Forschungsprojekt

Die stärkste Kunststoff-Erdwärmesonde der Welt

Erdwärmesonden aus Kunststoff wurden bisher nur bis zu einer Tiefe von etwa 300 Metern verbaut. Die HSR hat nun zusammen mit dem Industriepartner Jansen AG ein deutlich robusteres System entwickelt, das die geothermische Energie auch in 500 Metern Tiefe mit Kunststoff-Erdwärmesonden nutzbar machen kann.

Geothermische Energiegewinnung, die durch erdgekoppelte Wärmepumpen erfolgt, etabliert sich zunehmend in Mitteleuropa als Gebäudeheizung, Warmwasserbereitung oder Kühlsystem. Im Vergleich zu konventionellen Heizungen/Kühlungen punkten sie mit geringen Betriebskosten, ermöglichen einen leisen und emissionsfreien Betrieb und benötigen keine fossilen Energieträger.
In dem von der Schweizerischen Agentur für Innovationsförderung unterstützten Projekt war es Ziel der Jansen AG, zusammen mit der HSR ein neues Kunststoff-Erdwärme-System zu entwickeln, das bis zu 500 Meter tief in den Boden eingebracht werden kann. In 300 Metern Tiefe ist das Erdreich rund 20 Grad Celsius warm, in 400 Metern bereits 24 Grad und in 500 Metern zwischen 25 bis 30 Grad. Die höheren Temperaturen in grösseren Tiefen bedeuten ein grösseres Energiereservoir und verbessern die Effizienz der Wärmepumpe. Gleichzeitig steigen jedoch auch die Anforderungen, die an Material und Maschine gestellt werden.

Material muss hohem Druck standhalten

Der üblicherweise verwendete Standard-Kunststoff für Erdwärmesonden kann dem hohen Druck in 500 Metern Tiefe jedoch nur standhalten, wenn das Material dicker wird, was aber Nachteile beim Wirkungsgrad bedeutet. Deshalb suchten die Anbieter von Erdwärmesonden lange fieberhaft nach Alternativen.
Nach knapp fünf Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit mit dem IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung kann die Jansen AG heute ein neues, hybrides Kunststoff-Rohrsystem anbieten, das auch in 500 Metern Tiefe funktioniert.

Neuartiges Rohrsystem

Nach der Prüfung verschiedener Konzepte haben die Jansen AG und die HSR das Ziel durch gezielte Material-Kombinationen und spezifische Multimaterialverbin-dungstechniken erreicht: ein Geothermierohr zu entwickeln, das energieeffizienter, leichter und robuster als bisherige Lösungen ist und ohne alterungsbedingte Ein-bussen eine Lebenserwartung von rund 100 Jahren aufweist.

Energie aus dem Boden in urbanen Gebieten

Das Rohrsystem wird in hybrider Bauweise hergestellt. Die Hybridbauteile besitzen Eigenschaften, die ein einzelner Werkstoff nicht bieten kann. Um die metallische Komponente sowohl vor Beschädigungen beim Einbau wie auch vor dem Kontakt zum Wärmeträgermedium zu schützen, wurde sie in die Mittelschicht des Mehr-schichtaufbaus gelegt. Die Materialien in der Aussen- und der Innenschicht sind dieselben thermoplastischen  Materialien, die auch bei den herkömmlichen Erdwärme-sonden Verwendung finden.
Für die Verbundhaftung zwischen den metallischen und thermoplastischen Materialien werden Zwischenschichten benötigt, weshalb das neue System aus 5-schichtigen Rohren besteht. Jede Schicht erfüllt dabei einen spezifischen Zweck, der dem Gesamtsystem eine bisher nicht mögliche Stabilität und Effizienz verleiht. So lässt sich etwa auch in Gebieten mit begrenztem Platzangebot im Boden der Energiebedarf decken – etwa in  urbanen Gebieten.
Das neue System hat auch die Fachwelt überzeugt. Ein aus dem Forschungsprojekt hervorgegangenes Produkt der Jansen AG hat Anfang 2019 den European Geothermal Innovation Award gewonnen.

Mit einer hybriden Bauweise und einem speziell entwickelten Schweissverfahren hält die stärkste Kunststoff-Erdsonde der Welt auch dem Druck in bis zu 500 Meter Tiefe stand.
Nach knapp fünf Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit mit dem IWK kann die Jansen AG heute ein neues, hybrides Kunststoff-Rohrsystem anbieten, das auch in 500 Metern Tiefe funktioniert.