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.
Brunnenanlage: Wasseraufbereitung integriert
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 Wärmeübertragern 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 die automatisierte Rohbauanlage von Binder mit 120 Robotern sowie in einem weiteren Ausbau für die Werkzeugmaschinen zum Formhärten (Warmumformung) ist ein leistungsstarkes und zuverlässiges Kühlungssystem das A und O. Das Unternehmen legt außerdem Wert auf eine ressourcenschonende Produktion und einen geringen CO2-Fußabdruck, weshalb 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 effektiven Wärmeträger dar.
Dem geförderten Wasser wird Wärme entweder mittels einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe entzogen oder im Kühlfall über Wärmeübertrager 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.
So wurden Verstopfungen vermieden
Zur Realisierung der neuen Kühlungslösung zog die Metallwarenfabrik Binder Ende 2018 die Firma Krämer Brunnenbau hinzu, die sich auf die Energiegewinnung mittels Grundwasser spezialisiert hat. Denn in der Vergangenheit verstopften bereits mehrere bestehende thermische Brunnenanlagen wegen des hohen Eisen- und Mangangehalts im lokalen Grundwasser durch Eisenablagerungen, sogenannte Verockerungen.
Aus diesem Grund entwickelte Krämer Brunnenbau eine Lösung mit integrierter Wasseraufbereitungsanlage 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.
Nutzung der lokalen Ressourcen prüfen
Die erste – aber zugleich einzige – Hürde beim Bauvorhaben einer thermischen Brunnenanlage ist das örtliche Grundwasservorkommen als Porengrundwasserleiter. 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 Brunnenbau 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.
Bild: Krämer Brunnenbau
Bild: Krämer Brunnenbau
So ist die Binder-Anlage konzipiert
Da die Metallwarenfabrik Binder mehrere Industrieanlagen und Produktionshallen zuverlässig kühlen wollte, 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 gut für die Wasseraufbereitung bei Geothermieanlagen geeignet, weil es einen geringen Energiebedarf aufweist, weder Filtermaterial benötigt wird noch Abwasser oder Abfall entstehen, das Bauvolumen gering ist und die Anlagen keine Wartung erfordern.
Bedingungen von Binder für eine neue Brunnenanlage waren es von vornherein, dass die Kosten nicht explodieren dürfen und sie sich schnell amortisiert. Trotz der schlechten chemischen Werte des Grundwassers und der deshalb notwendigen Enteisenungs- sowie Entmanganungsanlage gelang es Krämer Brunnenbau, den 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.
Bild: Krämer Brunnenbau
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 deutlich reduziert wird. Darüber hinaus werden Kosten eingespart, die sonst für die Lagerung des Energieträgers anfallen würden.
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. Dies ist neben dem hohen Wirkungsgrad vor allem der Tatsache zu verdanken, dass ein solches Brunnensystem Jahrzehnte stabil funktioniert, ohne dabei größere Wartungskosten zu erzeugen. ■
www.fermanox-wasseraufbereitung.de
Krämer / Krämer
Das sind Krämer und Fermanox
Die Krämer Brunnenbau & Energie GmbH mit Sitz im baden-württembergischen Dettenheim unter der Leitung von Geschäftsführer und Brunnenbaumeister Pyro Krämer hat es sich zur Aufgabe gemacht, Grundwasser als nachhaltige Energiequelle zu erschließen und zu erhalten. Neben der Sanierung von bestehenden Brunnensystemen fertigt das 20-köpfige Team individuelle Leitungs- und Brunnenbauwerke für öffentliche Auftraggeber, Gewerbe und Industrie sowie Landwirtschaftsbetriebe. Zu den Leistungen zählen thermische Brunnen, Lösch- und Brauchwasserbrunnen sowie Enteisenungs- und Entmanganungsanlagen.
Fermanox ist eine Marke der im nordrhein-westfälischen Wadersloh ansässigen Winkelnkemper GmbH. Das Unternehmen setzt das Verfahren der unterirdischen Wasseraufbereitung (UEE) seit 1984 in kompakte Anlagen zunächst für Privatnutzer und Landwirte, seit 1992 auch für große Verbraucher und industrielle Anwendungen um. Winkelnkemper sieht sich als Marktführer im Bereich der unterirdischen Wasseraufbereitung für die Enteisenung und Entmanganung von Grundwasser. Derzeit sind in Deutschland mehr als 10 000 Anlagen in Betrieb.
Sequenzer-Box schaltet sechs Systeme
Bild: Kaut / Panasonic
Als Kaskadenlösung für Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen von Panasonic hat Alfred Kaut seine Sequenzer-Box weiterentwickelt. Die überarbeitete Version KGZ-SQ6 für den effizienten Betrieb von direktverdampfenden Panasonic-Klimasystemen ist in einem Stahlkompaktgehäuse mit Touch Screen untergebracht und schafft die Möglichkeit, bis zu sechs Systeme parallel zu schalten und in einer Kaskade bedarfsgerecht zu betreiben. Dadurch sind Kaskaden mit bis zu 336 kW Gesamtleistung möglich. Die Boxen werden an PACi- oder ECOi-Systeme mithilfe der Kaut-Steuereinheiten EKFEV 0-10 V angeschlossen und unterstützen die Regelung mittels Sollwertvorgabe oder Leistungsanforderung. Im ersten Fall erfolgt die Temperatursollwertvorgabe für die Sequenzerbox von extern über ein 0-10 V-Signal. Alternativ ist eine Leistungsanforderung einstellbar, die ebenfalls auf einem 0-10 V-Signal basiert und in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung einzelne Systeme regelt.www.kaut.de
