Wärme aus dem Boden

Spez. Grüne Technologien

Die Nutzung der Erdwärme aus Grundwasser in Deutschland erfordert den Einsatz von Brunnenpumpen. Entscheidend für deren effizienten Betrieb ist jedoch eine optimale Drehzahlregelung mit Hilfe geeigneter Frequenzumrichter.

28. Mai 2014

Eine vielversprechende Alternative zur weiteren Ausbeutung der begrenzten fossilen Energiequellen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas ist die Geothermie, also die Nutzung der Wärme im zugänglichen Teil der Erdkruste für Heizzwecke.

Da die geologischen Verhältnisse in Deutschland sich von Ort zu Ort stark unterscheiden können, lassen sich solche Konzepte allerdings nur im regionalen Maßstab realisieren. Dies gilt auch für das Projekt »Energie-Wende-Garching« (EWG), mit dem die Stadt Garching bei München seit April 2012 eine nachhaltige und regenerative Fernwärmeversorgung realisiert.

»Unser Ziel ist es, möglichst viele Menschen, Unternehmen und Institutionen mit sauberer Fernwärme zu versorgen«, erklärt dazu Michael Wenig, Geschäftsführer der Energie-Wende-Garching GmbH, an der die Gemeinde Garching und die Bayernwerk AG als größter Energieversorger der Region mit jeweils 50 Prozent beteiligt sind.

Neben der Versorgung der Garchinger Haushalte werden auch die Gewerbebetriebe im Gemeindeteil Hochbrück mit Fernwärme aus Geothermie beliefert. Da Garching als Wirtschaftsstandort mit den Nachbarkommunen und der Landeshauptstadt konkurrieren muss, ist das Geothermie-Projekt dabei ein wichtiger Standortvorteil, weiß die Erste Bürgermeisterin Hannelore Gabor: »Wir müssen heute die Basis für eine zukunftssichernde unabhängige Wärmeversorgung schaffen.«

Das sogenannte hydrothermale Kreislaufsystem nutzt dazu 74 Grad Celsius warmes Thermalwasser aus rund 2.000 Meter Tiefe, das über zwei getrennte Geothermiebohrungen gewonnen bzw. wieder in den Grundwasserleiter zurückgeführt wird.

Das Thermalwasser steht aufgrund des natürlichen Drucks nur bis rund 110 Meter unter der Geländeoberkante und muss deshalb mit Hilfe einer Tauchkreiselpumpe an die Erdoberfläche gefördert werden. Verfahrenstechnisch umgesetzt wurde dabei eine Druckhaltung, bei der das komplette Fördersystem von der Förder- bis zur Versenkbohrung unter Druck betrieben wird, um eine Ausgasung sicher zu verhindern.

Raues Umfeld

Die 18 Meter lange Tauchkreiselpumpe hängt dazu an einem dünnen Metallrohr rund 340 Meter tief im Bohrloch. Die Förderpumpe ist für einen Einsatz unter extremen Bedingungen über viele Jahre konzipiert und liefert im Maximum einen Volumenstrom von bis zu 100 Liter pro Sekunde.

Bei einer Kopftemperatur der Förderbohrung von 74 Grad Celsius ergibt sich damit ein nutzbarer Wärmeinhalt des Geothermie-Kreislaufs von bis zu acht Megawatt, entsprechend ca. 192 Megawattstunden pro Tag. Die Pumpe befindet sich unterhalb eines garagengroßen Gebäudes auf dem Bohrplatz, in dem auch die Förderleitung bis zur Erdoberfläche untergebracht ist. Ein weiteres Gebäude beherbergt die Stromversorgung für die Förderpumpe.

Regelung verhindert Resonanzen

Herzstück der Förderanlage ist der an der untertägigen Förderpumpe angebrachte Motor, dessen Drehzahl zwischen 39 und 57 Hertz geregelt werden kann. Die anspruchsvollste Aufgabe beim Betrieb der Pumpe ist die Vermeidung von Resonanzen und gefährlichen Schwingungen der 18 Meter langen Konstruktion.

Erreicht wird dies über einen schrankmontierten Frequenzumrichter der Baureihe NXC des finnischen Antriebstechnikspezialisten Vacon in 12-Puls-Technik. Der integrierte nachgeschaltete Sinusfilter sowie die ausgefeilte Motorsteuerungssoftware auf Basis des eingesetzten Hochleistungshauptprozessors NXP3 gewährleisten eine optimale Drehzahlregelung über nahezu den gesamten Frequenzbereich. Die einfache Parametrierbarkeit über Display und PC vereinfacht die Bedienung.

Die Stromversorgung der Anlage geschieht über einen Spezialtransformator, der die 20-kV-Primärspannung auf 400 Volt sowie auf zweimal 690 Volt umwandelt, die über ein Abgangsfeld die Frequenzumrichter-Einheit versorgen.

Dank dieser Konfiguration konnte der Frequenzumrichter in Niederspannungstechnik realisiert werden, mit entsprechenden Vorteilen bei der Installation und der Qualifikation des Personals des Betreibers. Zudem bleibt die Oberschwingungsbelastung auf der 20-kV-Seite durch die gewählte Einspeisetechnik vergleichsweise niedrig.

Die kompakten Umrichter des Unternehmens mit Deutschlandsitz in Essen wurden umfassend für den Einsatz unter harten Betriebsbedingungen getestet und kommen in der Regel in der Bergbau-, Öl- und Gas-Industrie sowie in Betrieben der Wasser- und Abwasserwirtschaft zum Einsatz.

Die guten thermischen Eigenschaften des Gehäuses gewährleisten eine lange Lebensdauer des Frequenzumrichters und einen problemlosen Betrieb in rauen Umgebungen. Beim Einsatz in der oberbayerischen Geothermieanlage arbeitet das robuste und bewährte Fabrikat deshalb seit dem Betriebsstart ohne Probleme.

Vacon plc. mit Sitz im finnischen Vaasa ist ein führender Hersteller von Frequenzumrichtern für die Drehzahlsteuerung von Elektromotoren sowie zur Gewinnung regenerativer Energie in Solar- und Windkraftwerken.

Das Unternehmen besitzt Entwicklungs- und Fertigungsstandorte in Finnland, den USA, China und Italien sowie Vertriebsniederlassungen in 27 Ländern.

zIn 2012 erzielte das Unternehmen mit mehr als 1.500 Mitarbeitern einen Umsatz von knapp 390 Millionen Euro.

Erschienen in Ausgabe: 04/2014