Sensordaten erfassen und auswerten - Tracto-Technik

MESSTECHNIK | SENSOREN
Sensordaten erfassen und auswerten
Messtechnische Komponenten spielen eine wichtige Rolle bei der Prüfung von Effi zienz und
ordnungsgemäßer Funktion radialer Erdwärmebohrungen.
TEXT: Reinhold Kuchenmeister für Parker Hannifin FOTOS: Tracto-Technik, Parker Hannifin
Noch liegt der Anteil der Energieerzeugung aus Geothermie
deutlich unter einem Prozent, aber in Deutschland dürfte
er sich in den nächsten zehn Jahren vervierfachen. Einen Beitrag
dazu kann das GRD-Verfahren (Geothermal Radial Drilling)
leisten, das sowohl die Breite als auch die Tiefe eines
Grundstücks nutzen kann, ohne tief liegende Grund-
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wasserhorizonte zu beeinträchtigen. Die Anlagen für radiale
Geothermiebohrungen lassen sich mit einem 7,5-t-Lkw transportieren
und auch auf kleinen bebauten Grundstücken in Betrieb
nehmen. Absaugtechnik verhindert Staub- oder Schmutzwasserbelastung,
Dämmmaßnahmen halten den Bohrlärm in
Grenzen.
Energy 2.0 | Ausgabe 04.2010

Energy 2.0 | Ausgabe 04.2010
Erdwärme erschließen: Das
neig- und drehbare Bohrsystem
erlaubt beim Geothermal Radial
Drilling (GRD) die Nutzung der
Erdwärme auch auf kleinen
bebauten Grundstücken.
Bohrungen und Erdwärmesonden lassen sich von einem
rund einen Meter breiten Schacht aus strahlenförmig in beliebige
Richtungen und mit unterschiedlichen Neigungen auch
unter Gebäude einbringen. Die Sonden liegen in 11 bis 36 m
Tiefe weitgehend in der von den Jahreszeiten und Sonneneinstrahlung
unbeeinflussten Bodenzone, was konstanten Wärmeentzug
ermöglicht.
Druck- und Temperaturmessungen
Ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus mit rund 120 m 2
Wohnfläche hat einen Wärmebedarf von 8 bis 11 kW. Die nötige
Länge der Sonden hängt von der pro Meter erreichbaren
Entzugsleistung und damit von der Beschaffenheit des Bodens
ab. Außer der mineralogischen Prüfung der Gesteine (Lithologie)
ist die Bestimmung der physikalischen Gesteinsparameter
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nötig, beispielsweise Festigkeit und Elastizität, Bergfeuchte
und trockene Dichte. Dazu werden – sofern keine verlässlichen
Geoatlas-Daten zur Verfügung stehen – durch Analyse
der Bohrkerne die Eigenschaften der Sedimentgesteine, das
Sedimentgefüge sowie Schichtung und andere Charakteristika
untersucht. Oft wird als durchschnittliche Entzugsleistung 40
bis 50 Watt je Meter Sondenlänge ermittelt.
Die Dichtheit der Koaxialsonden wird gemäß Druckprüfung
nach VDI 4640 geprüft und eventuell mit zusätzlichen
Prüfungen nach Vorgabe der Sondenhersteller. Zum Beispiel
wird ein bestimmtes Sondensystem mit einem Druck von
3,5 bar für eine Minute beaufschlagt, dann auf 1 bar entspannt
und beobachtet, ob der Druck ansteigt. Das Außenrohr der
Sonde zieht sich nach der Druckabsenkung zusammen und der
Druck steigt an. Würde dies nicht geschehen, dann wäre die
Sonde undicht.
Um stichprobenartig zu überprüfen, ob die vor der Bohrung
errechnete Wärmeleistung tatsächlich erreicht wird,
kommen Temperatursensoren zum Einsatz. An einem 50 m
langen Kabel kann beispielsweise ein PT 100 in das Bohrloch
abgesenkt werden, um die Temperaturen in den Leitungsabschnitten
Meter für Meter zu messen. Dieser Sensor ist speziell
auf den Temperaturbereich von 0 bis 20 Grad Celsius abgeglichen
und in diesem Messbereich besser als 0,25 °C vom Messwert.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur an
der Oberfläche und am Sondenende definiert das Energiepotenzial.
Sie ermöglicht dem Bohrunternehmen, die Auslegung
der Bohrungen beziehungsweise die künftige Leistung der
Wärmepumpe im Vorfeld zu prüfen.
Sind alle Bohrungen eingebracht und die Sonden an den
Verteiler angeschlossen, kann der hydraulische Abgleich des
gesamten Systems erfolgen.
Dichtheitsprüfung und Temperaturwerte
(ungestörtes
Temperaturprofil) werden
im Datenlogger aufgezeichnet
und dienen dem Qualitätsnachweis
der Bohrung.
Schon nach der ersten Bohrung
kann damit überprüft
werden, ob die Annahmen
für die Auslegung der Bohrmeter
stimmen oder kurzer-
Drehzahl erfassen und
zuverlässig überwachen
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hand das Bohrprofil der weiter folgenden Bohrungen oder der
neuen Situation angepasst werden muss. Die Auslegung orientiert
sich meist an der mittleren Bodentemperatur der Region
und folgt zum Beispiel der SIA-Norm (Schweizerischer Ingenieur-
und Architektenverein).
Mobile (Wasser-)Hydrauliküberwachung
Zur Messung und Überwachung von Sensoren für Druck,
Temperatur und Durchfluss oder der Drehzahl mit Hilfe der
SCRPM-Sensoren sowie zur Analyse setzt Tracto-Technik
„The Parker Service Master Easy“ von Parker Hannifin ein, das
die angeschlossenen Sensoren automatisch erkennt. Der Funktionsumfang
geht weit über das Messen der aktuellen Messdaten
oder der Minimal- und Maximalwerte hinaus. Auch automatische
Prüfabläufe zum Beispiel für wiederkehrende Messaufgaben
oder der Aufruf vordefinierter Tests sind möglich.
Bei Standardanwendungen hilft das Gerät Hydraulikanwendern
bei der Erkennung von
• Leckagen fehlerhafter Ventile oder Lasthalteventilen beziehungsweise
entsperrbaren Rückschlagventilen mit nicht
geeigneter Öffnungscharakteristik,
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VIER SCHRITTE ZUR ERDWÄRMENUTZUNG
• Wärmebedarf auslegen, verbunden mit geologischer Prüfung
und der behördlich erlaubten Bohrbarkeit.
• Detailliertes Angebot erstellen.
• Bohrung bei der unteren Wasserbehörde beantragen
mit zwei bis vier Wochen Zeitbedarf für die Erteilung des
Bescheids.
• Bohrungen ausführen und Sonden samt Sondenanschlüssen
einbringen, was je nach geforderter Wärme- und Kälteleistung
und damit je nach Sondenlänge 2,5 bis 5 Arbeitstage
dauert.
Druck- und Temperaturmessung: Die Kontrolle der Planung durch
Messdaten sichert die Qualität der Erdwärmegewinnung.
• Leitungsverstopfungen,
• verschmutzen Filtern,
• ungenügender Pumpenleistung,
• Druckspitzen und Druckschwankungen und
• Pulsationen von Pumpen oder rotatorischen Verbrauchern.
Nicht nur für Messaufgaben
Die geothermische Wärmegewinnung kann selbst in äußeren
Wasserschutzzonen erfolgen. Dann wird zum Schutz des
Grundwassers als Wärmeträgermedium nicht Monoethylenglykol
eingesetzt, sondern Wasser. Einbußen im Wirkungsgrad
lassen sich durch eine größere Sondenlänge ausgleichen. Zum
Schutz des Grundwassers wird ebenfalls der größtmögliche
Abstand zu gefährdeten Bodenschichten eingeplant. Diese
Vorgehensweise ist nur durch die große Flexibilität des GRD-
Verfahrens bezüglich Bohrachsen und Bohrrichtungen mög-
lich. ☐
Dipl. Betriebswirt (FH)
Reinhold Kuchenmeister
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Geothermal
Radial Drilling:
Bohrungen und
Erdwärmesonden
lassen sich von
einem Schacht
aus strahlenförmig
auch unter Gebäude
einbringen.
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