Als deutscher Beitrag zur Eindämmung der Erderwärmung gilt seit Januar 2021 der von Bund und Ländern festgelegte Preis von 25 Euro pro Tonne CO2. In fünf Jahren soll der Betrag laut Bundesumweltministerium schließlich auf bis zu 65 Euro ansteigen, sodass fossile Heizsysteme zunehmend ihren Reiz verlieren. Im Gegensatz zu diesen müssen umweltfreundliche Alternativen wie thermische Brunnenanlagen jedoch sorgfältig auf die Gegebenheiten vor Ort abgestimmt sein, um eine einwandfreie und kosteneffiziente Funktion zu gewährleisten. So können die Systeme etwa aufgrund eines hohen Eisen- und Mangangehalts im Grundwasser leicht verstopfen, wie es bei der Metallwarenfabrik Reichertshofen Karl Binder GmbH der Fall war. Da dem Unternehmen eine nachhaltige und ressourcensparende Produktion sehr wichtig ist, wandte es sich Ende 2018 deshalb an die Krämer Brunnenbau & Energie GmbH. Ausgehend von einer Analyse der Wasserwerte konzipierte der Brunnenspezialist eine neue Anlage mit integrierter unterirdischer Wasseraufbereitung. Diese verhindert langfristig Eisen- und Manganablagerungen in Brunnen, Pumpen sowie Wärmetauschern und kühlt zuverlässig mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Systeme. Eine solche Umrüstung auf eine Grundwasserwärmepumpe kann vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) mit 35 Prozent der förderfähigen Kosten bezuschusst werden.
„Für unsere automatisierte Rohbauanlage mit 120 Robotern sowie in einem weiteren Ausbau unsere Werkzeugmaschinen zum Formhärten (Warmumformung) ist ein leistungsstarkes und zuverlässiges Kühlungssystem das A und O“, so Markus Binder, Geschäftsführer der Metallwarenfabrik Binder. „Als modernes Unternehmen legen wir außerdem Wert auf eine ressourcenschonende Produktion und einen geringen CO2-Fußabdruck, weshalb uns ein niedriger Energieverbrauch bei möglichst hoher Kühlleistung besonders wichtig ist.“ Vor diesem Hintergrund entschied sich das Unternehmen für die Installation einer thermischen Brunnenanlage, die das frei verfügbare Grundwasser als nahezu unerschöpfliche Energiequelle nutzt. Die Vorteile dieses Systems liegen darin, dass es bei Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien CO2-neutral heizen sowie kühlen kann. Dabei weisen Wärmepumpen mit Brunnen laut Verbraucherzentrale höhere Effizienzwerte auf als solche mit Erdsonden. Noch effizienter ist das direkte Kühlen mit Grundwasser, bei dem Jahresarbeitszahlen von 20 bis 30 erreicht werden können, was diejenigen herkömmlicher Kältemaschinen deutlich übertrifft. Denn Grundwasser weist ganzjährig eine konstante Temperatur von 12 bis 13 °C auf und stellt mit seiner hohen Wärmekapazität einen sehr effektiven Wärmeträger dar. Dem geförderten Wasser wird Wärme entweder mittels einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe entzogen oder im Kühlfall über Wärmetauscher zugeführt, bevor es ohne weitere Behandlung zurück in den Grundwasserleiter sickert – lediglich mit leicht veränderter Temperatur. Der Grundwasserleiter rund um die Brunnen ist in beiden Fällen ein großer Energiespeicher, der sich entsprechend dem natürlichen Zustrom von Grundwasser selbst regeneriert.
Zur Realisierung der neuen Kühlungslösung zog die Metallwarenfabrik Binder Ende 2018 die Firma Krämer Brunnenbau & Energie GmbH hinzu, die sich seit rund zehn Jahren auf die Energiegewinnung mittels Grundwasser spezialisiert hat. „In der Vergangenheit verstopften bereits mehrere bestehende thermische Brunnenanlagen wegen des hohen Eisen- und Mangangehalts im lokalen Grundwasser durch Eisenablagerungen, sogenannte Verockerungen“, berichtet Pyro Krämer, Brunnenbaumeister und Gründer von Krämer Brunnenbau & Energie. „Aus diesem Grund entwickelten wir eine Lösung mit integrierter Wasseraufbereitungsanlage der Marke FERMANOX, um eine langfristige Funktion zu gewährleisten.“ Dabei handelt es sich um ein System, das die gelösten Metalle Eisen und Mangan schon im Boden aus dem Grundwasser entfernt, damit sauberes Wasser direkt aus den Brunnen fördert und so Maschinen sowie Hallen des Betriebs zuverlässig und energieeffizient kühlt.
Optimale Nutzung der lokalen Ressourcen
„Die erste – aber zugleich einzige – Hürde beim Bauvorhaben einer thermischen Brunnenanlage ist das örtliche Grundwasservorkommen als Porengrundwasserleiter“, erläutert Krämer. „Denn dieses ist nur auf etwa 60 Prozent der Fläche Deutschlands in ausreichendem Maß vorhanden.“ Bei dem Grundwasserleiter muss es sich um Sand- oder Kiesschichten handeln, deren Poren von Wasser durchflossen werden. Sofern die lokale Geologie über einen solchen verfügt, werden Probebohrungen vorgenommen, um einerseits die Tiefe und Fließrichtung des Grundwassers festzustellen sowie andererseits dessen chemische Werte zu analysieren. Auf Basis der Ergebnisse und unter Berücksichtigung der Wünsche des Kunden konzipiert Krämer schließlich eine individuelle Lösung, die optimal auf die zur Verfügung stehenden – geologischen und finanziellen – Ressourcen sowie die Anforderungen des Betriebs zugeschnitten ist. So ist es etwa möglich, mehrere Systeme hintereinander zu installieren, die aus je einem sogenannten Saugbrunnen zur Förderung des Grundwassers und einem Schluckbrunnen zu dessen Rückführung bestehen. Eine solche Konstruktion kann beispielsweise suboptimale geologische Umstände mit einem schwachen Grundwasserleiter kompensieren oder eine Redundanz gewährleisten. Zudem können viele Kiese und Sande abhängig von der Wassermenge und -qualität sowie der Brunnentiefe zur Förderung, Filterung und zum Absickern des Grundwassers eingesetzt werden.
Da die Metallwarenfabrik Binder mehrere Industrieanlagen und Produktionshallen zuverlässig kühlen möchte, entschied sie sich für ein Brunnensystem aus je zwei Förder- sowie Schluckbrunnen mit einer Tiefe von je 10 m, die gemeinsam eine Kühlleistung von 650 kW erzeugen. Darüber hinaus war es aufgrund des gemessenen Eisen- und Mangangehalts von 1,5 mg/l beziehungsweise 0,5 mg/l im Grundwasser erforderlich, die unterirdische Wasseraufbereitungsanlage FERMANOX® zu integrieren. Das Grundprinzip dieses Systems ist die Einleitung von mit Luftsauerstoff angereichertem Wasser in den Grundwasserleiter. Damit entstehen Aufbereitungszonen rund um die Förderbrunnen, an deren Rändern das im Wasser gelöste Eisen und Mangan oxidiert und an die Bodenkörner gebunden wird. Im Nahbereich der Brunnen werden auf diese Weise sehr niedrige Eisen- und Mangankonzentrationen auf Trinkwasserniveau erreicht. In der Folge bleiben Brunnen, Wärmetauscher sowie Rohrleitungen vor Verockerungen geschützt. Gleichzeitig ist das FERMANOX®-Verfahren besonders gut für die Wasseraufbereitung bei Geothermieanlagen geeignet, weil es einen geringen Energiebedarf aufweist, weder Filtermaterial benötigt wird noch Abwasser oder Abfall entstehen, das Bauvolumen sehr gering ist und die Anlagen keine Wartung erfordern.
„Unsere Bedingung für eine neue Brunnenanlage war, dass die Kosten nicht explodieren dürfen und sie sich schnell amortisiert“, fügt Binder hinzu. „Trotz der schlechten chemischen Werte unseres Grundwassers und der deshalb notwendigen Enteisenungs- sowie Entmanganungsanlage gelang es der Firma Krämer, unseren vorgegebenen finanziellen Rahmen einzuhalten.“ Dabei wurde das System eigens so konstruiert, dass es unter der Verwendung stärkerer Pumpen auf 900 kW und durch die Ergänzung eines dritten Brunnenpaares auch auf 1,3 MW erweitert werden kann.
CO2-neutral, kosteneffizient und wartungsarm
Während die thermische Brunnenanlage in Bezug auf ihre Kühlleistung eine Jahresarbeitszahl von 20 bis 30 und somit einen vielfach höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Kühlsysteme erreicht, übertrifft sie hinsichtlich ihrer Wärmeleistung mit einer Jahresarbeitszahl von 4 bis 5 Erdsonden und -kollektoren. Außerdem verursacht sie im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen oder Pellets keine betriebsbedingten Verunreinigungen sowie Verrußungen, sodass der Wartungsaufwand an den Geräten drastisch reduziert wird, und spart überdies Kosten, die sonst für die Lagerung des Energieträgers anfallen. „Verrechnet man die Anfangsinvestition mit den laufenden Betriebskosten, dann macht sich die Grundwasserwärmepumpe in der Regel nach zwei bis drei, in besonders aufwändigen Fällen spätestens nach fünf Jahren bezahlt“, führt Krämer aus. Dies ist neben dem hohen Wirkungsgrad vor allem der Tatsache zu verdanken, dass ein solches Brunnensystem problemlos Jahrzehnte stabil funktioniert, ohne dabei größere Wartungskosten zu erzeugen.
Von der gleichermaßen nachhaltigen wie auch kosteneffizienten Kühlung profitiert das Metallverarbeitungsunternehmen also auf lange Sicht: „Wir alle sind für die uns folgenden Generationen verantwortlich“, so Binder abschließend. „Die relativ hohe Anfangsinvestition der Brunnenkühlung zahlt sich aber schnell aus, um in unseren Produktionsprozessen langfristig massiv CO2 einzusparen.“den Brunnensystemen fertigt das 20-köpfige Team von Krämer Brunnenbau auf Kundenwunsch hochwertige Leitungs- und Brunnenbauwerke für öffentliche Auftraggeber, Gewerbe und Industrie sowie Landwirtschaftsbetriebe. Zu den Leistungen zählen thermische Brunnen, Lösch- und Brauchwasserbrunnen sowie Enteisenungs- und Entmanganungsanlagen.
