BMBF-Vorhaben (Bohrtechnik)

Das Forschungsvorhaben dient der Entwicklung einer neuen Verfahrenstechnik für den beschleunigten und kostengünstigen Einbau von Erdwärmesonden.

Die zum Einbau von Erdsonden eingesetzten Verfahren stammen traditionell aus dem Gewerk des Brunnenbaus. Daher wird ein entsprechend großer Aufwand für die Bohrtechnik und die Baustelleneinrichtung betrieben. Dies beginnt beim Transport der Gerätschaften wofür i.d.R. zwei LKW benötigt werden, von denen einer das Bohr-Rigg und der andere das Equipment für die Rotary-Spültechnik oder die Verrohrung nebst Ladevorrichtung trägt. Dazu kommen Container für die Aufnahme von Spülflüssigkeit oder von Bohrgut.

Da die oberflächennahe Erdwärme in der Regel über Sondenfelder von 2-4 Sonden je Wohneinheit erschlossen wird, ergibt sich bei Plangebieten mit mehreren Wohneinheiten ein erheblicher Rüstzeitaufwand für das Umsetzen von Bohrloch zu Bohrloch. Außerdem besteht ein vergleichsweise großer Platzbedarf für die Unterbringung der gesamten technischen Ausrüstung auf der Baustelle. Hinzu kommen die durch den Großgeräteeinsatz entstehenden Flurschäden. Aus diesem Grunde ist das Verfahren beim Bauen im Bestand (z.B. bei der Erneuerung bestehender Heizungsanlagen) kaum einsetzbar.

Auch scheint wegen der aufwändigen Gerätetechnik - trotz der angespannten Marktlage im Bohrgewerbe - eine untere Grenze der Bohrkosten erreicht zu sein. Das Forschungsvorhaben zielt auf die Entwicklung einer neuen Technologie zum Einbau von Erdsonden. Mit dieser sollen die in der Praxis überwiegend benötigten mitteltiefen Erdsonden zwischen 30 und 50 m erheblich schneller und insbesondere kostengünstiger eingebaut werden.

Als Basistechnologie sind hier die in den USA entwickelten Direct-Push-Verfahren erfolgsversprechend. Dabei werden Bohr- oder Sondierwerkzeuge mit schweren, fahrzeuggebundenen hydraulischen Perkussionshämmern in den Untergrund getrieben. Mit dem Direct-Push-Verfahren lassen sich die Nachteile der konventionellen Großbohrtechnik vermeiden, da erheblich schneller, flexibler und Platz sparender gearbeitet wird. Aufgrund der geringeren Maschinenkräfte und Systemgewichte besitzen die Verfahren Leistungsnachteile gegenüber den o.g. Großbohrverfahren. Diese dürften sich jedoch durch eine Kombination des Verfahrens mit einer Unterstützung aus dem Bereiche der Hochdruckinjektionstechnik (350 bar) ausräumen lassen.

Eine synergetische Kombination beider Verfahren (Direct-Push- und Hochdruckinjektion) wird im Rahmen des Forschungsvorhabens zur Entwicklung einer neuen Bohrtechnologie führen. Das Direct-Push-Führungsgestänge, mit dem die Erdsonden dynamisch eingetrieben werden, wird mit einem im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnden Hochdruckspülkopf versehen. Dieser soll den dynamischen Vortrieb begünstigen und zugleich als Träger des Erdsondenkopfes dienen. Aufgrund der unterstützenden Wasserspülung wird sich die Mantelreibung der Erdsonden im Bohrloch während des Einbaus erheblich verringern und zu einem schnelleren und tieferen Einbau der Sonden führen.

Da die benötigte Wasserzufuhr während des Spülvorganges in Abhängigkeit von der Bodenzusammensetzung und Lagerungsdichte stark variieren kann, ist ein weiteres Forschungsziel die Entwicklung eines Steuermoduls zur Kontrolle des Wasserstroms. Hierzu soll die zu entwickelnde Direct-Push-Spülfiltersonde mit einer geophysikalischen Online-Messtechnik (geoelektrischer Dipol / Dipol) ausgestattet werden.

Dieser Messkopf eilt der Trägersonde voraus und regelt in Abhängigkeit von der geophysikalisch ermittelten Bodenart den benötigten Wasserstrom für den Spülkopf.

Zusammengefasst sind die technischen Ziele:

• schnellere und flexiblere Arbeitsweisen;

• Vermeidung von Verrohrungen und Stützsuspensionen beim Bohrprozess;

• Platz sparende Sondeninstallationen;

• Einbau und Verdämmung von Erdsonden in einem Sondiervorgang;

• DP-Fahrzeug und Sondierwerkzeuge können ohne gerätetechnische Veränderungen für in-situ Messverfahren zu geophysikalischen Messungen (EC- und thermische Potentialbestimmungen) eingesetzt werden;

einhergehend mit dem wirtschaftlichen Ziel einer nachhaltigen Verringerung der Erdsondenkosten aufgrund:

• günstigerer Maschineninvestitionen,

• schnellerer Bohrvorgänge,

• verkürzter Rüstzeiten beim Einrichten und Umsetzen (insbesondere bei Feldern mit einer größeren Sondenanzahl kostenrelevant).