Filtrationstechnologien für oberflächennahe Geothermie
Kurzfassung
Immer steigende Nachfrage nach erneuerbarer Energie kann dank der Nutzung der Erdwärme gesenkt werden. Speziell für Wärmeversorgung der Gebäude und Raumkühlung, die fast die Hälfte des Energieverbrauchs bilden, wird die Anwendung der oberflächennahen Energie als umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Heizungsmethoden betrachtet. Diese nahezu unbegrenzte Energieressource benötigt keine sehr heiße Quelle, um effektiv zu sein. Andererseits stellt die Flüssigkeit eine große Herausforderung für den Einsatz der Geothermie dar, weil sie viele Partikel unterschiedlicher Größe und Art beinhalten kann, die zur Verstopfung der Anlagenteile führen und so die Leistung der Wärmeübertragung der Wärmetauscher herabsetzen und die Verunreinigung des Schluckbrunnens verursachen. Probleme mit Scaling und Bildung von Ablagerungen können aufgrund der Lösung und Fällung der Sekundärminerale hervorgerufen werden. Geothermische Flüssigkeiten, die von sandigen Geothermiespeichern stammen, beinhalten eine große Menge von Sandkörnern, die eine abrasive Abnutzung verursachen. Deshalb ist es wichtig, die geothermische Flüssigkeit zu filtrieren bevor sie zu Pumpen und Wärmetauschern gelangt. Durch den Einsatz von selbstreinigenden Filtern und Separatoren können die durch Partikel hervorgerufenen Probleme vermieden oder wenigstens erheblich reduziert werden. Wenige Wartungsarbeiten an den systemrelevanten Komponenten, verlängerte Laufzeit von Wärmepumpen und Wärmetauschern, anhaltende optimale Wärmeübertragung und vermiedene Betriebsstillstände führen zu kurzen Amortisierungszeiten der eingesetzten Schutzfilter. Ein paar Anwendungsbeispiele der Filtrationstechnologien für oberflächennahe Geothermie beweisen, dass ein richtig ausgewählter Filter einen problemlosen Betrieb der Geothermieanlagen ermöglicht und so eine uneingeschränkte Nutzung des oberflächennahen Geothermiesektors gewährleistet.
1. Einleitung
Ehrgeizige Klimaziele sollen dabei helfen, die Treibhausgasemissionen zu senken und der Erwärmung der Erde entgegenzuwirken. Aufgrund der Tatsache, dass fast die Hälfte des Energieverbrauchs die Heizung der Gebäude und des Wassers darstellt, ist der Übergang von fossilen Energiequellen wie Kohle, Öl und Gas zur nachhaltigen Energieversorgung unabwendbar. Neben der Sonnen-, Wind- und Wasserkraft hat Geothermie das Potential, die Wärmeversorgung bedeutsam zu decken und somit eine wichtige Rolle in der laufenden Wärmerevolution spielt. Geothermie ist die aus dem Untergrund der Erde abgeleitete Wärme und deshalb die sauberste und praktisch unerschöpfliche Energiequelle. Während die Anwendungen in der tiefen Geothermie (ungefähr >400 m Tiefe) sehr umfangreich sind, benötigen oberflächennahe Systeme (<400 m Tiefe) keine außergewöhnlichen geologischen Untersuchungen oder hohe geothermische Gradienten, sie beruhen meistens auf der Nutzung von niedrig-moderaten Temperaturen für Heizung und Kühlung. Die Temperatur der Erdschicht steigt durchschnittlich um 3 °C alle 100 m Tiefe. Je nach klimatischen Gegebenheiten der Region und der Tiefe der Bohrung, liegen die durschnittlichen oberflächennahen Temperaturen, die als Basis für die Wärmeentnahme und Wärmerückführung dienen, bei 8-12 °C [1].
Oberflächennahe Geothermiesysteme können in geschlossene Kreislaufsysteme mit ErdWärmepumpe (GSHP) und offene Kreislaufsysteme mit Grundwasser-Wärmepumpe (GWHP) unterteilt werden [2,3]. Bei geschlossenen Kreislaufsystemen zirkuliert das Wärmeträgermedium im geschlossenen Kreislauf ohne direkten Kontakt zum Grundwasserleiter und der Wärmeaustausch zwischen dem Bohrspülmittel im Sammelrohr und umliegendem Boden wird genutzt. Mittels Wärmepumpen kann heißes Wasser erzeugt werden, obwohl die Temperaturen des Bohrspülmittels nur um ein paar Grad reduziert werden. Während den warmen Jahreszeiten kann das Spülmittel auch in umgekehrter Weise für Kühlung verwendet werden, in dem der Boden als Senke für die Wärme im Gebäude genutzt wird. Die Wärmepumpe nutzt Strom, um Wärmeenergie zwischen Gebäude und Erdboden zu transportieren und je nach Heiz- oder Kühlbedarf auf eine höhere oder niedrigere Temperatur zu bringen. Der Stromverbrauch wird im Vergleich zu herkömmlichen Heiz- und Kühlsystemen um 30-60 % reduziert, was eine Amortisation der Systeminstallationen in 2 bis 10 Jahren ermöglicht [4]. In offenen Systemen wird Grundwasser aus einem Förderbrunnen ins System gepumpt und entnommenes Wasser nach dem Wärmeaustausch in einen anderen Brunnen wieder zurückgeführt. Bei diesem sogenannten Dublettsystem ist ein höherer Platzbedarf erforderlich, um eine thermische Wechselwirkung zwischen den Brunnen zu vermeiden. Bei kleinen Anwendungen wird das gekühlte Wasser ins Oberflächenwasser geleitet oder durch ein vergrabenes Steinbett infiltriert.
Da der Betrieb von oberflächennahen Pumpensystemen hydrochemische Eigenschaften des Grundwassers beeinflusst, ist eine chemische Zusammensetzung der Grundwasserquelle und des Brunnens, der diese Quelle erreicht, für einen störungsfreien Betrieb entscheidend. Eingeleitetes Grundwasser mit einer anderen Temperatur als der des Aquifers kann zu Veränderungen der gelösten O2- und CO2-Konzentrationen, der Minerallöslichkeit, der Reaktionskinetik, der Redoxprozesse und der Sorption-Desorption gelöster Komponenten führen [5]. Daher erfordert ein offenes System mehr Wartung als ein geschlossenes System. Scaling Probleme wie CaCO3-Ablagerungen in Wärmepumpen und Wärmetauschern führen zu einem verringerten Wärmeübergangsgrad in Wärmetauschern. Außerdem wirken Sandpartikel abrasiv und verursachen Schäden am Pumpenlaufrad und Pumpenwellendichtung, die häufige Stillstände und umfangreiche Wartungsarbeiten verursachen. Deutlich reduzierte Innendurchmesser von Rohrleitungen, undichte Ventile oder sogar das Verstopfen von Brunnen könnten die Nutzung der Geothermie gefährden. Somit ist eine effiziente Filtration von heißem Wasser unumgänglich. Durch den Einsatz geeigneter Filter und Separatoren können all diese partikelbedigten Probleme vermieden oder zumindest drastisch reduziert werden. Weniger Wartungsarbeiten an allen relevanten Anlagenteilen, dauerhaft optimale Wärmeübertragung und vermiedene Stillstände führen zu kurzen Amortisationszeiten der eingesetzten Schutzfilter. Sowohl Zyklon-Separator als auch selbstreinigende Scheibenfiltersysteme gehören zu den zuverlässigen Technologien, um Geothermieanlagen sauber zu halten sowie Wärmepumpen und Wärmetauscher zu schützen. Diese Systeme sind einfach zu installieren und erfordern nur minimale Wartung.
2. Für oberflächennahe Geothermie geeignete Filtrationssysteme
2.1 Zyklon-Separatoren
Zyklon-Separatoren sind barrierefreie Systeme, die physikalische Kräfte zur Abtrennung der Partikel aus dem Wasserstrom nutzen. Der Wirkungsgrad ist grundsätzlich vom korrekten Wasserdurchsatz, dem Dichtunterschied zwischen den Partikeln und der Flüssigkeit sowie der Viskosität des Mediums abhängig. Bei einer Partikelgröße von 75 μm und einem Dichtunterschied von 1 (Wasser) zu 2,6 (Sand) beträgt die Effizienz der Partikelentfernung 99 %. Kleinere Partikel werden je nach Größenklasse und spezifischem Gewicht ebenfalls anteilig aus der Flüssigkeit entfernt. Für die Trennung von sehr feinen Partikeln eignen sich doppelte oder dreifache Separatoren. Die Abscheidung funktioniert auch bei sehr großen Wassermengen von 1.000 m³ und mehr zuverlässig und rein physikalisch durch Fliehkräfte. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, stellen Temperatur- und Druckänderungen kein Problem für das System dar. Außerdem gibt es kein Filterelement, das durch mineralische Ablagerungen und grobe Partikel überwachsen und blockiert wird.
Der Wassereintritt erfolgt tangential seitlich am Kopfteil des Separators, wodurch Wasser in eine Drehbewegung versetzt wird. Die Drehgeschwindigkeit des Wassers wird durch Querschnittsverengung zwischen dem Kopfteil und dem darunterliegenden Separationsrohr soweit erhöht, dass eine effektive Abtrennung durch Fliehkraft zum benötigten Wirkungsgrad erfolgt. Das Medium strömt das Separationsrohr hinunter, wobei spezifisch schwerere Partikel an die Innenwand des Separators gepresst werden und nach unten in den Sammelbehälter gleiten. Die Konstruktion des Gerätes ist zylindrisch ausgeführt, so dass ein möglichst geringer Verschleiß durch Abrasion des Materials durch die Partikel auftritt. Am unteren Ende des Separators befindet sich eine Partikelsammelkammer, welche durch eine Strömungsumlenkplatte vom Separationsrohr teilweise getrennt ist. Durch einen Spalt zwischen der Innenwand des Separationsrohres und der Strömungsumlenkplatte werden die Partikel durch die Einwirkung der Fliehkraft aus dem Wasserstrom heraus in die Partikelsammelkammer geschleudert. Der von Partikeln weitgehend befreite Wasserstrom fließt durch Druckunterschiede zum Zentrum des Wasserwirbels, wird nach oben abgelenkt und verlässt den Separator durch das Austrittsrohr oben am Kopfteil.
Die Partikelsammelkammer wird zyklisch und zeitgesteuert, wahlweise manuell oder automatisiert, über ein Ventil zur Atmosphäre geöffnet, um die abseparierten Partikel auszuschwemmen. Der Differenzdruck zwischen System und Atmosphäre schwemmt dabei den Partikelschlamm über eine Abschlämmleitung aus dem System in z.B. einen Absetzbehälter. Durch diese einfache Entleerung mittels Systemdrucks kommt das System ohne weitere Motoren, Pumpen, Sensoren und andere ausfallgefährdete Komponenten zur Schlammaustragung aus. Das Abschlämmventil ist das einzige bewegliche Teil des Systems. Beim Ausfall der Abschlämmautomatik kann es nicht zu einer Verstopfung des Durchflusses und zur Versorgungsunterbrechung der nachgeschalteten Systeme kommen. Es kann lediglich die Abschlämmleitung verstopfen und Partikel werden nicht aussepariert, sondern mit dem Wasserstrom mitgerissen. Es erfolgt in diesem Fall keine Reinigung des Mediums. Die Abschlämmung erfolgt während des normalen Betriebs und verursacht keine Versorgungsunterbrechung.
Im Unterschied zu den Barriere Filtersystemen (z.B. Maschenfilter und Sandfilter), die mit zunehmender Verstopfung einen ansteigenden Druckunterschied aufweisen, zeichnen sich die Separatoren durch einen immer statischen Druckverlust während des Betriebs aus. Der Druckverlust hängt lediglich von der Durchsatzmenge ab und steigt relativ zur Durchsatzmenge nahezu linear bis maximal 0,8 bar an. Der Verschleiß durch Abrasion ist vernachlässigbar. Es kann von einer wartungsfreien Lebensdauer der Geräte von mindestens 5 Jahren ausgegangen werden. Dank des speziellen Entwurfs und leistungsstarker Zuverlässigkeit ist es nicht nötig, das System redundant auszulegen. Da keine Barriere vorhanden ist, gibt es einen minimalen Wasserverlust innerhalb des Systems, da keine Reinigung notwendig ist.
2.2 Selbstreinigende automatische Scheibenfilter
Druckscheibenfiltersysteme AZUD HELIX AUTOMATIC mit automatischer Rückspülung haben einen breiten Anwendungsbereich im Rahmen des industriellen Wasseraufbereitungssektors genauso wie für allgemeine Wasserfiltration und Anwendung in der Aquakultur. Mit einer Standard Filterfeinheit von 100 μm und einem Durchsatz von 20 m3 /h/Filterelement bei einer Filteroberfläche von 1620 cm2 zeigen die Filter bei der Entfernung von Partikeln eine hervorragende Leistung. Verschiedene Partikelarten einschließlich faseriger Partikel aber auch Staub und organische Partikel werden zuverlässig entfernt. Modulares Design der Druckscheibenfilter ermöglicht kundenspezifische Auslegung und einen durch einzelne Scheibenfilterelemente beliebig erweiterbaren Aufbau. Die aus korrosionsfreiem Material hergestellten Scheibenfilter sind für Zuverlässigkeit sogar in der schwierigsten Umgebung konzipiert.
Das Scheibenfilterelement besteht aus einem Stapel fein gerillter Filterscheiben aus Kunststoff, die durch Federdruck aufeinander gepresst werden. Durch die spezielle Geometrie der Rillen auf der Filterscheibe werden sowohl runde als auch längliche Partikel in den Kanälen auf der Filterscheibenoberfläche sicher zurückgehalten. Das Rohwasser tritt von außen nach innen durch den Scheibenstapel und durch eine Helix Scheibe, die einen zentrifugalen Effekt erzeugt. Dadurch werden Partikel in einer Wirbelbewegung von den Filterscheiben ferngehalten und so die Rückspülhäufigkeit deutlich reduziert. Größere Partikel bleiben außen auf der Oberfläche des Scheibenstapels zurück, kleinere Partikel werden in den Rillen gefangen. Die Rückspülung wird automatisch über Differenzdruck, Zeit, externes Signal oder manuell ausgelöst und findet während der Filtration statt. So bleibt die Filtratproduktion auch während der Rückspülung aufrechterhalten und die nachgeschalteten Systeme ohne Unterbrechung beschickt. Das durch die restlichen Filter filtrierte Wasser fließt in das spülende Filter in entgegengesetzter Richtung. Dadurch kommt es dank der Anhebung des Kolbens im Filterkopf zur Entlastung der gestapelten Scheiben. Die tangentiale Strömung des Wassers aus dem Inneren des Filterelements ermöglicht den Abtransport der von den Scheiben zurückgehaltenen Feststoffe. Der wichtigste Vorteil der Scheibenfilter, verglichen mit den automatischen selbstreinigenden Maschenfiltern, ist dank der Dekompression der Scheiben während der Rückspülung die Vermeidung der Steckkornproblems, bei dem Partikel nach der Rückspülung im Sieb hängen bleiben. Die Filterfeinheit der Druckscheibenfilter kann von 5 μm bis 400 μm gewählt werden. Auch bei bereits installierter Anlage ist eine Änderung der Filterfeinheit durch einen einfachen Umtausch der Filterscheiben möglich.
Die Rückspülung des Filters kann entweder als reine Wasserspülung durchgeführt oder für eine kraftvolle und dynamische Reinigung noch mit Druckluft unterstützt werden (Version Air Assist). Die Wartung ist sehr einfach und ohne jegliches Werkzeug durchführbar.
4. Filtrationstechnologien für oberflächennahe Geothermie in der Praxis
Der Scheibenfilter AZUD HELIX AUTOMATIC wurde bei vielen Anwendungen der GrundwasserWärmepumpensysteme installiert, bei denen sich die Filterfeinheit von 100 μm als geeignete Trenngrenze bewährt hat. So nutzt beispielsweise das Infrastrukturgebäude der Universität Freiburg das Grundwasser-Wärmepumpensystem zur Kühlung. Die Anforderung an den eingesetzten Filter war nicht nur ein wirksamer Schutz des Plattenwärmetauschers vor Partikeln, sondern auch die Tatsache, dass die Materialien, aus denen der Filter hergestellt wurde, weder eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des eingeleiteten Grundwassers bewirken noch das mikrobiologische Wachstum begünstigen. Der Scheibenfilter AZUD HELIX AUTOMATIC 206/6FX DLP mit einer Filterfeinheit von 100 μm erfüllt die Anforderungen bei minimalem Wartungsaufwand vollkommen. Ein Unternehmen in Dietenheim, das Komponenten für Autos und Maschinen herstellt, nutzt zur Kühlung das von zwei Scheibenfiltern AZUD HELIX AUTOMATIC 205/6FX gefilterte Grundwasser. Ein optimierter Wärmeübergang, der die Leistung der Anlage steigert, sorgt für die Stabilität des Produktionsprozesses. Oberflächennahe Geothermiesysteme für Fernwärme und Fernkühlung von neuen Bürokomplexen in München verwenden den Scheibenfilter AZUD HELIX AUTOMATIC 204/6FX, der für die Entfernung von Partikeln aus dem Grundwasser und den Schutz der Komponente der Geothermieanlage verantwortlich ist. Die Zyklon-Separatoren wurden in Deutschland und Österreich bei zahlreichen Brunnenwasserpumpen, die in sandigen Grundwasserleitern installiert wurden und mit großen Mengen an Sandpartikeln konfrontiert waren, erfolgreich eingesetzt. Der Verschleiß durch Sand an Pumpenlaufrädern und anderen Komponenten wurde vermieden, was die Pumpenlebensdauer um mehr als das Fünffache verlängerte. Darüber hinaus tragen die Separatoren als Pumpenschutz dazu bei, eine optimale Pumpenleistung aufrechtzuerhalten, kritische Pumpenausfälle zu minimieren und durch eine höhere Leistung Pumpenenergiekosten zu sparen. Eine automatische Abschlämmeinheit ermöglicht eine sichere Absaugung der Partikel auch unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen sowie hohen Konzentrationen an gelösten Gasen oder aggressiven Stoffen.
5. Zusammenfassung und Ausblick
Durch den Einsatz der richtig ausgewählten Filtertechnik in oberflächennahen Geothermieanlagen können optimale Bedingungen für einen störungsfreien Betrieb von Wärmepumpen und Wärmetauschern gewährleistet werden. Sowohl Zyklon-Separator als auch Scheibenfilter beweisen eine effiziente Entfernung von Partikeln aus dem Flüssigkeitsstrom, was zu einer verlängerten Lebensdauer und erhöhten Leistung von Wärmepumpen, reduzierten Wartungskosten und einer Vermeidung der Stilllegungen führt. Oberflächennahe Geothermieanlagen mit geeigneter Filtertechnik sind wirtschaftliche und energieeffiziente Technologie zur Raumheizung und -kühlung sowie zur Warmwasserbereitung und eine unverzichtbare erneuerbare Energiequelle in der fortschreitenden thermischen Revolution.
Literatur:
1. Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz; Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie: Oberflächennahe Geothermie, 2005.
2. Hecht-Mendez, J.; Molina-Giraldo, N.; Blum, P.; Bayer, P. Evaluating MT3DMS for heat transport simulation of closed geothermal systems. Groundwater 2010, 48, 741-756.
3. Kim, H.; Nam, Y.; Jeoun, O.; mu Bae, S. Development of a Multi-Well Pairing System for Groundwater Heat Pump Systems. Energies 2018, 11, 3485.
4. https://geothermalcommunities.eu/assets/elearning/6.22.Shallow%20Geothermal%20SYste ms.pdf
5. Possemiers, M.; Huysmans, M.; Batelaan, O. Influence of Aquifer Thermal Energy Storage on groundwater quality: A review illustrated by seven case studies from Belgium. J.Hydrol.Reg. Stud. 2014, 2, 20-34.