Ressourcenschonend kühlen mit der Grundwasser-Wärmepumpe

Thermische Brunnenanlagen müssen sorgfältig auf die Gegebenheiten vor Ort abgestimmt sein, um eine einwandfreie Funktion der Grundwasser-Wärmepumpe zu gewährleisten. Probleme bereiten beispielsweise hohe Eisen- und Mangangehalte, wie es bei der Metallwarenfabrik Reichertshofen Karl Binder GmbH der Fall war. Abhilfe geschaffen wurde mit einer integrierten, unterirdischen Wasseraufbereitung. Ein Objektbericht.

„Für unsere automatisierte Rohbauanlage mit 120 Robotern sowie in einem weiteren Ausbauschritt 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.“

Beim direkten Kühlen mit Grundwasser können Jahresarbeitszahlen von 20 bis 30 erreicht werden. Vor diesem Hintergrund entschied sich das Unternehmen für die Installation einer Wärmepumpe, die das Grundwasser einer thermischen Brunnenanlage als Energiequelle nutzt.

Zur Realisierung der neuen Kühlungslösung zog die Metallwarenfabrik Ende 2018 die Krämer Brunnenbau & Energie GmbH hinzu, die sich 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“ ¹), 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 separiert.

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 % 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 konzipiert Krämer schließlich eine individuelle Lösung, 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 kühlen möchte, entschied man sich für ein Brunnensystem aus je zwei Fördersowie 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 erreicht. In der Folge bleiben Brunnen, Wärmeübertrager sowie Rohrleitungen vor Verockerungen geschützt. Gleichzeitig ist das 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“, sagt Binder und ergänzt: „Trotz der schlechten chemischen Werte unseres Grundwassers und der deshalb notwendigen Enteisenungssowie 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

„Verrechnet man die Anfangsinvestition mit den laufenden Betriebskosten, dann macht sich die Grundwasser-Wärmepumpe 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.“

www.bindernet.de

www.fermanox-wasseraufbereitung.de

www.krämer-brunnenbau.de