Diese neue Baulösung wird der Erde Wärme direkt entziehen

DIESER INHALT WIRD IHNEN VON DER NTNU Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie zur Verfügung gestellt – lesen Sie mehr

Eine neue Pfahlverbindung, die jetzt von NTNU Technology Transfer AS patentiert wurde, verbindet vorgefertigte Betonelemente schnell und sicher, um die gewünschte Länge zu erreichen.

Die Pfähle sind im Untergrund verankert und so ausgestattet, dass sie Erdwärme direkt zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden nutzen können.

Mit der neuen Lösung müssen Gebäudeeigentümer, die Erdwärme nutzen möchten, für ihre Gewinnung keine separaten Brunnen mehr bohren, was sowohl kostspielig als auch anspruchsvoll ist.

Bisher ist es niemandem gelungen, Erdwärme auf bezahlbare und effiziente Weise direkt durch die Fundamente eines Gebäudes zu gewinnen.

Der Schlüssel zum Projekt DEP Joint (Driven Energy Piles) ist eine quadratische Pfahlverbindung aus Stahl, die von Doktorand Habibollah Sadeghi am Department of Civil and Environmental Engineering der NTNU weiterentwickelt wurde.

Das Gelenkstück ist mit zwei männlichen und zwei weiblichen Dübeln ausgestattet, die schnell und einfach miteinander verbunden werden können. Zur Befestigung der Verbindungen werden zwei Stahlbolzen verwendet.

„Es erinnert an die Art und Weise, wie man LEGO baut“, sagt Sadeghi. Er hat einige neue Öffnungen an den Seiten der Pfahlverbindungen entworfen.

Durch die Öffnungen können eingebettete Rohre sicher und effizient verbunden werden, ohne die Tragfähigkeit der Pfähle zu beeinträchtigen.

Erdwärme ist nach der Solarenergie die größte verfügbare erneuerbare Energiequelle.

Bis zu 99 Prozent der Erde haben eine Temperatur von über 1.000 Grad Celsius.

In Kombination mit Wärmepumpen können unterirdische Strukturen die stabile Wärme nutzen, die fast direkt unter unseren Füßen vorhanden ist – selbst an kalten Orten wie Norwegen.

Die Möglichkeiten sind riesig und viele Menschen arbeiten daran, die Technologie so zu entwickeln, dass sie ausreichend effizient und sicher ist.

Habibollah Sadeghi ist der erste Mensch in Norwegen, der über Energiepfähle promoviert hat. Zu Beginn seines Studiums konsumierte er sämtliche Fachliteratur, die ihm in den Sinn kam.

Er sagt, dass er bald die Einschränkungen und Herausforderungen erkannte, die mit vorgefertigten Pfählen verbunden waren. Auf dem Markt waren nur einfache Elemente mit relativ kurzen Längen erhältlich. Es gab auch keine Lösungen, die Betonpfahlelemente miteinander zu verbinden.

Die Idee für eine Lösung bekam Sadeghi durch einen Kurs in der Schweiz und ein Beispiel aus Österreich.

Über 100 Kilometer Rekuperatorrohre verlaufen durch Wände, Durchführungen und Betongussplatten der U-Bahn-Strecke in Jenbach.

Das Projekt gewinnt jedes Jahr 175 bzw. 437 MWh zum Heizen bzw. Kühlen aus der Umgebung von Tunneln und U-Bahn-Stationen.

„Das System brachte mich auf die Idee, die Pfahlelemente gleichermaßen effizient und sicher miteinander zu verbinden“, sagt der Forscher.

Die Befestigung des Verbindungsstücks und des Betonelements erfolgt durch Anschweißen von Stahlbewehrungen an das Verbindungsstück.

Die Pfähle werden im Werk gegossen und superstarke Schläuche oder Energieschleifen eingebettet.

Diese werden gleichzeitig mit den Pfählen verbunden, wenn diese in den Boden gerammt werden. Durch diese Kreisläufe zirkuliert die durch Erdwärme erhitzte Flüssigkeit.

Ein wesentlicher Vorteil von DEP Joint besteht darin, dass das System auf vorgefertigten Betonpfählen basiert. Sie werden in großen Mengen hergestellt und unterliegen daher strengen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es viel einfacher ist, die Qualität der fertigen Produkte ab Werk zu überprüfen, als die in Bohrlöcher gegossenen Pfähle auf der Baustelle zu überprüfen.

Sadeghi und sein akademischer Betreuer, Professor Rao Martand Singh, haben eng mit NTNU Technology Transfer AS zusammengearbeitet, um das Konzept weiterzuentwickeln.

„Es gibt derzeit keine vergleichbaren Lösungen auf dem Markt“, sagt Lodve Berre, Geschäftsentwickler bei NTNU TTO.

Die Brunnen, die heute zur Gewinnung von Erdwärme für Neubauten gebohrt werden, sind oft 150–300 Meter tief. Durch die Bohrlöcher fallen große Mengen überschüssigen Bodens an, der entfernt werden muss.

Auch die Bodenbeschaffenheit kann verschiedene Herausforderungen mit sich bringen. Der Boden könnte beispielsweise kontaminiert sein und eine besondere Behandlung erfordern. Auch Veränderungen des Wasserstandes können zu instabilen Bodenverhältnissen sowie zu Setzungs- und Setzungsschäden führen.

„DEP-Verbindungspfähle können in Gebieten mit kontaminiertem Boden und niedrigem Wasserstand problemlos und problemlos eingesetzt werden“, erklärt Berre.

Da die Elemente vom Werk zur Baustelle transportiert werden müssen, dürfen sie nicht länger als 12-15 Meter sein. Dies ist ein Nachteil, da lange Energiekreisläufe wünschenswert sind, da sie mehr Wärme entziehen können.

DEP Joint löst dieses Dilemma wie folgt:

„Anstatt ein 300 Meter tiefes Loch zu bohren, können wir stattdessen 12 Energiepfähle bis zum Grundgestein in einer Tiefe von 50 bis 60 Metern installieren. Dadurch können wir fast die gleiche Energiemenge gewinnen“, sagt Sadeghi.

Die Energiepfähle sind zwar etwas teurer und die Installation dauert etwas länger, aber das amortisiert sich nach Angaben des Forschers in weniger als einem Jahr.

In Norwegen werden jedes Jahr 250.000 Meter Betonpfähle in den Boden gerammt. Nahezu alle großen Gebäude sind mit solchen Fundamenten ausgestattet. Dies, gepaart mit der Tatsache, dass die Welt noch nie zuvor einen größeren Bedarf an sauberer und effizienter Energie hatte, bildet den Kern des Geschäftskonzepts von DEP Joint.

„Wenn wir den Energiebedarf für Heizung und Kühlung von Neubauten um zwei Drittel reduzieren könnten, entspräche das einer enormen Energieeinsparung weltweit. Es würde auch bei der Belastung des Stromnetzes helfen“, sagt Berre.

Habibollah Sadeghi hat mehrere Studien veröffentlicht, in denen er Leistung, Potenzial und Wirtschaftlichkeit verschiedener Wärmepumpensysteme in Norwegen und Europa verglichen hat.

Es gibt viele Lösungen, aber Systeme, die Geothermie nutzen, ragen heraus. Die Installationskosten sind zwar höher, amortisieren sich aber im Verhältnis zur Lebensdauer des Gebäudes schnell.

„In kälteren Klimazonen wie Norwegen sind Geothermiepumpen besonders effizient, da die Temperatur im Boden stabil bleibt“, sagt der Forscher.

Die ersten Prototypen wurden gegen Ende 2022 vom finnischen Hersteller Leimet Oy hergestellt. Ein weiterer Partner, Sandnes & Jærbetong, hat die Verbindung in die Pfähle gegossen.

Im Mai 2023 wurden die Pfähle bei Leimet Oy sehr strengen Aufprall-, Druck- und Dichtheitstests nach europäischem Standard unterzogen. Anschließend wurden sie zur Durchbiegungsprüfung an die Universität Tampere in Finnland geschickt.

Die Tests zeigten, dass die Verbindungen unversehrt blieben und dass sowohl Rohre als auch Verbindungen dicht sind.

Sie fanden außerdem heraus, dass die Pfähle die gleiche Tragfähigkeit und Festigkeit aufweisen wie herkömmliche, derzeit auf dem Markt erhältliche Fertigbetonpfähle.

Damit erfüllt DEP Joint die Anforderungen für die CE-Kennzeichnung. Damit sind die grundlegenden Sicherheitsanforderungen erfüllt und die Pfahlverbindung ist für den Einsatz im Baugewerbe bereit.

Da alle großen Gebäude Fundamente benötigen, ist das Potenzial des Projekts nach Ansicht der Projektbeteiligten enorm.

„Und der Markt ist global, da die Lösung zum Kühlen genauso gut geeignet ist wie zum Heizen“, sagt Lodve Berre.

In diesem Sommer wird in Stavanger ein neuer Energiepfahl gegossen. Es wird 24 Meter lang sein und aus einem Verbindungs- und zwei Betonelementen bestehen.

Der Stapel wird schließlich in der Nähe von NTNU in Trondheim installiert, wo Forscher messen werden, wie viel Energie er zurückgewinnen kann. Ein weiteres Ziel besteht laut Habibollah Sadeghi darin, die Pfähle unter einem Standard-Neubau zu installieren.

Verweise:

Sadeghi et al. Aktueller Status von Wärmepumpen in Norwegen und Analyse ihrer Leistung und Amortisationszeit, Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 54, 2022. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102829

Sadeghi, H. & Singh, RM Vorgefertigte Geothermiepfähle aus Beton: Aktueller Wissensstand, Building and Environment, vol. 228, 2023. DOI: 10.1016/j.buildenv.2022.109790

DEP Joint ist ein FORNY-Projekt (Renew), das vom norwegischen Forschungsrat mit etwa 477.000 USD (5 Mio. NOK) finanziert wird.

Als Arbeitgeber besitzt NTNU die Rechte an Sadeghis Erfindung, während NTNU Technology Transfer das geistige Eigentum im Namen der Universität verwaltet.

Das Unternehmen hat Patentschutz beantragt und arbeitet daran, die Stahlverbindung durch Lizenzvereinbarungen mit einem oder mehreren Herstellern auf den Markt zu bringen.

Diese Inhalte werden von den Kommunikationsmitarbeitern der NTNU erstellt, die diese Plattform nutzen, um Wissenschaft zu kommunizieren und Forschungsergebnisse mit der Öffentlichkeit zu teilen. NTNU ist einer von mehr als 80 Eigentümern von ScienceNorway.no. Lesen Sie hier mehr.