automatikbetrieb) eingestellt werden.
Diese Grafik gibt einen Überblick über den Zustand der Anlage am 16. Dezember 2009. Neben den Temperaturen werden die eingestellten Parameter und Laufzeiten gezeigt. Ferner kann die Betriebsart (Hand- oder Automatikbetrieb) eingestellt werden.
Die realisierte geothermale Forschungsanlage "Tiefen-EWS Oftringen"
Die realisierte geothermale Forschungsanlage "Tiefen-EWS Oftringen"

Nach der am 15. Dezember 2009 durchgeführten Inbetriebnahme funktionierte die Anlage problemlos. Gut zwei Wochen später wurden die eingestellte Durchflussmenge und der festgelegte dauerhafte Leistungsentzug nicht mehr korrekt gehalten. Die anfängliche maximale Durchflussmenge betrug fast 3'900 l/h. Als es zu den ersten Veränderungen kam, war nur noch ein Maximalwert von weniger als 1'000 l/h erreichbar – Tendenz weiter abnehmend. Eine Untersuchung der Siebeinsätze (Schmutzfang, Wasserzähler) zeigte, dass die Anlage mit einer erheblichen Menge an Kalkplättchen verunreinigt war. Das Problem der Kalkfällung war bei konventionellen EWS (Doppel-U-Sonde, Koaxialsonde) bislang unbekannt. In einer Studie wurden die Umstände der Kalkfällung und erarbeitete ein Sanierungskonzept untersucht.

Das obere Bild zeigt eine Auswahl an Fremdkörpern, welche am 6. Januar 2010 aus dem Sieb des Schmutzfangs entnommen wurden. Das untere Foto wurde mit Blick in Fliessrichtung Wasserzähler (aus den Sonden) aufgenommen. Der in der Wasseruhr werksseitig eingebaute Schmutzfang war fast vollständig mit Kalkplättchen- und –schlamm verstopft.
Das obere Bild zeigt eine Auswahl an Fremdkörpern, welche am 6. Januar 2010 aus dem Sieb des Schmutzfangs entnommen wurden. Das untere Foto wurde mit Blick in Fliessrichtung Wasserzähler (aus den Sonden) aufgenommen. Der in der Wasseruhr werksseitig eingebaute Schmutzfang war fast vollständig mit Kalkplättchen- und –schlamm verstopft.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kalkfällung durch drei Faktoren wesentlich begünstigt wurde: die Befüllung der Sonde mit kalkhaltigem Trinkwasser aus dem Leitungsnetz Oftringen, maximale Sondentemperaturen von fast 49 °C sowie die annähernd zweijährige Standzeit des Sondenkreislaufs. Durch die Inbetriebnahme der Forschungsanlage wurde das thermische Umfeld der Sonde stark beeinflusst, wodurch die Kalkkruste auf dem glatten PE-Rohr gelockert wurde. Das zirkulierende Wärmeträgermedium hat die gelockerten Partikel von der Wandung fortgerissen und bis zu den Siebeinsätzen transportiert.

Im Rahmen einer Studie wurde ein nachhaltiges Sanierungskonzept bei gleichzeitiger Funktionsfähigkeit der Pilotanlage „Tiefen-EWS Oftringen“ (BFE-Projektnummer: 103'342) erarbeitet. Einerseits sollten die Verunreinigungen kontrolliert und möglichst schnell aus dem Kreislauf entfernt werden, andererseits bestand das Arbeitsmedium aus einem 20%igen Wasser/Ethylenglykol-Gemisch (pH 7.5 bis 8.0) mit unbekannten Additiven, wodurch auf die Zugabe eines Entkalkungsmittels (z. B. HCl) von vorne herein verzichtet wurde. Infolge der Säurezugabe kann es durch einsetzende Veresterungsprozesse zu fettigen oder wachsartigen Niederschlägen im gesamten Sondenkreislauf kommen. Ähnliche Phänomene wurden in thermischen Solarkollektoren beobachtet. Aus diesem Grunde ist nach alternativen Lösungswegen gesucht worden (Siehe Abschlussbericht „Sanierung Tiefen-EWS Oftringen“).

 

Erste Langzeitmessungen der Tiefen-EWS Oftringen (bis 2012)

Nach dem Abschalten der Primärpumpe (Mai 2010) fand eine selbständige Konvektion statt, welche die Wärme in der Sonde umverteilte. Erst nach dem schliessen sämtlicher Kugelhähne stellten sich die Gebirgstemperaturen ein.

Langzeitdaten zum Abklingverhalten zwischen 2010 bis 2012.
Langzeitdaten zum Abklingverhalten zwischen 2010 bis 2012.
Folgende Firmen haben zur Realisierung der Pilotanlage beigetragen:

Franz Rebmann AG (Kaisten, Schweiz)

Installation

Heller + Straulino (Donauwörth, Deutschland)

Mess- und Regeltechnik

Condustrie-Met AG (Wetzikon, Schweiz)

in situ-Temperaturfühler

IB. SACHS Service GmbH (Nördlingen, Deutschland)

externe QS & Beratung 

Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesamt für Energie finanziert,

Projekt-Nr.: SI/500‘521-01, Abschlussbericht zur Sanierung der Tiefen-EWS Oftringen [1'228 KB]

Projekt-Nr.: 154‘408 bzw. SI/500248, Abschlussbericht Direktheizen mit der Tiefen-EWS Oftringen [2'651 KB]

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