Probleme der Grundwassernutzung beim Heizen & Kühlen mit Grundwasser

In den 80er Jahren erlebte die Wasser-Wasser-Wärmepumpe in Deutschland einen Boom, weil die herausragende Energieeffizienz bei der Nutzung von Grundwasser als Wärmeträger erkannt wurde.

Teilweise verockertes Brunnenfilter
Teilweise verockertes Brunnenfilter

Leider ergaben sich in der Praxis aber häufig Probleme mit der Betriebssicherheit aufgrund der schlechten Rohwasserqualität. Im Grundwasser gelöstes Eisen und Mangan führen bei diesem System zu Ablagerungen (Verockerung, Verschlammung) vor allem in Wärmetauschern und Schluckbrunnen. Bei den Wärmetauschern bewirkt das einen schlechteren Wärmeübergang und höheren Strömungswiderstand und damit steigenden Energiebedarf. Die zunehmende Verockerung der Brunnen führt zu einer geringeren Förderleistung bei Förderbrunnen und vor allem zu einer geringeren Aufnahmekapazität und damit letzlichlich dem Überlaufen von Schluckbrunnen.

Chemische und biologische Verockerungen

Verockerte Unterwasserpumpe – Ausschnitt Einlaufsieb
Verockerte Unterwasserpumpe – Ausschnitt Einlaufsieb

Die chemische Verockerung entsteht durch Oxidation, wenn im Grundwasser gelöste Eisen- (Fe2+) oder Manganionen (Mn2+) mit gelöstem Sauerstoff in Kontakt kommen. Dabei hängt die Reaktionsgeschwindigkeit stark vom pH-Wert ab, nimmt aber durch die autokatalytische Wirkung von bereits gebildeten Oxiden stark zu. Da die Oxidation von Eisen und Mangan unterschiedliche Redoxpotenziale erfordert, treten entweder rostbraune Eisenverockerungen oder schwarze Manganverockerungen auf, aber nur selten beides. Wo beide Spezies im Grundwasser vorhanden sind, wird zunächst nur das Eisen oxidiert.

Bei niedrigeren Redoxpotenzialen treten mehrheitlich biologische Verockerungen auf. Dabei wird die Oxidation durch Bakterien katalysiert. Diese Bakterien benötigen eine regelmäßige Zufuhr von Nährstoffen durch vorbeiströmendes Wasser. Sie bilden neben der Biomasse große Mengen an Oxiden (sowie Hydroxiden und Oxidhydraten).

Die Ablagerungen unterliegen generell einem Alterungsprozess, bei dem zunächst stark wasserhaltige amorphe Oxide in dichtere kristalline Formen übergehen, die dann stabiler und schlecht lösbar sind.  Eisenbedingte Inkrustationen treten meist in Form von Ferrihydrit (Fe5HO8 x 4 H2O) und Goethit (FeOOH) auf.

Fazit:

Zusammenfassend beruht die Verockerung von Wärmetauschern und Brunnen bei Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf folgenden Faktoren:

  • Gelöste Eisen- oder Manganionen (lt. Fachliteratur bei Eisenkonzentrationen > 0,2 mg/l)
  • Ein positives Redoxpotenzial / gelöster Sauerstoff
  • Ein pH-Wert > 5
  • Eine erhöhte Fließgeschwindigkeit
  • Eisen- und manganspeichernde Bakterien
Verockertes Laufrad einer Unterwasserpumpe
Verockertes Laufrad einer Unterwasserpumpe

Diese Faktoren sind in Brunnen und Wärmetauschern häufig gegeben. Bei einem Leistungsrückgang von 10% bis 20% durch Verockerung ist bereits ein fortgeschrittenes Alterungsstadium erreicht und die Regenerierung erfordert einen hohen technischen Aufwand und somit hohe Kosten.

Häufig wird als Präventiv- oder Sanierungsmaßnahme versucht, durch bauliche Maßnahmen das Sauerstoffniveau und die Eintrittsgeschwindigkeit im Filterbereich positiv zu beeinflussen.

Aber die effizienteste Methode zur Vermeidung von Verockerungen ist der Einsatz einer unterirdischen Enteisenung und Entmanganung. Dadurch werden Eisen und Mangan bereits vor Eintritt in die Förderbrunnen effizient aus dem Wasser entfernt.