„Bohrlochdesign grenzt an Hightech“

Die Abteilung Geothermie ist bei Tracto-Technik noch ein relativ junger Unternehmenszweig. Wann ging die erste Bohranlage in Betrieb?

Die Abteilung Geothermie wurde offiziell Ende 2006 gegründet, 2008 war das erste Bohrgerät am Markt. Vorläufer-Entwicklungen von Seiten des Unternehmensgründers Paul Schmidt in Richtung Geothermie gab es aber bereits Ende der 70er Jahre. Das war damals das sogenannte Eko-System. Bereits damals hatte Paul Schmidt die Idee, man könnte die Sonden wie die Wurzeln eines Baumes in den Boden treiben. Zu diesem Zeitpunkt bohrte man stets senkrecht herunter. Die Überlegung von Paul Schmidt bestand darin, mit kurzen Sondenlängen zu arbeiten und analog dem Wurzelsystem eines Baumes in den Boden zu gehen. Dies hat den Vorteil, dass es nur einen Punkt gibt, wo alle Enden zusammen kommen. Folglich muss man auch nur einen Bohrplatz einrichten und von dort aus kann man dann einfach effizient hinunter arbeiten. Aber damals in den 70er Jahren war die Zeit noch nicht reif, diese Technik weiter voran zu treiben. Es wurden nur rund 200 Anlagen des Eko-Systems gebaut.

Damit war aber bereits ein wesentlicher Vorteil des heutigen GRD-Verfahrens entwicklungstechnisch angedacht?

In der Tat. Uns stehen heute aber natürlich computertechnisch ganz andere Möglichkeiten zur Verfügung, diese sehr komplexe Geophysik nachzurechnen oder zu simulieren und damit das Potential dieser guten Idee umzusetzen.

Ich möchte Ihnen das GRD-Verfahren kurz skizzieren. So werden die wesentlichen Vorteile des Geothermal Radial Drillings schnell ersichtlich. Auf der Baustelle kommt eine kleine leichte Bohrmaschine, die Geodrill 4R, an. Diese Bohrmaschine verfügt über dieselbe Bohrtechnik, wie sie auch eine Vertikal-Bohrmaschine hat, bohrt aber geneigt. Ein erster wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es keinerlei Einsatzgrenzen gibt, da die kompakte Bohranlage überall hin transportiert werden kann. Sie kann im Hochgebirge genau so arbeiten wie in einem engen Hinterhof. Sie kann durch eine schmale Toreinfahrt bewegt werden oder über den Rasen oder empfindliche Pflasterflächen gefahren werden, ohne den Untergrund zu beschädigen. Aus dem Haus heraus kann dann mit einer Erdrakete ein Rohr grabenlos verlegt werden und schon ist auch die horizontale Anbindung hergestellt. Das Verfahren ist also nicht nur hoch flexibel sondern auch wenig invasiv.

Wie wird die Bohrung dann durchgeführt?

Es wird zunächst ein Kunststoffschacht in den Boden eingebracht, etwa 1 m tief und 1 m im Durchmesser. Dieser Schacht ist notwendig, um ein Kraftwiderlager und Wartungsraum bereit zu stellen. Hierauf wird dann ein Drehring gesetzt, so dass eine Rotation der Bohranlage von 360 ° und eine Neigung von 30 bis 65 ° gewährleistet sind. Dann bohren wir in das Gestein hinein. Mit einer ganz konventionellen Überbohrtechnik. Mit einem kleinkalibrigen Bohrloch bohren wir etwa 20 - 40 m tief. Dann wird eine Koaxialsonde hydraulisch über ein Einschubgerät eingeschoben. An dieser Sonde ist vorne ein Zementationsschlauch befestigt, von welchem später von unten nach oben das Bohrloch mit einem Wärme leitenden Verfüllzement verpresst wird. Natürlich ist die Sonde vorher auf Dichtigkeit geprüft worden. Es werden standardisierte Druckprüfungen gemacht, um die Dichtigkeit der Sonde festzustellen. Das vollzieht sich nach einem fest gesetzten Ablaufschema.

Wie viele Sonden können Sie von einem Schacht aus einbringen?

Bis zu 20 Sonden. Dies entspricht in etwa 500 Bohrmetern. Die echte Neuerung des GRD-Verfahrens besteht darin, wie wir die Sonden miteinander verbinden. Durch eine Kombination seriell und parallel geschalteter Kreisläufe entsteht ein ganz interessanter Effekt. Wenn Sie drei Sonden in Reihe haben, sind diese thermodynamisch wie eine lange Sonde zu behandeln. Wenn wir drei geneigte Sonden haben, erhalten wir eine lange Sonde von 90 m Länge. Der Vorteil dieser Verschaltungsart ist, dass wir die Strömungsgeschwindigkeit immer hochhalten. Hier entsteht ein sehr effizientes thermodynamisches Feld bei minimierten Druckverlusten. Dadurch wird es möglich, sehr große Sondenfelder von einem Punkt aus zu bauen.

Wie sieht es mit der Umweltverträglichkeit des Verfahrens aus?

Ein weiterer entscheidender Vorteil des Verfahrens ist seine hohe Umweltverträglichkeit. Man kann heute vollwertige Erdwärmesondenanlagen im oberflächennahen Bereich erstellen ohne dass man tiefer liegende Grundwasserhorizonte anschneiden muss. Dadurch hat man ein sehr umweltschonendes Verfahren, das sehr sauber und sehr effizient ist. Wir benutzen für diese Bohranlage grundsätzlich nur Wasser oder Luft als Fluid, also als Bohrspülung. Was anderes kommt da gar nicht herein, oder ein Gemisch aus beiden. Die Entwicklung des Geräts fand damals statt in enger Zusammenarbeit mit den hiesigen Wasserbehörden, so dass wir ganz sicher gehen konnten, wir haben ein umweltfreundliches Gerät. Ich denke, dass wir von den Umweltstandards her führend sind in Deutschland.

Kann man Erdwärme nicht viel besser nutzen, je tiefer man bohrt?

Man denkt immer, je tiefer ich bohre, um so wärmer wird es. Aber da kann ich Ihnen ganz klar sagen, das ist nur die halbe Wahrheit. Ab 50 m beginnt erst die geothermische Tiefenstufe. Etwa 3 °C pro 100 m. Bei 20 bis 50 m ändert sich die Temperatur nur etwa um 0,5 °C im Jahr. Das ist die sogenannte neutrale Zone. Der Einfluss der Jahreszeiten ist bis etwa 20 m Tiefe nachweisbar. In den obersten Metern haben Sie also große Schwankungsbreiten von etwa 4 °C bis ungefähr 14 °C. Die Vertikalbohrung geht weiter herunter und greift in erster Linie fossile Energien ab. Mit GRD haben wir versucht, das beste aus zwei Welten zu verbinden. Wir sind immer in etwa 20 - 40 m Tiefe. Damit haben wir im Schnitt etwa 1 bis 2 Kelvin höhere Soletemperaturen. 1 ° Kelvin höhere Soletemperatur sorgt für eine Betriebskostenersparnis von etwa 4 bis 7 %. Nach 20 Jahren hat der Betreiber einer solchen Anlage dann entweder die Mehrwertsteuer für die Bohrung wieder heraus oder die Hälfte der Bohrkosten, je nachdem, wie wärmeleitfähig der Boden ist. Sie haben auf jeden Fall einen Vorteil davon. Der Wärmefluss, der aus dem Inneren der Bohrung kommt ist völlig vernachlässigbar. Der liebt bei 65 Milliwatt / m².

Sie sprachen von einer ausgefeilten Computer- und Simulationstechnik? Muss jede Erdwärme-Anlage aufwändig berechnet und simuliert werden?

Nein, bei Anlagen bis zu 30 kW Leistung – also im herkömmlichen Wohnungsbau – ist in der Regel kein planendes Ingenieurbüro involviert. Hier erstellen in der Regel das Bohrunternehmen und der Heizungsbauer das Gewerk schlüsselfertig. Einmal zum Vergleich: ein Einfamilienhaus benötigt etwa eine Leistung von 10 kW. Bei 30 kW sprechen wir also schon von einem
großen Mehrfamilienhaus. Bei der Auswahl des Bohrunternehmens sollte man lediglich darauf achten, dass das Unternehmen über eine DVGW W 120- Zertifizierung verfügt. Damit ist sicher gestellt, dass das Unternehmen über das notwendige technische und personelle Know-how verfügt.

Und bei größeren Anlagen?

Bei Anlagen > 30 kW, also im Gewerbebau, befinden wir uns in einem Bereich, wo eine Simulation erforderlich ist. Diese Simulation können Sie entweder analytisch oder numerisch machen. In der Regel reicht eine analytische Simulation aber vollkommen aus. Diese Simulationen ermöglichen es sehr genau, den Verlauf der Temperaturen im Fluid vorherzusagen. So lässt sich wirklich ausgezeichnet planen. Die genaue Dimensionierung einer Erdwärmeanlage kann sehr gut mit dieser Software berechnet werden. Bei großen Sondenfeldern empfehlen sich zusätzliche Testarbeiten, da hier der Boden großflächiger aufgeschlossen wird und deshalb natürlich auch eine größere Variabilität in dem System ist. Bei diesem Test handelt sich um einen sogenannten Thermal Response Test. Hier wird Wasser durch die Erdwärmesonde in den Boden gepumpt. Das heizt den Boden auf und man kann sehen, wie stark sich das Wasser wieder abkühlt. Wenn es wieder zurück kommt, hat man ein Maß dafür, wie Wärme austauschfähig der Boden ist. Die hier gewonnenen Daten werden als Basis für eine weitere Simulation und zur Planung und wirtschaftlichen Optimierung des Sondenfeldes genutzt.

Wie wichtig ist der Zukunftsmarkt Geothermie für die Tracto-Technik?

Die Geothermie ist bei der Tracto-Technik ein stark wachsender Bereich. Im Ausland wird ein kontinuierliches Wachstum verzeichnet. Im Inland muss man leider von einer Stagnation des Marktes sprechen. Das geht auch unseren Mitbewerbern nicht anders. Dies hängt sehr eng mit der Genehmigungspraxis in Deutschland zusammen.

Ist diese Genehmigungspraxis komplizierter geworden?

Ja. Naturwissenschaftlich und technisch ist das nur bedingt erklärbar. Von Bundesland zu Bundesland sind große Unterschiede ersichtlich. Deutschland ist ein föderales Land. Wir haben 16 Bundesländer. Jedes Bundesland will natürlich für sich auch bestimmen, was es macht und dementsprechend ist auch die Bandbreite zwischen Ablehnung und Zustimmung. Das ist relativ einmalig in Europa. Und in Deutschland haben sie ungefähr 30 Wettbewerber, die Bohrgeräte herstellen. Der deutsche Markt ist für Bohrgeräte nach meiner Einschätzung der schwierigste Markt weltweit.

Was sind für Sie im Ausland die wichtigsten Märkte?

Ost-Europa, Großbritannien und Frankreich. Hier ist auch die Genehmigungspraxis wesentlich einfacher. Das liegt natürlich zum Einen an den dortigen zentralistischen Strukturen. Dort gibt es Normen. Wir hier bei uns haben nur Richtlinien in der Geothermie. Die Arbeit im Ausschuss stockt seit Jahren. Eigentlich verlangt der Markt nach einer Norm. Während man sich in Europa einig ist, ist man sich in Deutschland überhaupt nicht einig. Das ist eins der größten Probleme.

Was müsste in Deutschland passieren, um die Situation zu verbessern?

Wir als Maschinenbauer – und ich denke das geht vielen andern unserer Mitbewerber auch so – wünschen uns endlich einheitliche Rahmenbedingungen in Deutschland.

Wir brauchen endlich die VDI 4640. Die neue Richtlinie muss endlich herauskommen, damit verbindliche Parameter definiert sind. Vielleicht auch ein gemeinsamer Planungsleitfaden der Bundesländer. Die genehmigungsfähigen Bohrlochdurchmesser schwanken zwischen „beliebig“ bis „mindestens 180 mm“. Eine technische Begründung gibt es dafür nicht. Für uns als Maschinenhersteller wäre es sehr begrüßenswert, wenn wir einheitliche Vorgaben hätten. Wir müssen wissen, was wir bauen sollen. Das ist unser Problem. Wir wissen häufig nicht, was wir bauen sollen, weil sich irgendetwas wieder irgendwo geändert hat.

Sind Sie als Maschinenhersteller auch in Gremien aktiv?

Ja, wir sind in der GeoTrainet-Initiative in der EU aktiv, wir arbeiten u.a. mit bei der DVGW W 120, dort haben wir die Einsprüche mit begleitet. Wir sind beim Bundesverband Wärmepumpe ebenfalls sehr aktiv und wir sind der einzige Hersteller in Europa, der ein eigenes Trainingszentrum hat, wo die Ausbildung zur Fachkraft für Geothermie der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik, DGGT, und der Deutschen Geologischen Gesellschaft, DGG, gelehrt wird. Das machen wir zusammen mit der TU Darmstadt und der Uni Siegen. Wir treten für diese Zeit das Hausrecht ab. Ein Schüler, der zu uns kommt, hat während dieser Zeit alle Möglichkeiten, Bohrgeräte auszuprobieren. Diese bundeseinheitliche Fachkraftausbildung ist zurzeit der Goldstandard, der auch in die Inhalte der zukünftigen GeoTrainet-Ausbildung der EU mit einfließen wird. Meine Aufgabe ist z.B., im Expert-Panel der GeoTrainet-Initiative, die Interessen der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik in Brüssel zu vertreten, natürlich in engster Zusammenarbeit mit den Vertretern des Bundesverbandes Wärmepumpe.

Wo geht die maschinentechnische Entwicklung hin? Werden Sie zur bauma im April in München neue Geräte vorstellen?

Ja, wir werden zur bauma ein neues Bohrgerät vorstellen. Dieses Bohrgerät ist eine Weiterentwicklung des GRD-Verfahrens und es wird sehr viel mehr können. Es wird dem Kunden auch ermöglichen in andere Bereiche der Geotechnik herein zu gehen. Hier werden wieder typische Tracto-Technik Charakteristika eine Rolle spielen, d.h. also: klein, leicht und enorm stark. Auch flexibel. Das ist uns ganz wichtig. Sie werden begeistert sein, wenn sie sich das Gerät auf der bauma in München anschauen. Das ist eine echte Neuerung im Markt. Hier ist sehr viel Innovationspotential hineingeflossen.

Was werden im Bereich der Geothermie die wichtigsten Herausforderungen der kommenden Jahre sein?

Die Gebäudekühlung wird immer wichtiger. Bis zum Jahr 2020 werden sich in Wuppertal die Tage mit Temperaturen > 25 °C verdoppelt habe. Das sind die derzeitigen Prognosen. Das heißt, Kühlung wird sehr viel wichtiger. In einer Stadt wie Tunis herrschen zum Teil Temperaturen von über 54 °C. Das ist lebensfeindlich. Das hängt damit zusammen, dass jeder eine Air Condition in Betrieb hat und die Wärme einfach nach draußen bläst. Es stellt sich also die Frage, wohin mit der Wärme. Hier sehe ich in Zukunft eines der großen Felder der Geothermie. Kühlung wird nicht zu bewältigen sein ohne Geothermie.

Wo sehen Sie weitere Schwerpunkte, auch für das GRD-Verfahren?

Die neueste Untersuchung der Boston Consulting Group im Auftrag der UN weist darauf hin, dass im Jahr 2020 50 % der Weltbevölkerung in Städten leben wird. Dann haben wir ganz andere Probleme. Die wesentliche Frage, die sich hier stellt, ist die nach der Unterirdischen Infrastruktur. Kanäle, Telekommunikation, sauberes Wasser. All dies wird immer wichtiger. Sauberes Wasser kann nicht beliebig weit transportiert werden. Vor diesem Hintergrund müssen wir uns fragen, wollen wir tatsächlich immer tiefer herunter bohren und das Grundwasser evtl. weiterhin belasten. Dies kann zu Problemen führen. Hier ist es seht sinnvoll, wenn eine Technik zur Verfügung steht, die es einem ermöglicht, unter die unterirdische Infrastruktur zu gehen, die vielleicht 8 bis 10 m unter GOK liegt, aber dennoch oberflächennah bleibt. Und das ist eben der große Vorteil des GRD-Verfahrens. Die Flexibilität. Je nachdem, wie eng ich Sonden zusammen fasse, habe ich einen Speicher für Wärme oder je weiter ich sie auseinander lege, dann habe ich eine Kühleinheit, wie ein Kühlfächer, den ich im Untergrund bauen kann. Das sind die enormen Vorteile dieses sehr flexiblen Verfahrens.

Nach meiner Einschätzung wird die Radialbohr- und die Schrägbohrtechnik in Zukunft sicherlich eine der Standardtechniken werden. Heute sind wir mit der Erdwärme dort, wo wir in den 70er Jahren mit dem C64-Computer waren. Es ist fantastisch, die Möglichkeiten zu betrachten, Energie dort zu gewinnen, wo eigentlich schon gar keine Energie mehr existent ist. Das Bohrlochdesign heutzutage grenzt an Hightech. Es steht eine außerordentlich komplexe Physik und Mathematik dahinter. Zum Glück ist es heute möglich, das mit Computern zu fassen und zu simulieren. Möglichkeiten, die wir vor 10 Jahren noch nicht hatten. Ich denke auch, dass die Geothermie zukünftig Bestandteil des Energie-Mixes eines Gebäudes sein wird. Geothermie ist grundlastfähig, aber spitzlastfähig ist sie eigentlich nicht. Dafür müsste ich eine überdimensionale Bohrlochsondenlänge einbauen. Das heißt, es wird eine Kombination geben, vielleicht mit Solar, vielleicht auch mit Wind. Sie können Wärme sehr effizient im Boden speichern, sie können die Wärme des Sommers einspeichern und im Winter nutzen. Erdwärme bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten und deshalb ist die Beschäftigung mit ihr so ungemein faszinierend.

Herr Hagedorn, vielen Dank für das Gespräch!