image
Mitteltiefe geothermische An-
lagen in Sachsen
Schriftenreihe, Heft 15/2020

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 2
Einsatzpotentiale mitteltiefer
geothermischer Anlagen in Sachsen
Katrin Reinhardt, Frank Schmiedel, Diana Hermann
G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 3
Inhaltsverzeichnis
1
Zusammenfassung ............................................................................................................................8
2
Einleitung ........................................................................................................................................ 10
2.1
Zielstellung ....................................................................................................................................... 10
2.2
Projektbeschreibung ......................................................................................................................... 10
3
Auswahl der Modellstandorte ....................................................................................................... 12
3.1
Modellstandort Leipzig ..................................................................................................................... 12
3.2
Modellstandort Chemnitz .................................................................................................................. 14
3.3
Modellstandort Dresden ................................................................................................................... 17
4
Technische Konzeption ................................................................................................................. 18
4.1
Materialtechnische Konzeption ........................................................................................................ 18
4.1.1
Einführung ........................................................................................................................................ 18
4.1.2
Erdwärmesonden ............................................................................................................................. 18
4.1.3
Verfüllmaterial .................................................................................................................................. 20
4.2
Bohrtechnische Konzeption.............................................................................................................. 22
4.2.1
Einführung ........................................................................................................................................ 22
4.2.2
Modellstandort Leipzig ..................................................................................................................... 23
4.2.3
Modellstandort Chemnitz .................................................................................................................. 24
4.2.4
Modellstandort Dresden ................................................................................................................... 24
4.2.5
Innovative Bohrverfahren ................................................................................................................. 25
4.2.6
Kostenschätzung .............................................................................................................................. 26
5
Temperaturmessungen und Ableitung von Temperaturprofilen............................................... 27
5.1
Temperaturmessungen .................................................................................................................... 27
5.2
Ableitung von Temperaturprofilen für die Modellstandorte .............................................................. 29
6
Geothermische Modellierung ........................................................................................................ 32
6.1
Modellstandort Leipzig ..................................................................................................................... 32
6.1.1
Geologischer Überblick .................................................................................................................... 32
6.1.2
Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell .................................................................... 32
6.1.3
Supermesh-Design und Finite Elemente Netz ................................................................................. 33
6.1.4
3D-Modellaufbau .............................................................................................................................. 34
6.1.5
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten ................................................................... 35
6.1.6
Hydrogeologische Randbedingungen .............................................................................................. 37
6.1.7
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten ........................................................................ 37
6.1.8
Geothermische Randbedingungen .................................................................................................. 38
6.1.9
Wärmeentzug/ Wärmeeintrag .......................................................................................................... 39
6.1.10
Durchführung der Modellierung ........................................................................................................ 39
6.1.11
Modellergebnisse ............................................................................................................................. 40
6.2
Modellstandort Chemnitz .................................................................................................................. 43
6.2.1
Geologischer Überblick .................................................................................................................... 43
6.2.2
Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell .................................................................... 44
6.2.3
Datenvorbereitung ............................................................................................................................ 44
6.2.4
3D-Konstruktion der geologischen Körper ....................................................................................... 46
6.2.5
Supermesh-Design und Finite Elemente Netz ................................................................................. 48
6.2.6
3D-Modellaufbau .............................................................................................................................. 50
6.2.7
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten ................................................................... 51
6.2.8
Hydrogeologische Randbedingungen .............................................................................................. 53
6.2.9
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten ........................................................................ 53
6.2.10
Geothermische Randbedingungen .................................................................................................. 55
6.2.11
Wärmeentzug/ Wärmeeintrag .......................................................................................................... 55
6.2.12
Durchführung der Modellierung ........................................................................................................ 56
6.2.13
Modellergebnisse ............................................................................................................................. 56

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 4
6.3
Modellstandort Dresden ................................................................................................................... 59
6.3.1
Geologischer Überblick .................................................................................................................... 59
6.3.2
Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell .................................................................... 60
6.3.3
Supermesh-Design und Finite Elemente Netz ................................................................................. 60
6.3.4
3D-Modellaufbau .............................................................................................................................. 62
6.3.5
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten ................................................................... 63
6.3.6
Hydrogeologische Randbedingungen .............................................................................................. 65
6.3.7
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten ........................................................................ 65
6.3.8
Geothermische Randbedingungen .................................................................................................. 66
6.3.9
Wärmeentzug/ Wärmeeintrag .......................................................................................................... 67
6.3.10
Durchführung der Modellierung ........................................................................................................ 67
6.3.11
Modellergebnisse ............................................................................................................................. 68
6.4
Vergleich der Modellergebnisse ....................................................................................................... 71
7
Monitoringkonzept ......................................................................................................................... 73
7.1
Geothermisches Anlagenmonitoring ................................................................................................ 73
7.1.1
Optimierung des Anlagenbetriebes .................................................................................................. 73
7.1.2
Temperaturmonitoring im Nahumfeld der Sondenanlage ................................................................ 74
7.1.3
Temperaturmessketten .................................................................................................................... 74
7.1.4
Faseroptisches Temperaturmesssystem ......................................................................................... 74
7.1.5
Temperaturmessmolch ..................................................................................................................... 75
7.1.6
Schlussfolgerungen .......................................................................................................................... 75
7.2
Monitoring zu Auswirkungen auf den Untergrund im weiteren Umfeld der Erdwärmeanlage ......... 76
7.3
Empfehlungen zum Monitoringumfang mitteltiefer Erdwärmeanlagen ............................................ 77
8
Kostenbetrachtungen .................................................................................................................... 78
8.1
Grundlagen ....................................................................................................................................... 78
8.2
Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden ................................................................ 80
8.3
Erdgas und Kompressionskälte........................................................................................................ 82
8.4
Fernwärme und Kompressionskälte ................................................................................................. 84
8.5
Vergleich der Modellstandorte.......................................................................................................... 85
8.5.1
Modellstandort Leipzig ..................................................................................................................... 86
8.5.2
Modellstandort Chemnitz .................................................................................................................. 89
8.5.3
Modellstandort Dresden ................................................................................................................... 92
8.5.4
Zusammenfassung ........................................................................................................................... 94
9
Diskussion ...................................................................................................................................... 95
9.1
Übertragbarkeit der Ergebnisse ....................................................................................................... 95
9.2
Optimierungsmöglichkeiten .............................................................................................................. 97
10
Handlungsempfehlungen .............................................................................................................. 98
11
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... 102
Anlagenband
Anlage 1:
Bohr- und Ausbaukonzepte der einzelnen Modellstandorte
Anlage 2:
Kostenschätzung für die Bohr- und Ausbaukonzepte
Anlage 3:
Temperaturprofile und geologische Schichtenprofile der Messstandorte
Anlage 4:
Hydrogeologische Modellkörper der geothermischen Modellierung
Anlage 5:
Wärmeentzugs- und Wärmeintragsfunktionen für die geothermische Modellierung
Anlage 6:
Temperaturbeeinflussung des Untergrundes, Modellgebiet Leipzig
Anlage 7:
Hydrogeologischer Modellschnitt Chemnitz
Anlage 8:
Temperaturbeeinflussung des Untergrundes, Modellgebiet Chemnitz
Anlage 9:
Temperaturbeeinflussung des Untergrundes, Modellgebiet Dresden
Anlage 10: Ablaufschema Planung mitteltiefer Erdwärmesondenanlagen

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Modellstandort Leipzig ......................................................................................................................... 13
Abbildung 2: Modellgebiet Leipzig ............................................................................................................................ 14
Abbildung 3: Modellstandort Chemnitz ..................................................................................................................... 15
Abbildung 4: Modellgebiet Chemnitz ........................................................................................................................ 16
Abbildung 5: Modellstandort Dresden ...................................................................................................................... 17
Abbildung 6: Modellgebiet Dresden .......................................................................................................................... 17
Abbildung 7: Temperaturtiefenprofile der Modellstandorte ...................................................................................... 30
Abbildung 8: Finite-Elemente-Netz Modell Leipzig ................................................................................................... 33
Abbildung 9: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Leipzig ........................................................................ 34
Abbildung 10: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Leipzig ....................................................................................... 35
Abbildung 11: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Leipzig ........................................................................... 37
Abbildung 12: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Leipzig, Maßstab 1:2.500 ...................................... 40
Abbildung 13: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „wärmste“ Sonde, Leipzig ............... 41
Abbildung 14: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Leipzig ................ 42
Abbildung 15: Modellgebiete für das geologische Strukturmodell und die geothermische Modellierung .................. 44
Abbildung 16: Verbreitungsflächen unterschiedlicher geologischer Einheiten ........................................................... 46
Abbildung 17: Verwendeter Punktdatenbestand für die Interpolation, Beispiel Zeisigwald-Tuff ................................ 47
Abbildung 18: Modellierte Unterkanten verschiedener geologischer Einheiten in SURPAC ..................................... 48
Abbildung 19: Finite-Elemente-Netz des Modellgebiets Chemnitz ............................................................................ 49
Abbildung 20: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Chemnitz ..................................................................... 50
Abbildung 21: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Chemnitz ................................................................................... 51
Abbildung 22: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Chemnitz ....................................................................... 53
Abbildung 23: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Chemnitz, Maßstab 1:1250 ................................... 56
Abbildung 24: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „wärmste“ Sonde, Chemnitz ........... 57
Abbildung 25: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Chemnitz ............ 58
Abbildung 26: Finite-Elemente-Netz des Modellgebiets Dresden .............................................................................. 61
Abbildung 27: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Dresden ....................................................................... 62
Abbildung 28: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Dresden .................................................................................... 63
Abbildung 29: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Dresden ......................................................................... 65
Abbildung 30: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Dresden, Maßstab 1:2.500 .................................... 68
Abbildung 31: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre „wärmste“ Sonde, Dresden .............. 69
Abbildung 32: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Dresden .............. 70
Abbildung 33: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Leipzig ............................................................ 86
Abbildung 34: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Leipzig ........................................................... 87
Abbildung 35: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Leipzig ....................................................... 88
Abbildung 36: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz ......................................................... 89
Abbildung 37: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz ........................................................ 90
Abbildung 38: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz ................................................... 91
Abbildung 39: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Dresden .......................................................... 92
Abbildung 40: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Dresden ......................................................... 93
Abbildung 41: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Dresden ..................................................... 94

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 6
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Grundlastverteilung Heizen und Kühlen .............................................................................................. 11
Tabelle 2:
Spitzenlastverteilung Heizen und Kühlen ............................................................................................ 12
Tabelle 3:
Wesentliche Eigenschaften der recherchierten Sondentypen ............................................................ 19
Tabelle 4:
Wesentliche Eigenschaften der recherchierten Verfüllbaustoffe ......................................................... 21
Tabelle 5:
Zusammenfassung Kostenschätzung ................................................................................................. 26
Tabelle 6:
Übersicht zu den Temperaturmessungen ........................................................................................... 27
Tabelle 7:
Ermittelte Gradienten zu den Temperaturmessungen ........................................................................ 29
Tabelle 8:
Untergrundtemperaturen in unterschiedlichen Tiefenstufen ............................................................... 31
Tabelle 9:
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Leipzig .................................... 36
Tabelle 10:
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Leipzig ........................................ 38
Tabelle 11:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Leipzig .......................... 43
Tabelle 12:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Leipzig .......................... 43
Tabelle 13:
Normalprofil für den Modellstandort Chemnitz .................................................................................... 45
Tabelle 14:
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Chemnitz ................................ 52
Tabelle 15:
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Chemnitz .................................... 54
Tabelle 16:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Chemnitz ...................... 59
Tabelle 17:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Chemnitz ...................... 59
Tabelle 18:
Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Dresden ................................. 64
Tabelle 19:
Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Dresden ...................................... 66
Tabelle 20:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Dresden ........................ 71
Tabelle 21:
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Dresden ........................ 71
Tabelle 22:
Ansatz für betriebsgebundene Kosten ................................................................................................ 80
Tabelle 23:
Investitionskosten Erdwärme ............................................................................................................... 80
Tabelle 24:
Förderfähige Kosten Erdwärme ........................................................................................................... 81
Tabelle 25:
Investitionskosten Erdwärme abzüglich Förderung ............................................................................. 81
Tabelle 26:
Investitionskosten Erdwärme bezogen auf Nutzungsdauer von 20 Jahren ........................................ 81
Tabelle 27:
Kapitalgebundene Kosten für Wärmepumpenanlagen mit mitteltiefen Erdwärmesonden .................. 81
Tabelle 28: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden ......... 82
Tabelle 29: Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden .......... 82
Tabelle 30:
Investitionskosten Gasbrennwertkesselanlage ................................................................................... 83
Tabelle 31: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Gasbrennwertkesselanlage ....................................................... 83
Tabelle 32:
Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Gasbrennwertkesselanlage ....................................................... 83
Tabelle 33: Kapitalgebundene Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschine ....................................................... 83
Tabelle 34: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschinen .................................................. 84
Tabelle 35: Bedarfsgebundenen Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschinen ................................................. 84
Tabelle 36:
Investitionskosten Fernwärmeanschluss ............................................................................................. 85
Tabelle 37:
Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Fernwärmeanschluss ................................................................ 85
Tabelle 38: Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Fernwärme ................................................................................. 85

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 7
Abkürzungsverzeichnis
AG
Auftraggeber
AN
Auftragnehmer
BAFA
Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle
CMC
Carboxymethylcellulosen
DA
Außendurchmesser
E1
Elster 1
E1v
Elster 1 Vorschüttsedimente
E2
Elster 2
E2v
Elster 2 Vorschüttsedimente
EED
Earth Energy Designer
EEWärmeG
Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
EER
Energy Efficiency Ratio
EIV
Elektroimpulsverfahren
GOK
Geländeoberkante
HH
Hansestadt Hamburg
HHT
Höhere Hochterrasse
HMT
Höhere Mittelterrasse
HNT
Höhere Niederterrasse
HOAI
Honorarordnung für Architekten und Ingenieure
HYE
Hydrogeologische Einheit
JAZ
Jahresarbeitszahl
MHT
Mittlere Hochterrasse
PCD
Poly Cristalline Diamond
PE
Polyethylen
SAB
Sächsische Aufbaubank
SL
Spitzenlast
SOBA
Sächsisches Oberbergamt
TMT
Tiefere Mittelterrasse
TNT
Tiefere Niederterrasse
TRT
Thermal Response Test
UVP
Umweltverträglichkeitsprüfung

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 8
1 Zusammenfassung
Die Beheizung und Kühlung von Wohngebäuden, öffentlichen Gebäuden sowie von Gewerbe- und Industriebauten
durch oberflächennahe Geothermie (bis ca. 200 m Bohrtiefe) ist seit mehr als 10 Jahren Stand der Technik und
entsprechend weit verbreitet. Dagegen wurden mitteltiefe geothermische Systeme (Erdwärmesonden ab
ca. 300 … 400 m Tiefe) in Deutschland bisher praktisch kaum errichtet, obwohl sie aufgrund des geringen
Flächenbedarfs und der Möglichkeit zur Bereitstellung vergleichsweise hoher Heiz- und Kühllasten eine sehr
interessante Nutzungsform der Geothermie, unter anderem für Ballungsräume mit entsprechend geringer
Flächenverfügbarkeit darstellen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist, die Einsatzpotentiale mitteltiefer geothermischer Systeme im Sinne von
mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen für die sächsischen Ballungsräume Leipzig, Dresden und Chemnitz detailliert
zu untersuchen, Kostenvergleiche durchzuführen und Handlungsempfehlungen für potenzielle Projekte abzuleiten.
Dazu wurde unter Berücksichtigung stadtplanerischer und geologischer/geothermischer Aspekte sowie möglicher
Nutzungsrestriktionen je ein Musterstandort für vertiefende Untersuchungen in den genannten Großstädten
ausgewählt. Für jeden Musterstandort wurde anhand definierter gebäudetechnischer Randbedingungen eine
mitteltiefe Erdwärmesondenanlage vollständig geplant. Dies beinhaltete folgende Hauptschwerpunkte:
Bohr- und bautechnische Ausführung,
Dimensionierung der Sondenanlage mittels numerischer Modellierung einschließlich Ausweisung der Auswirkun-
gen auf die Umgebung,
Ausarbeitung eines geeigneten Monitoringkonzeptes,
überschlägige Kostenbetrachtung.
Im Zuge der Erarbeitung der technischen Konzeption sind kommerziell verfügbare Erdwärmesonden und Verfüllbaustoffe
für mitteltiefe Erdwärmesondenanlagen recherchiert und in ihren wesentlichen Eigenschaften verglichen worden. Die
Recherchen ergaben, die maximale Ausbautiefe im Forschungsvorhaben auf 350 m unter Gelände zu begrenzen. Als
wesentliche gebäudetechnische Anforderung wurde eine Heizarbeit von 480 MWh/a und eine Kühlarbeit von 160 MWh/a
angenommen. Die maximale Leistung beträgt dabei für Heizen und Kühlen je 200 kW.
Unter Berücksichtigung der geologisch-hydrogeologischen Verhältnisse wurden für die einzelnen Modellstandorte
Bohr- und Ausbaukonzepte
entwickelt.
Am Modellstandort Leipzig wird favorisiert, die ca. 80 m mächtigen Lockergesteinsablagerungen und das verwitterte
Festgestein mit einer temporär verrohrten Spülbohrung zu durchteufen. Anschließend soll im Festgestein, das in Form
proterozoischer Grauwacke angetroffen wird, auf Imlochhammerbohren umgestellt werden.
Am Modellstandort Chemnitz, an dem mächtige Rotliegendablagerungen angetroffen werden, wird davon ausgegangen,
die Bohrungen im Spülbohrverfahren nieder zu bringen. Für die geringmächtige Lockergesteinsbedeckung und den
Festgesteinszersatz sollte ein Durchteufen im verrohrten Trockenbohrverfahren durchgeführt werden.
Das erarbeitete Konzept für den Modellstandort Dresden besagt, dass zunächst das ca. 12 m mächtige Lockergestein
und die entfestigten Bereiche der Kreide im verrohrten Trockenbohrverfahren erbohrt werden sollten. Anschließend
können die Bohrungen bis zur Endtiefe im Imlochhammerbohrverfahren niedergebracht werden.
Die Kosten für die Errichtung der Bohrungen belaufen sich nach den durchgeführten Kostenschätzungen auf
ca. 1,1 - 1,2 Mio. € netto.
Die
Dimensionierung der mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen
an den jeweiligen Modellstandorten erfolgte
durch eine geothermische Modellierung mit dem Programm FEFLOW, welches sowohl die Wärmeleitung als auch
den Wärmetransport im Grundwasser betrachtet. Der geologisch-hydrogeologische Aufbau wurde in einem

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 9
geologischen Modell bis in eine Tiefe von 500 m unter Gelände abgebildet. Die geothermische Modellierung wurde
für jeden Musterstandort jeweils über einen Betrachtungszeitraum von 50 Jahren durchgeführt. Dabei sind als
Randbedingungen für die zulässigen Solemitteltemperaturen in den Erdwärmesonden an allen Modellstandorten -
0,5°C als untere Grenze sowie gebietsspezifische obere Grenzen zwischen 30,7°C und 31,3°C berücksichtigt
worden. Als maßgebend erwies sich aufgrund der heizlastigen energetischen Anforderungen an allen
Modellstandorten die untere Temperaturgrenze. Weiterhin sind für alle betrachtenden Modellgebiete thermische
Beeinflussungsbereiche (∆T≥0,1 K) im Untergrund beschrieben und abgebildet.
Im Ergebnis der geothermischen Modellierung wurden zur nachhaltigen Abdeckung der Heiz- und Kühllasten für die
Modellstandorte Leipzig und Dresden jeweils neun Erdwärmesonden à 350 m bzw. 3.150 Gesamtbohrmeter und für
den Modellstandort Chemnitz 11 Erdwärmesonden à 350 m bzw. 3.850 Gesamtbohrmeter ermittelt.
Für das
Monitoring mitteltiefer Erdwärmesondenanlagen
, dass im Hinblick auf die Optimierung des
Anlagenbetriebes durchgeführt werden sollte, sowie von Behörden zum Nachweis der Einhaltung
genehmigungsrechtlicher Vorgaben gefordert werden kann, wurde ein entsprechendes Konzept entwickelt. Darin
werden sowohl für das Anlagenmonitoring als auch das Umfeldmonitoring verschiedene Verfahren und
Möglichkeiten beschrieben. Abschließend werden Empfehlungen zum Umfang des Anlagenmonitorings
einschließlich Kostenschätzung gegeben.
Einen wichtigen Baustein innerhalb des Forschungsvorhabens stellen die durchgeführten
Kostenbetrachtungen
dar. Diese erfolgten in Anlehnung an VDI 2067, Blatt 1 (VDI, 2012). Dabei erfolgte der Kostenvergleich folgender
Systeme zur Gebäudeklimatisierung:
Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden,
Erdgas und Kompressionskälte,
Fernwärme und Kompressionskälte.
Für alle betrachteten Varianten der Gebäudeklimatisierung wurden spezifisch für die einzelnen Modellstandorte die
kapitalgebundenen, bedarfsgebundenen und betriebsgebundenen Kosten ermittelt und miteinander verglichen.
Um die Betrachtungen möglichst realistisch zu gestalten, wurden auch die zu erwartenden Planungskosten in die
Berechnungen einbezogen. Insgesamt ist für die Errichtung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage unter den
angesetzten Bedingungen mit Gesamtkosten von 1,4 - 1,5 Mio. € netto zu rechnen. Weiterhin wurden die
Kostenbetrachtungen unter Einbeziehung möglicher Fördermöglichkeiten durchgeführt. Gemäß (BAFA, 2020) sind ab
2020 unter den betrachteten Randbedingungen des Forschungsvorhabens 35 % der Gesamtinvestition förderfähig.
Aufbauend auf die ermittelten Kosten wurden auch Gestehungskosten ermittelt, die die anfallenden jährlichen Kosten
auf die erbrachte Heiz- und Kühlarbeit beziehen. Dabei zeigte sich, dass bei integrativer Betrachtung von Heizen und
Kühlen die mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen mit Gestehungskosten zwischen 6,43 ct/kWh bis 6,81 ct/kWh netto
an allen drei Standorten das wirtschaftlich günstigste System darstellen.
Die erzielten Ergebnisse geben Hinweise zur Variation der geologischen Verhältnisse innerhalb der Stadtgebiete von
Leipzig, Chemnitz und Dresden. Sie können zu einer ersten Grobabschätzung der geothermischen
Nutzungsmöglichkeiten für zukünftige Projekte in den sächsischen Ballungsräumen herangezogen werden.
Weiterhin wurden Möglichkeiten für eine Optimierung künftig zu planender Anlagen aufgezeigt. Diese betreffen vor allem
die energetischen Anforderungen im Verhältnis von Heiz- und Kühlarbeit. Zudem werden Anregungen zur Kombination
mit anderen erneuerbaren Energien sowie zum netzdienlichen Betrieb gegeben.
Ein entwickeltes Ablaufschema enthält zudem wesentliche Eckpunkte und Bearbeitungsschwerpunkte für die
zukünftige Realisierung mitteltiefer geothermischer Projekte in Sachsen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 10
2 Einleitung
2.1 Zielstellung
Mitteltiefe geothermische Systeme (Erdwärmesonden ab ca. 300 …
400 m Tiefe) dienen ebenso wie
oberflächennahe Erdwärmesonden der Bereitstellung von Wärme und ggf. Kälte für die Klimatisierung von
Gebäuden.
Ihr Einsatz stellt aufgrund des geringen Flächenbedarfs und der Möglichkeit der Bereitstellung vergleichsweise hoher
Heiz- und Kühllasten für urbane Räume eine sehr interessante Nutzungsform regenerativer Energie dar. Da bisher
in Sachsen jedoch keine entsprechenden Anlagen existieren und auch außerhalb Sachsens entsprechende
Musterprojekte weitgehend fehlen, liegen auch keine Erfahrungen zu Planung, Errichtung und Betrieb vor. Daraus
resultieren oft Vorbehalte bei Planern bzw. Bauträgern gegenüber dieser Form der Untergrundnutzung.
Im Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens sollen die Einsatzpotentiale mitteltiefer geothermischer
Systeme für die sächsischen Ballungsräume Leipzig, Dresden und Chemnitz detailliert untersucht und die
Ergebnisse im Rahmen eines Forschungsberichts dargestellt werden. Der Forschungsbericht soll als
Entscheidungshilfe für Behörden, Investoren und Fachplaner bei künftigen Vorhaben dienen.
2.2 Projektbeschreibung
In den sächsischen Ballungszentren Leipzig, Dresden und Chemnitz ist auch in den kommenden Jahren mit einer
intensiven Bautätigkeit (Bebauung von Baulücken bzw. Bestandssanierung) zu rechnen.
Für die genannten Regionen werden die Nutzungsmöglichkeiten mitteltiefer geothermischer Systeme exemplarisch
anhand von drei Musterstandorten untersucht. Dabei wird unter Berücksichtigung
der Stadtentwicklungskonzepte,
der Komplexität der geologisch/hydrogeologischen sowie geothermischen Verhältnisse und
möglicher Nutzungseinschränkungen und Beachtung der Erfordernisse des Grundwasserschutzes
je ein Musterstandort in den Städten Leipzig, Dresden und Chemnitz ausgewählt und im Rahmen des Vorhabens
vertieft untersucht.
Für jeden Musterstandort wird anhand definierter gebäudetechnischer Randbedingungen eine mitteltiefe
Erdwärmesondenanlage vollständig geplant. Dies beinhaltet unter anderem die im Folgenden aufgeführten Punkte:
bohr- und bautechnische Ausführung,
Dimensionierung der Anlage mittels numerischer Simulation einschließlich Ausweisung der Auswirkungen auf die
Umgebung,
Ausarbeitung eines geeigneten Monitoringkonzeptes,
überschlägige Kostenbetrachtung.
Weiterhin erfolgte eine Bewertung zu Einschränkungen bei der Übertragbarkeit der erzielten Ergebnisse auf das
jeweilige Stadtgebiet.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 11
Abschließend werden Optimierungsmöglichkeiten für künftige Projekte aufgezeigt und entsprechende
Handlungsempfehlungen abgeleitet.
Für die Untersuchungen im Rahmen des Forschungsvorhabens fanden folgende Randbedingungen des AG zu Heiz-
und Kühllasten Beachtung:
Heizleistung der Wärmepumpe: 200 kW,
Jährliche Vollbenutzungsstunden (Heizung/Warmwasser): 1800 h / 600 h,
Kühlleistung: 200 kW,
Jährliche Vollbenutzungsstunden (Kühlung): 800 h.
Dabei wird von der in der folgenden Tabelle angegebenen Heiz- und Kühlarbeit ausgegangen.
Tabelle 1: Grundlastverteilung Heizen und Kühlen
Monat
Heizbetrieb
kWh
%
Warmwasserbereitung
kWh
%
Kühlbetrieb
kWh
%
Januar
64.800
18
10.000
8,33
0
0
Februar
61.200
17
10.000
8,33
0
0
März
43.200
12
10.000
8,33
0
0
April
32.400
9
10.000
8,33
0
0
Mai
10.800
3
10.000
8,33
16.000
10
Juni
0
0
10.000
8,33
40.000
25
Juli
0
0
10.000
8,33
48.000
30
August
0
0
10.000
8,33
40.000
25
September
14.400
4
10.000
8,33
16.000
10
Oktober
32.400
9
10.000
8,33
0
0
November
43.200
12
10.000
8,33
0
0
Dezember
57.600
16
10.000
8,33
0
0
Summe
360.000 100
120.000 100
160.000 100
Für die in Tabelle 1 angegebenen Werte wird zur Ermittlung des Entzuges aus dem Untergrund pauschal von
folgenden Jahresarbeitszahlen (JAZ) ausgegangen:
JAZ Heizbetrieb: 4,5
JAZ Warmwasserbereitung: 3,5
JAZ Kühlung: passiv bis zur Fluidtemperatur von 18°C, danach aktive Kühlung (EER: 5,0).
Des Weiteren werden die in Tabelle 2 aufgeführten Spitzenlasten berücksichtigt. Darunter ist ein Zeitraum zu ver-
stehen, in dem die Wärmepumpe bei voller Leistung ununterbrochen läuft.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 12
Tabelle 2: Spitzenlastverteilung Heizen und Kühlen
Monat
Heizbetrieb
kW
h
Kühlbetrieb
kW
h
Januar
200
6
Februar
200
6
März
200
6
April
Mai
Juni
200
8
Juli
200
8
August
200
8
September
Oktober
November
Dezember
200
6
3 Auswahl der Modellstandorte
Die Auswahl der Modellstandorte in den drei zu betrachtenden sächsischen Ballungsräumen Leipzig, Dresden und
Chemnitz erfolgte im Zeitraum Dezember 2017 bis Februar 2018. Vom AG wurde nach der Anlaufberatung zum
Projekt, ein Informationsschreiben an die Umwelt-Bürgermeister der drei sächsischen Großstädte versendet. Darin
ist über die Ziele des Forschungsvorhabens informiert und um Unterstützung des AN bei der Auswahl der
Modellstandorte gebeten worden.
Bezugnehmend auf das Informationsschreiben wurden anschließend die zuständigen Bearbeiter in den
Stadtverwaltungen kontaktiert und Gesprächstermine im Januar 2018 vereinbart.
3.1 Modellstandort Leipzig
Der Termin im Amt für Umweltschutz der Stadt Leipzig fand am 09.01.2018 statt. Dabei wurde den anwesenden
Behördenmitarbeitern das Forschungsvorhaben kurz vorgestellt und anschließend über die Anforderungen an die
auszuweisenden Modellstandorte beraten. Im Ergebnis des Termins konnten von Seiten des Amtes für
Umweltschutz vier mögliche Betrachtungsgebiete vorgeschlagen werden, zu denen eine Abstimmung mit der
Stadtplanung erfolgte.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 13
Abbildung 1: Modellstandort Leipzig
Die Übergabe der abgestimmten Modellstandorte erfolgte am 24.01.2018. Die im Folgenden aufgeführten Standorte
wurden von der Stadt Leipzig als mögliche Modellstandorte vorgeschlagen. Zu jedem Standort wurden die darunter
aufgeführten Hinweise gegeben.
Gewerbegebiet Mockauer Straße
Das Gewerbegebiet erstreckt sich im Leipziger Norden, entlang der B2. Es befindet sich östlich der Bahnlinie und
wird im Norden von Kleingärten, im Osten durch Wohnbebauung und im Südosten durch ein Mischgebiet begrenzt.
Bereich Neue Messe
In diesem Bereich wäre die Realisierung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage durch einen Investor prinzipiell
denkbar.
Bayrischer Bahnhof
Für den Bereich am Bayrischen Bahnhof stehen die Planungen zur Energieversorgung noch sehr am Anfang. Die
Ergebnisse des Forschungsvorhabens könnten hier eventuell in die Planungen mit einfließen.
Die Stadt Leipzig gab keine Priorisierung hinsichtlich der übergebenen Modellstandorte vor. Die Abstimmung mit
dem AG ergab, dass als Modellstandort den Bereich der Neuen Messe auszuwählen ist. Im Zuge der Abstimmung
wurde zudem die Lage des Standortes der zu betrachtenden Modellanlage auf das Flurstück 400/3, Gemarkung
Seehausen im Bereich der Neuen Messe konkretisiert.
Für den festgelegten Modellstandort erfolgte anhand der sächsischen Landesgrundwasserdynamik, Stand 2016
(LfULG, 2019) die Abgrenzung des zu modellierenden Untersuchungsgebietes. Dieses wird im Weiteren als
Modellgebiet bezeichnet und ist in Abbildung 2 dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 14
Abbildung 2: Modellgebiet Leipzig
Der anstromige Rand des Modellgebiets befindet sich im Bereich einer Wasserscheide bei ca. 116,5 m NHN.
Der abstromige Rand des Modellgebiets wird durch die Grundwasserisohypse 115 m NHN festgelegt.
3.2 Modellstandort Chemnitz
Der Termin im Umweltamt der Stadt Chemnitz fand am 14.01.2018 statt. Nach einer kurzen Vorstellung des
Forschungsvorhabens wurden von den Teilnehmern mögliche Modellstandorte im Stadtgebiet Chemnitz diskutiert.
Im Ergebnis der Beratung wurden 4 mögliche Standorte vorausgewählt, für die eine weitergehende Überprüfung und
Abstimmung mit den beteiligten Behörden der Stadtverwaltung und externen Institutionen erfolgen sollte.
Die Übergabe der abgestimmten Modellstandorte erfolgte am 05.02.2018. Dabei konnten die nachfolgend
aufgeführten Standorte benannt werden.
1. Theaterstandort - Geplanter Standort für einen Theaterneubau durch die Stadt Chemnitz
2. Neubau eins energie - Standort für den Neubau des Firmensitzes der eins energie in sachsen GmbH & Co. KG
3. TU Chemnitz –Technocampus Süd
4. VW-Gelände - Standort des Motorenwerkes Chemnitz der Volkswagen Sachsen GmbH
Von Seiten der Stadt Chemnitz erfolgte die Angabe der Modellstandorte nach ihrer eingeschätzten Priorität. Dabei
wurde erklärt, dass für die Bearbeitung im Rahmen des Forschungsvorhabens der Theaterstandort favorisiert wird
und gleichzeitig um Rücksprache gebeten, falls die Auswahl auf einen anderen der benannten Standorte fallen sollte.
Die Begründung hierfür liegt hauptsächlich darin, dass die Stadt Chemnitz am geplanten Standort selbst als Bauherr
auftritt, und bei einer positiven Wirtschaftlichkeit der untersuchten Modellanlage eine Realisierung einer mitteltiefen
Erdwärmesondenanlage durchaus möglich ist. Nach Abstimmung mit dem AG wurde beschlossen, dem Wunsch der

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 15
Stadt Chemnitz zu entsprechen und der geplante Standort des Theaterneubaus im Stadtzentrum als Modellstandort
im Ballungsraum Chemnitz ausgewählt. Die Lage des Standortes ist aus Abbildung 3 ersichtlich.
Abbildung 3: Modellstandort Chemnitz
Das Modellgebiet wurde anhand der Grundwasserisohypsen der sächsischen Landesdynamik (LfULG, 2019) fest-
gelegt. Das abgegrenzte Modellgebiet ist in Abbildung 4 dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 16
Abbildung 4: Modellgebiet Chemnitz
Der oberstromige Modellrand wird durch die Grundwasserisohypse 293 m NHN und der unterstromige Modellrand
durch die Grundwasserisohypse 288 m NHN gebildet.

image
image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 17
3.3 Modellstandort Dresden
Die Auswahl des Modellstandortes für das Stadtgebiet Dresden wurde vom AG vorgenommen. Der Standort befindet
sich im Bereich der Nossener Brücke in der Dresdener Südvorstadt.
Abbildung 5: Modellstandort Dresden
Das Modellgebiet wurde anhand der Grundwasserisohypsen der sächsischen Landesdynamik (LfULG, 2019) fest-
gelegt. Das abgegrenzte Modellgebiet ist in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 6: Modellgebiet Dresden
Der anstromige Rand des Modellgebiets wird durch die Grundwasserisohypse 115 m NHN und der abstromige Rand
durch die Grundwasserisohypse 111 m NHN definiert.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 18
4 Technische Konzeption
4.1 Materialtechnische Konzeption
4.1.1 Einführung
Im Rahmen der Planung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage kommt der möglichst frühzeitigen Konzeption der
technischen Umsetzung eine entscheidende Rolle zu und erfolgt zumeist im Rahmen einer Machbarkeitsstudie.
Bedingt durch die im Vergleich zu oberflächennahen geothermischen Systemen deutlich höheren Bohrteufen und
entsprechend höheren auftretenden Drücken sind insbesondere bei Material/Bauart höhere Ansprüche zu stellen.
So kann die konzipierte Bohrteufe / Sondenlänge durchaus durch die am Markt verfügbaren Fabrikate beeinflusst
und ggf. sogar limitiert werden. Eine rechtzeitige, an den Einzelfall angepasste Materialwahl trägt folglich dazu bei,
diesbezügliche Umplanungen während fortgeschrittener Planungsphasen weitgehend zu vermeiden.
Auch im Hinblick auf die nachgelagerte, fachgerechte Dimensionierung der Erdwärmesondenanlage (siehe Kapitel 6)
ist die frühzeitige Festlegung der material- und bohrtechnische Konzeption von Bedeutung, da sie in den
entsprechenden Modellierungen als Randbedingungen beachtet werden müssen.
Im Vergleich zu den für oberflächennahe Erdwärmesondenanlagen üblichen Systemkomponenten (Sondentypen,
Verfüllbaustoffe) sind für den mitteltiefen Einsatzbereich größere Unterschiede hinsichtlich der am Markt verfügbaren
Fabrikate vorhanden, welche nachfolgend erläutert werden.
Die materialtechnische Konzeption enthält eine Recherche zu gegenwärtig am Markt verfügbaren Ausbaumaterialien
für geschlossene geothermische Entzugssysteme, die in einem Variantenvergleich betrachtet werden. Im Ergebnis
wird ein im Forschungsvorhaben weiter zu betrachtendes System erarbeitet und ein detailliertes Ausbaukonzept
erstellt.
4.1.2 Erdwärmesonden
Für die Nutzung von Geothermie über mitteltiefe geschlossene Entzugssysteme bieten sich prinzipiell Einfach- und
Doppel-U-Sonden sowie Koaxialsonden an.
Zu den gegenwärtig am Markt verfügbaren Sondenfabrikaten wurde eine entsprechende Recherche durchgeführt.
Gemäß Vorgabe des AG sollten dabei nur Standardfabrikate berücksichtigt werden und keine Sonderanfertigungen.
Im Ergebnis konnten vier unterschiedliche Doppel-U-Sonden ermittelt werden, die für den Einbau in mitteltiefe
Bohrungen bis 350 m potenziell geeignet sind. Fertig konfektionierte Koaxialsonden sind für die vorgesehene
Ausbautiefe derzeit nicht auf dem Markt verfügbar. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich der aufgeführten
Sondentypen keine Gewähr bezüglich der Vollständigkeit verfügbarer Produkte übernommen wird.
In der Zwischenberatung mit dem AG am 28.06.2018 wurde aufgrund der Ergebnisse der Recherche abgestimmt,
dass für das Forschungsvorhaben von einer maximalen Ausbautiefe von 350 m auszugehen ist.
Einen Vergleich der wichtigsten Eigenschaften der recherchierten Sonden enthält Tabelle 3.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 19
Tabelle 3: Wesentliche Eigenschaften der recherchierten Sondentypen
Eigenschaft
Sonde A
Sonde B
Sonde C
Sonde D
Bezeichnung
Jansen hipress
Jansen shark
Gerotherm flux
Gerotherm PN 20
Durchmesser (mm)
DA 42
DA 50
DA 43
DA 50
Sondentyp
Doppel-U
Doppel-U
Doppel-U
Doppel-U
Wanddicke (mm)
3,5
7,9
Variabel (3,5 bis 6,5)
5,6
Länge laut Anbieter (m)
bis 500
bis 500
bis 410
bis 550
Material / Aufbau
Mehrschicht PE-Metall
PE 100 - RC
PE 100 - RC
PE 100 - RC
Druckfestigkeit (bar)
35
30
32
20
Betriebstemperatur (°C)
-20 bis +40
-20 bis +40
-20 bis +40
-20 bis +40
Sondenfußdurchmesser
(mm)
128
k.A.
121
150
Masse Sondenfuß (kg)
40,0
40,0
k.A.
24,0
Druckverlust (bar)
1
0,86 - 1,19
0,96 - 1,33
0,97 - 1,36
0,53 - 0,73
Bohrlochwiderstand
(m*K/W)
2
0,0766
0,0994
0,0828
0,0867
1
bei Anlagendurchsatz 36 m³/h und 0 °C, Einbautiefe 350 m, Angaben für 9 - 11 Sonden
2
exemplarisch für den Standort Dresden
Die in Tabelle 3 aufgeführten Erdwärmesonden sind Doppel-U-Sonden, die sich hinsichtlich des Durchmessers,
des Materialaufbaues und der Druckfestigkeit unterscheiden.
Sonde A, mit einem Außendurchmesser des Sondenrohres von 42 mm weist einen Metallmehrschichtaufbau auf,
der sich durch eine in der Wandung befindliche Metallschicht auszeichnet. Diese führt bei einer Wandstärke von 3,5
mm zu einer höheren Druckbeständigkeit des Materials gegenüber einem klassischen PE-Rohr. Die Druckfestigkeit
des Rohres beträgt nach Herstellerangaben 35 bar. Des Weiteren verfügt Sonde A über einen metallarmierten
Sondenfuß.
Sonde B besitzt einen Außendurchmesser von 50 mm und ist aus PE-100 aufgebaut. Die Druckfestigkeit von 30 bar
resultiert aus der Wandstärke von 7,9 mm.
Sonde C besteht ebenfalls komplett aus PE-100. Sie weist bei einem konstanten Außendurchmesser von 43 mm eine mit
der Tiefe zunehmende Rohrstärke auf. Damit wird den in höheren Tiefen zunehmenden Druckbedingungen Rechnung
getragen. Die Sonde weist nach Herstellerangaben eine Druckbeständigkeit von 32 bar auf.
Sonde D mit einem Außendurchmesser von 50 mm wird aus PE-100 gefertigt. Aufgrund der geringeren Wandstärke
von 5,6 mm verfügt die Sonde über eine Druckfestigkeit von 20 bar.
Während die Sonden A bis C aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nur von einem Hersteller angefertigt werden,
ist Sonde D prinzipiell bei mehreren Herstellern baugleich im Angebot.
Der durch das Material vorgegebene Temperaturbereich für den Einsatz der Sonden liegt aufgrund der Verarbeitung
von klassischem PE-Rohr einheitlich bei -20 bis +40 °C.
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, liegen die vom Hersteller empfohlenen Einsatztiefen der Sonden bei 410 bis 500 m. Sonde
C mit einer Einsatztiefe von 410 m, wurde bis vor kurzem nur bis 320 m Länge produziert, aufgrund einer
kundenspezifischen Anfrage jedoch nun auch bis 410 m. Bei der Angabe der Einsatztiefen durch die Hersteller wird
allgemein davon ausgegangen, dass die in ein Bohrloch eingebaute Sonde mit der Verfüllung eine Einheit bildet, so dass
das Sondenmaterial nicht dem gesamten in der Tiefe herrschendem Druck standhalten muss. Obwohl dieser
Argumentation prinzipiell gefolgt werden kann, sollte auch in Betracht gezogen werden, dass während der Installation oder
des Betriebes der Erdwärmesonden das Auftreten höhere Drücke nicht generell ausgeschlossen werden kann. Daher

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 20
liegt bei geringerer eigener Druckfestigkeit der Sonden (im Vergleich zur Einbautiefe) eine kurz- oder langfristige
Überschreitung der herstellerseitig benannten Druckfestigkeit im Bereich des Möglichen.
In Tabelle 3 wird ebenfalls der zu erwartende Druckverlust für die Sonde unter den Einsatzbedingungen des For-
schungsprojektes ausgewiesen. Die Druckverluste sind dabei vor allem abgängig vom zur Verfügung stehenden
Durchflussquerschnitt, so dass bei Sonde D mit dem größten Innendurchmesser die geringsten Druckverluste er-
mittelt werden (bei sonst gleichen Randbedingungen wie Durchfluss und Viskosität des durchströmenden Medi-
ums).
Zudem enthält Tabelle 3 Angaben zum Bohrlochwiderstand, der exemplarisch für die Anlage am Standort Dresden
berechnet wurde. Da der Bohrlochwiderstand sich umgekehrt proportional zur Wanddicke verhält, weist Sonde A
mit 0,0766 (m.K/W) den geringsten Wert auf. Der höchste Wert wurde für Sonde B mit 0,0994 (m.K/W) ermittelt.
Für die weitere Betrachtung innerhalb des Forschungsprojekts wird unter Beachtung der durchgeführten Recherchen
für alle Modellstandorte einheitlich die Sonde A ausgewählt, da sie über die höchste Druckfestigkeit verfügt. Zudem
zeichnet sie sich durch den geringsten Bohrlochwiderstand aus, was in den durchgeführten Vergleichsrechnungen
zu ca. 1 K höheren Solemitteltemperaturen für den Heizfall und ca. 1,5 K geringeren Solemitteltemperauren für den
Kühlfall im Vergleich zu Sonde B führt.
Der Einbau der Sonde in das errichtete Bohrloch ist generell über eine Haspel vorzunehmen. Zwischen den
Sondenschenkeln wird dabei mittig mindestens ein Verfüllschlauch DA 32 mitgeführt. Aufgrund der hohen Bohrtiefe
sind in der Regel mehrere Verfüllschläuche notwendig.
Eine Kostenschätzung ist in Anlage 2in enthalten. Zwischen den einzelnen Sondentypen bestehen dabei keine
wesentlichen Unterschiede.
4.1.3 Verfüllmaterial
Die Abdichtung des Bohrloches mit einem Verfüllbaustoff dient dem thermischen Anschluss der Erdwärmesonde an
den Untergrund und schützt die Sonde gleichzeitig vor mechanischen Beanspruchungen. Zudem ist die vollständige
und fachgerechte Verfüllung des Bohrloches vor dem Hintergrund der Vermeidung hydraulischer Kurzschlüsse
zwischen natürlich getrennten Grundwasserleitern von fundamentaler Bedeutung. Daher ist die Auswahl eines
geeigneten Verfüllmaterials der zweite wesentliche Baustein eines geothermischen Ausbaukonzeptes.
Auf dem Markt sind prinzipiell verschiedene Verfüllbaustoffe unterschiedlicher Anbieter verfügbar. Da eine möglichst
optimale Nutzung der Erdwärme bei mitteltiefen Bohrungen eine entscheidende Rolle spielt, ist die Recherche auf
Verfüllbaustoffe mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit ≥ 2,0 W/m.K begrenzt worden. Des Weiteren wurde
berücksichtigt, ob Angaben/Nachweise zur Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit vorliegen.
Einen Überblick zu den wesentlichen Eigenschaften der recherchierten Baustoffe gibt Tabelle 2. Prinzipiell handelt
es sich bei allen Produkten um vorgemischte Trockenmörtel, die aus Hochofenzement und verschiedenen
Zuschlagsstoffen bestehen. Auf der Baustelle erfolgt das Anmischen durch Zugabe von Wasser.
Alle in Tabelle 4 aufgeführten Produkte sind nach den jeweiligen Herstellerangaben sulfatbeständig und weisen
eine Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit auf. Eine Überprüfung/Bewertung der diesen Angaben zugrundeliegenden
Prüfverfahren/-normen erfolgte im Rahmen der erfolgten Recherchen nicht. Analog zu den betrachteten Erdwärme-
sonden wird keine Gewähr auf die Vollständigkeit hinsichtlich der am Markt verfügbaren Produkte übernommen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 21
Tabelle 4: Wesentliche Eigenschaften der recherchierten Verfüllbaustoffe
Eigenschaft
Hersteller A
Hersteller B
Hersteller C
Hersteller D
Bezeichnung
ThermoCem
Füllbinder
Fischer
Calidutherm
Varianten
Plus
/
Plus
3.0
TC02 / TC04
EWM
EWMplus
Geosolid
240
Geosecure
-
Wärmeleitfähigkeit (W/m.K)
2,0
/
3,0
2,0 / 4,0
≥2,0
≥2,4
2,0
Suspensionsdichte (kg/m³)
1460
/
1500
1535 / 1683
1940
1900
1650
Marshzeit (s)
≥60
/
≥120
≥60 / k.A.
>70
69
k.A.
Verarbeitungszeit (h)
5
/
5
2 / 4
k.A.
k.A.
k.A.
Wasserdurchlässigkeit
(m/s)
≤1x10
-10
<5x10
-11
<10
-9
<5x10
-9
Druckfestigkeit (N/mm²)
6,0
/
11,2
11,7 / 19,1
12,0
>10,0
k.A.
magnetisch dotiert
nein
ja (EWMplus)
ja (Geosecure)
nein
Sulfatbeständigkeit
ja
ja
ja
ja
Frost – Tau – Wechsel -
Beständigkeit
ja
/
ja
k.A.
ja
ja
ja
Hersteller A bietet insgesamt vier unterschiedliche Verfüllbaustoffe mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit an, wobei die
mit „TC“ gekennzeichneten Produkte speziell für den Einsatz bei mitteltiefen bis tiefen geothermischen Bohrungen
konzipiert wurden. Sie zeichnen sich gegenüber den anderen aufgeführten Produkten des Herstellers durch eine
etwas höhere Suspensionsdichte und eine höhere Druckfestigkeit aus. Die angegebene Wasserdurchlässigkeit be-
zieht sich auf die „Plus“-Produkte des Herstellers und wird gemäß technischem Datenblatt auch nach Durchfros-
tungsversuch gemäß Hamburger Liste eingehalten (HH Umwelt 2017).
Die magnetische Dotierung der Verfüllbaustoffe dient der Kontrolle der Vollständigkeit des Verfüllvorganges und
kann prinzipiell auch während des Betriebes einer Erdwärmesonde zur Zustandskontrolle der Verfüllung
herangezogen werden. Die aufgeführten Produkte des Herstellers A sind nicht magnetisch dotiert. Der Hersteller gibt
jedoch an, dass eine magnetische Dotierung ebenfalls verfügbar ist.
Die Hersteller B und C bieten jeweils zwei Verfüllbaustoffe an, die sich lediglich hinsichtlich ihrer magnetischen
Dotierbarkeit unterscheiden. Die Produkteigenschaften der Verfüllbaustoffe sind prinzipiell mit denen von Hersteller
A gleichzusetzen. Lediglich die Suspensionsdichte liegt deutlich über den Werten des Herstellers A. Sie ist durch die
Verwendung von Quarzsand zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in den aufgeführten Produkten bedingt.
Hersteller D produziert ebenfalls ein prinzipiell qualitativ gleichwertiges Produkt, wenn gleich im technischen
Datenblatt weniger Angaben zu ermittelten laborativen Eigenschaften des Verfüllbaustoffes gemacht werden.
Insgesamt kann im Rahmen der durchgeführten Recherche festgestellt werden, dass alle recherchierten
Verfüllbaustoffe für die Verfüllung des Ringraumes geeignet sind. Da im Rahmen der modellhaften Untersuchungen
des Forschungsvorhabens ohnehin nur die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllbaustoffes von Relevanz ist, erscheint eine
konkrete Auswahl eines bestimmten Verfüllbaustoffes an dieser Stelle nicht erforderlich.
Für die geothermische Modellierung im Rahmen des Projektes wird die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllbaustoffes mit
2,0 W/m.K angesetzt.
Eine Kostenschätzung ist in Anlage 2 enthalten. Zwischen den einzelnen Verfüllbaustoffen bestehen dabei keine
wesentlichen Unterschiede.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 22
4.2 Bohrtechnische Konzeption
4.2.1 Einführung
Unter Berücksichtigung der geologischen Verhältnisse am Standort (vgl. dazu die jeweiligen standortspezifischen
Beschreibungen in Kapitel 6) wurde aufbauend auf das Ausbaukonzept für jeden Modellstandort eine bohrtechnische
Konzeption entwickelt. Analog den Ausführungen zum materialtechnischen Konzept (Kapitel 4.1.1) ist auch die
bohrtechnische Konzeption im Rahmen früher Planungsphasen anzustreben. Da die Bohrkosten einen erheblichen
Anteil an den Investitionskosten einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage haben, ist die Erarbeitung einer
entsprechend standort- bzw. maßnahmenbezogenen Planung zur Ausführung der Bohrarbeiten nicht nur vor dem
Hintergrund eines ungestörten Bauablaufs von Bedeutung. Ein fachlich durchdachtes Bohrkonzept (einschl. der
Diskussion verschiedener technischer Umsetzungsoptionen) trägt nicht zuletzt auch wesentlich zur wirtschaftlichen
Optimierung der Erschließungsarbeiten bei.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die bohrtechnische Planung eine diesbezüglich hohe
fachliche Kompetenz erfordert und folglich einem entsprechend erfahrenen Fachplaner übertragen werden sollte. Im
Idealfall ist anzustreben, die technische Konzeption und die Dimensionierung der Wärmequellenanlage
(Erdwärmesonden einschl. Bohr- und Ausbauarbeiten) aus einer Hand durch einen versierten Fachplaner erbringen
zu lassen. Eine Übertragung dieser Aufgaben auf fachfremde Planer (z.B. den Fachplaner der Gebäudetechnik) wird
aufgrund der oben beschriebenen Komplexität der technischen Anforderungen nicht empfohlen. Vielmehr ist eine
enge Kommunikation der verschiedenen Fachplaner des Heiz-/Kühlsystems von grundlegender Bedeutung.
Prinzipiell wurde bei der Erarbeitung der Bohrkonzeption darauf geachtet, den Bohrdurchmesser im Spannungsfeld
zwischen einzuhaltenden Rahmenbedingungen und Kosten möglichst optimal zu gestalten.
Wie bereits im Ausbaukonzept beschrieben, soll mit der jeweiligen Sonde ein Verfüllschlauch mittig ins Bohrloch
eingebaut werden. Der Verfüllschlauch dient in erster Linie der Verfüllung des Bohrloches, er wirkt jedoch gleichzeitig
als Abstandshalter zwischen den Sondenschenkeln. Für diese Ausbauvariante ergibt sich ein Ausbaudurchmesser
im Bereich der Sondenbündel von 116 mm.
Ein einziger Verfüllschlauch wird bei einer Bohrtiefe von 350 m nicht ausreichend sein, da der benötigte Druck von
der eingesetzten Verfülltechnik in der Regel nicht über die gesamte Bohrlochtiefe bereitgestellt werden kann. Zudem
ist im Hinblick auf die Dichte der Verfüllsuspension und die Druckfestigkeit der Erdwärmesonde vielfach eine
Bohrlochverfüllung in zwei oder mehr Stufen von Vorteil. Als realistisch werden unter Berücksichtigung der
Einbautiefe der Sonden und der Dichte sowie Viskosität der Verfüllsuspension ca. 150 m Verfülltiefe pro Schlauch
angesehen. Für die Verfüllung des restlichen Bohrlochs kann entweder ein Verpressgestänge eingesetzt werden
oder es werden zwei weitere Verfüllschläuche vorgesehen. Bei Verfüllung mit insgesamt drei Schläuchen ergibt sich
bei DA 25 der beiden zusätzlichen Verfüllschläuche ein Ausbaudurchmesser von 154 mm. Daraus resultiert bei mittig
eingebauter Sonde und 3 cm Ringraum ein Mindestbohrdurchmesser von 214 mm.
Als günstiger wird die Verfüllung mit Verpressgestänge erachtet, da dieses mit Sicherheit gezogen werden kann und
nicht bei der Ermittlung des Ausbaudurchmessers berücksichtigt werden muss. Hier ist für die Ermittlung des
Mindestbohrdurchmessers der Durchmesser des Sondenfußes entscheidend, der mit 128 mm über dem
Mindestdurchmesser des Sondenbündels von 116 mm liegt. Für die gewählte Sonde ergibt sich damit an allen
Modellstandorten ein Mindestbohrdurchmesser von 188 mm.
Bei der Auswahl und Dimensionierung der Verfüllschläuche bei mitteltiefen Sondenanlagen muss darauf geachtet
werden, dass die einzusetzende Verfülltechnik in der Lage ist, die notwendigen Drücke bereitzustellen. Dabei sind
u.a. die jeweilige Einbautiefe, sowie die Dichte/Viskosität der Verfüllsuspension zu beachten. Auch die Auflast im
Bohrloch (z.B. Bohrspülung mit definierter Dichte) ist zu beachten. Es ist prinzipiell der Einsatz entsprechend

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 23
leistungsfähiger Kolloidalmischer zu empfehlen, da diese auch eine gleichmäßige und vollständige Anmischung der
Baustoffe gewährleisten
Im Folgenden werden die auf die geologischen Verhältnisse abgestimmten Bohrkonzepte für die einzelnen Standorte
näher beschrieben.
4.2.2 Modellstandort Leipzig
Am Modellstandort Leipzig werden bis ca. 80 m unter Gelände unterschiedliche Lockergesteine angetroffen. Der
Übergangshorizont zur unterlagernden Grauwacke, die bis zur Endtiefe ansteht, kann kaolinitisch ausgebildet sein.
Das zu erwartende Vorprofil für den Standort ist in Anlage 3 dargestellt.
Aufgrund
der
anspruchsvollen
geologischen
Verhältnisse
am
Standort
(Festgestein
mit
mächtiger
Lockergesteinsüberdeckung) ist vorgesehen, die Bohrungen zwingend mit einer Doppelkopfanlage abzuteufen.
Dabei soll bis in den entfestigten Bereich des Festgesteines eine temporär verrohrte Spülbohrung mit einem
Bohrdurchmesser von 219 mm niedergebracht werden. Die Verrohrung wird als notwendig erachtet, da durch den
Zutritt der Bohrspülung bzw. von Grundwasser zum tonigen/kaolinitischen Verwitterungshorizont des Festgesteins
eine Volumenzunahme des Tons/Kaolins erfolgen kann, die zu einem Zuquellen des Bohrlochs führen könnte. Als
Bohrspülung ist ein Wasser-Bentonit-CMC-Gemisch vorgesehen. Nach Erreichen des standfesten Festgesteines
wird die Verrohrung abgesetzt.
Das Bohrgerät wird auf Imlochhammerbohren umgerüstet. Das Imlochhammerverfahren wird bevorzugt, da mit ihm
in hartem Festgestein der schnellste Bohrfortschritt erzielt werden kann. Zudem wird in der Grauwacke prinzipiell nur
eine geringe Wasserführung erwartet. Ausnahmen davon wären nur in hydraulisch wirksamen Kluft- und
Störungszonen zu erwarten.
Das Abteufen der Bohrung im Hammerbohrverfahren erfolgt mit einem Bohrdurchmesser von 198 mm bis zur
Endtiefe. Als Standard beim Hammerbohrverfahren ist der Einsatz von pneumatischen Hämmern etabliert. Diese
arbeiten mit einem Arbeitsdruck von 12 – 20 bar, einer Schlagfrequenz von ca. 30 Hertz und einer Rotation von 40 –
80 U/min. Der Austrag des Bohrkleins erfolgt mit dem Luftspülstrom innerhalb des Ringraumes. Die
Spülungsgeschwindigkeit beträgt 20 – 30 m/s. Bedingt durch die Kompression des Spülmediums werden ca. 50 %
der aufgewendeten Energie in Wärme umgewandelt und gehen für den Bohrantrieb verloren. Mit zunehmender Tiefe
und bei deutlichem (hier nicht erwartetem) Grundwasserandrang sind daher sehr leistungsstarke Kompressoren
erforderlich. Unabhängig davon wird der Bohrfortschritt / die Bohrgeschwindigkeit beim Einsatz pneumatischer
Hämmer mit der Tiefe abnehmen. Eine Alternative können daher unter Umständen hydraulische Hämmer sein, die
unter Punkt 4.2.5 näher beschrieben werden.
Als weitere Option kann im konkreten Einzelfall auch das Abteufen der Festgesteinsbohrung als Spülbohrung
(Rotarybohrung) geprüft werden. Dabei ist von einem geringeren Bohrfortschritt gegenüber dem Hammerbohren
auszugehen. Vorteile wären jedoch die größere Maßhaltigkeit der Bohrung sowie der Verzicht auf einen
Kompressoreinsatz.
Unabhängig vom gewählten Bohrverfahren ist beim Antreffen entfestigter Bereiche das Nachziehen der Verrohrung
bzw. eine Zementation der betreffenden Abschnitte in Betracht zu ziehen. Die genauen, jeweils geeigneten und
angemessenen Maßnahmen sind jedoch grundsätzlich (wie bei allen Bohrarbeiten) im Hinblick auf die konkreten
Standortverhältnisse einzelfallbezogen zu planen und umzusetzen.
Nach Erreichen der Endtiefe und Überprüfung durch Lotung erfolgt der Ausbau der Bohrung mit der Erdwärmesonde.
Die Sonde wird dazu im Vorfeld mit Wasser gefüllt und druckdicht verschlossen. Anschließend wird sie mit Hilfe einer
Haspel gemeinsam mit dem mittigen Verfüllschlauch ins Bohrloch eingebaut. Zur Führung kann am Sondenfuß ein
Gewicht angebracht werden.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 24
Die Verfüllung der Bohrung mit einem thermisch verbesserten Verfüllbaustoff erfolgt im Kontraktorverfahren von
unten nach oben. Für die Verfüllung wird zunächst der mittig eingebaute Verfüllschlauch genutzt, der dauerhaft im
Bohrloch verbleibt. Es ist davon auszugehen, dass die Abdichtung des Bohrlochs mit Hilfe dieses Verfüllschlauches
bis zu einer Tiefe von ca. 200 bis max. 150 m u. GOK möglich ist. Das restliche Bohrloch bis zur Geländeoberkante
wird mittels seitlich eingebautem Verpressgestänge abgedichtet. Dieses darf erst wieder gezogen werden, wenn die
Verfüllsuspension bis zur Geländeoberfläche angestiegen ist und die Dichte der austretenden Suspension sich nicht
von der der eingepumpten Suspension unterscheidet.
Die Druckprüfung der Sonde gemäß den geltenden Vorgaben nach VDI 4640 (VDI 2019) erfolgt unmittelbar nach
Abschluss der Verfüllarbeiten.
Das Ziehen der Schutzverrohrung ist ebenfalls in der VDI 4640 (VDI 2019) geregelt.
Das Bohr-und Ausbaukonzept für den Modellstandort Leipzig ist in Anlage 1 grafisch dargestellt.
4.2.3 Modellstandort Chemnitz
Am Modellstandort Chemnitz sind bis ca. 2 m unter Gelände holozäne Lockergesteinsablagerungen zu erwarten, die
bis zur Endtiefe von den Sedimentgesteinen des Rotliegenden unterlagert werden. Das voraussichtliche Bohrprofil
des Standortes ist in Anlage 3 dargestellt.
Es ist vorgesehen, die geringmächtigen Lockergesteine sowie die obersten entfestigten Bereiche des Rotliegenden
im Trockenbohrverfahren mit temporärer Verrohrung zu durchbohren. Der Bohrdurchmesser wird mit 219 bzw.
222 mm gewählt.
Anschließend erfolgt der Wechsel auf Spülbohrverfahren (Rotarybohren) mit Rollen- oder PCD-Meißel. Mit diesem
Verfahren wird bei den relativ weichen Sedimenten des Rotliegenden im Chemnitzer Becken ein größerer
Bohrfortschritt als beim Hammerbohren erzielt. Ein weiterer Vorteil des Spülbohrens besteht in der Stabilisierung der
Bohrlochwand durch die Auflast der Bohrspülung. Da die Bohrspülung im geschlossenen Kreislauf gefahren wird,
muss nur das ausgetragene Bohrgut und am Ende der Bohrarbeiten (ggf. zusätzlich auch zwischenzeitlich) die
Spülung entsorgt werden. Weiterhin wird beim Spülbohrverfahren kein Kompressor benötigt. Dies führt zu geringeren
Energiekosten.
Die Bohrung wird bis zur Endtiefe in einem Durchmesser von 198 mm niedergebracht. Als Bohrspülung wird ein
Wasser-Bentonit-CMC-Gemisch eingesetzt. Der CMC-Zusatz wird vor allem aufgrund der Toninhibierungswirkung
als sinnvoll erachtet. Darüber hinaus ergänzen sich CMC und Bentonit in ihren Wirkungen bei der Stabilisierung des
Bohrlochs.
Nach Erreichen der Endtiefe und Überprüfung durch Lotung erfolgen der Ausbau und die Verfüllung der Bohrung.
Der Ablauf entspricht der bereits für den Modellstandort Leipzig geschilderten Verfahrensweise.
Das Bohr-und Ausbaukonzept für den Modellstandort Chemnitz ist in Anlage 1 grafisch dargestellt.
4.2.4 Modellstandort Dresden
Bis ca. 12 m unter Gelände werden am Modellstandort Dresden überwiegend sandig-kiesige Lockergesteinsablagerungen
angetroffen, die bis ca. 85 m von kreidezeitlichen Festgesteinen und anschließend bis zur Endtiefe von den Monzoniten
des Meissner Massivs unterlagert werden. Das zu erwartende Vorprofil für den Modellstandort ist in Anlage 1 enthalten.
Es ist vorgesehen, die Lockergesteine sowie den entfestigten Bereich der Kreide verrohrt im Trockenbohrverfahren,
z.B. mit Schnecke zu durchteufen. Der Bohrdurchmesser wird unter Berücksichtigung der Verrohrung mit 219 mm
bzw. 222 mm gewählt. Das Trockenbohrverfahren stellt für diesen Bereich das effizienteste Bohrverfahren dar.
Zudem werden keine Spülung und kein Kompressor benötigt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 25
Anschließend wird zum Imlochhammerbohren gewechselt. Das Bohrverfahren wird gewählt, da von den ca. 340
Bohrmetern im Festgestein ca. 265 Bohrmeter durch die Meissner Monzonite verlaufen. In diesen ist beim
Hammerbohren mit dem größten Bohrfortschritt zu rechnen. Die Bohrung wird bis zur Endtiefe in einem
Bohrdurchmesser von 198 mm niedergebracht. Generell wird in den Monzoniten keine wesentliche Wasserführung
erwartet. Ausnahmen können auch hier hydraulisch wirksame Kluft- und Störungszonen darstellen. In der
vorliegenden Modellbetrachtung wird diesbezüglich von keiner wesentlichen Klüftung / Störung des
Gebirgsverbandes und entsprechend standfesten Bohrlöchern ausgegangen. Bei Auftreten von Nachfall / nicht
standfestem Gebirge ist einzelfallspezifisch über das Nachziehen der Verrohrung bzw. die Zementation der
betroffenen Bereiche zu entscheiden (siehe entsprechende Ausführungen zum Modellstandort Leipzig).
Nach Erreichen der Endtiefe und Überprüfung durch Lotung erfolgt der Ausbau und die Verfüllung der Bohrung. Der
Ablauf entspricht der bereits für den Modellstandort Leipzig geschilderten Verfahrensweise.
Das Bohr-und Ausbaukonzept für den Modellstandort Dresden ist in Anlage 1 grafisch dargestellt.
4.2.5 Innovative Bohrverfahren
Im Zuge der Erarbeitung der Bohrkonzepte wurde auch zu innovativen Bohrverfahren recherchiert.
Hydraulische Hämmer bzw. Druckwasserhämmer bei denen als Spülmedium Wasser eingesetzt wird, sind bereits
auf dem Markt verfügbar. Sie arbeiten mit einem Arbeitsdruck von 120 – 180 bar, einer Schlagfrequenz von ca. 70
Hertz und einer Rotation von 80 -150 U/min. Im Unterschied zu pneumatischen Hämmern wird mit einem
inkompressiblen Spülungsmedium gearbeitet. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Bohrspülung beträgt ca. 1 m/s. Da
der hydrostatische Druck der Spülung im Gestänge den Gebirgsdruck weitgehend kompensiert, ist auch mit
zunehmender Tiefe und bei hohem Grundwasserandrang kaum mit einer Abnahme der Bohrgeschwindigkeit zu
rechnen.
Weitere Vorteile beim Einsatz eines hydraulischen Hammers liegen in einer höheren Maßhaltigkeit der Bohrung und
einem geringeren Verbrauch an Betriebs- und Hilfsstoffen.
Ein Nachteil der hydraulischen Hämmer besteht darin, dass sie anfällig gegenüber abrasiven Stoffen in der
Spülflüssigkeit sind. Daraus folgt, dass entweder eine sehr aufwändige Aufbereitung der Bohrspülung auf
Klarwasserniveau oder eine permanente Frischwasserzufuhr und Entsorgung der austretenden Spülung erforderlich
ist.
Hierin wird der Hauptgrund für die bisher vergleichsweise geringe Verbreitung dieser Hämmer gesehen. Ein weiterer
Grund könnten die deutlich höheren Anschaffungskosten sein, die das 3-4-fache eines pneumatischen Hammers
betragen. Aufgrund dieser Faktoren ist hinsichtlich der hier durchgeführten Betrachtungen nicht zu erwarten, dass
der alternative Einsatz hydraulischer Hämmer eine effizientere bzw. wirtschaftlichere Alternative zu den erfolgten
bohrtechnischen Planungen darstellt.
Das Elektroimpulsverfahren (EIV), welches an der TU Dresden entwickelt wurde, benutzt zur Zerkleinerung von
festem Gestein Hochspannungsimpulse, die an der Bohrlochsole austreten. Es wurde entwickelt, um beim
Tiefbohren nach Erdöl und Erdgas, eine kostengünstigere Alternative zum Rotarybohren mit Rollen- oder PDC-
Meißel zu finden, welches in festen Gesteinen zu einem hohen Verschleiß an Bohrwerkzeugen führt. Im Ergebnis
der Entwicklungsarbeit soll ein komplettes Bohrsystem zur Verfügung stehen, das als modulare Einheit auf eine
konventionelle Bohranlage aufgesetzt wird. Der Bohrdurchmesser des derzeit vorhandenen Bohrsystems beträgt
311 mm. Das Bohrverfahren befindet sich derzeit in einer praktischen Erprobungsphase und steht noch nicht
kommerziell zur Verfügung.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 26
4.2.6 Kostenschätzung
Das für jeden Modellstandort aufgestellte Bohrkonzept wurde kostenmäßig untersetzt. Gemäß den Ergebnissen der
geothermischen Modellierung (vgl. Punkt 6), ist an den Standorten Leipzig und Dresden von insgesamt neun zu
errichtenden Erdwärmesonden bzw. am Standort Chemnitz von elf zu errichtenden Erdwärmesonden auszugehen.
Die auf dieser Basis erarbeiteten Kostenschätzungen sind in Anlage 2 enthalten. Nicht enthalten in der
Kostenschätzung sind Planungsleistungen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kostenschätzung nur eine
Orientierung für konkrete Bauvorhaben darstellen kann. Alle angegebenen Kosten sind Nettokosten.
Tabelle 5: Zusammenfassung Kostenschätzung
Modellstandort
Gesamtkosten
Preis pro Bohrmeter
Leipzig
1 094 650 €
348 €
Chemnitz
1 166 600 €
303 €
Dresden
1 132 900 €
360 €
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, liegen die Errichtungskosten für die konzipierten mitteltiefen Erdwärmesonden an
den Modellstandorten bei ca. 1,1 Mio. €. Dabei sind die Kosten am Modellstandort Chemnitz, an dem im Vergleich
zu den beiden anderen Standorten 2 Erdwärmesonden zusätzlich errichtet werden müssen, nur unwesentlich höher.
Der Grund hierfür ist im vorgesehenen Einsatz des Spülbohrens zu sehen, dass gegenüber dem Hammerbohren
Kostenvorteile aufweist. Dementsprechend sind die Kosten pro Bohrmeter am Standort Chemnitz mit 303 €/m am
geringsten, gefolgt von Leipzig mit 348 €/m und Dresden mit 360 €/m.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 27
5 Temperaturmessungen und Ableitung von
Temperaturprofilen
5.1 Temperaturmessungen
Die möglichst genaue Kenntnis der standortspezifischen Temperaturverhältnisse des Untergrundes stellt eine
wichtige Voraussetzung für die nachhaltige Dimensionierung geothermischer Wärmequellensysteme dar. Die
ungestörte Untergrundtemperatur am jeweiligen Anlagenstandort beschreibt dabei die Ausgangsverhältnisse, die
durch den Wärmeentzug bzw. auch die Wärmeeinspeisung entsprechend verändert werden.
Gemäß Leistungsbeschreibung des Forschungsvorhabens waren zur Ableitung belastbarer Werte für
Untergrundtemperaturen und geothermische Gradienten zur Komplettierung bereits vorliegender Daten ergänzende
Messungen von Temperaturprofilen an je zwei errichteten, noch nicht angeschlossenen Erdwärmesonden in den
Stadtgebieten der Modellstandorte durchzuführen.
Die Messungen wurden im Zeitraum Januar bis November 2018 durchgeführt. Dabei sind die Standorte der
Temperaturmessungen vom AG mitgeteilt bzw. mit ihm abgestimmt worden. Einen Überblick über die durchgeführten
Messungen gibt folgende Tabelle.
Tabelle 6: Übersicht zu den Temperaturmessungen
Messstandort
Sondenlänge
Entfernung zum
Modellstandort
Messdatum
mittlere Untergrundtempe-
ratur
Leipzig, Amselweg
69 m
1,7 km
29.10.2018
11,9 °C
Leipzig, Seehausener Allee
99 m
1,8 km
13.11.2018
11,7 °C-
Chemnitz, Max-Müller Straße
60 m
5,6 km
02.07.2018
10,5 °C
Grüna, Chemnitzer Straße
68 m
10,6 km
27.09.2018
9,6 °C
Dresden, Am Pfarrlehn
99 m
8,5 km
05.01.2018
10,4 °C
Dresden, Söbrigener Straße
120 m
13,0 km
17.08.2018
12,1 °C
Die an den Standorten gemessenen Temperaturprofile sind in Anlage 3 enthalten. Weiterhin enthält Anlage 3 das
zugehörige geologische Profil. Da die Bohrergebnisse noch nicht in die Datenbank des AG eingepflegt sind, entspre-
chen die Darstellungen bis auf den Standort Dresden, Am Pfarrlehn dem Erkenntnisstand eines Vorprofils. Vor dem
Hintergrund der vorliegenden Bearbeitung ist dies jedoch ausreichend.
Die Temperaturmessungen in Leipzig wurden mit ca. 1,7/1,8 km Entfernung relativ nahe am Modellstandort
durchgeführt. Sowohl der geologische Aufbau als auch die Bebauungsdichte sowie die Landschaftsverhältnisse
entsprechen prinzipiell dem Modellstandort.
Die gemessenen Profile am Standort Leipzig zeigen bis ca. 10 m Tiefe eine deutliche jahreszeitliche Beeinflussung.
Es folgt eine Übergangszone, die bis ca. 15 - 20 m u. GOK reicht. Anschließend werden bis ca. 50 m u. GOK
weitgehend gleichbleibende Temperaturen gemessen. Dies lässt auf eine Beeinflussung durch Grundwasser
schließen. Bis ca. 60 m u. GOK zeigt sich dann eine Temperaturzunahme, die mit bindigen Schichten korreliert. Im
Profil Seehausener Allee ergibt sich ab ca. 62 m u. GOK bis zur Endtiefe von 99 m u. GOK ein leichter geothermischer
Gradient von 0,5 K auf 37 m. Dagegen kann im Profil Amselweg bis zur Endtiefe von 69 m u. GOK kein
geothermischer Gradient abgeleitet werden.
Die Temperaturprofile in Chemnitz wurden in Entfernungen von 5,6 km bzw. 10,6 km vom Modellstandort
aufgenommen. Die Messung erfolgten an relativ weit entfernten Standorten, da im Messzeitraum keine näheren,
geeigneten bzw. nutzbaren Standorte vorhanden waren.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 28
Beide Messstandorte sind repräsentiert durch eine aufgelockerte Bebauung und einen höheren Grünflächenanteil.
Nach den geologischen Vorprofilen befinden sich beide Standorte im Chemnitzer Becken und weisen damit eine
vergleichbare Geologie zum Modellstandort auf. Die ermittelten Temperaturverhältnisse können somit
näherungsweise auch auf den Modellstandort übertragen werden. Aufgrund ihrer geringeren Tiefe enden sie
allerdings in den Ablagerungen der Leukersdorf-Formation oberhalb der Pyroklastite der Planitzformation.
Beide Temperaturprofile (vgl. Anlage 3) sind bis ca. 15 m durch den Gang der Oberflächentemperatur und die sich
anschließende Übergangszone beeinflusst. Anschließend sind bis ca. 35 m u. GOK gleichbleibende Temperaturen
zu verzeichnen. Ab 35 m u. GOK bis zur Endtiefe von 60 m bzw. 68 m u. GOK sind geothermische Gradienten
ableitbar. Dabei verläuft der Abstieg am Standort Grüna bei insgesamt geringerer Untergrundtemperatur mit 0,6 K
auf 33 m steiler als am Standort Max-Müller-Straße, wo der Gradient ca. 0,3 K auf 25 m beträgt.
Die Temperaturprofile in Dresden wurden in 8,5 km bzw. 13 km Entfernung vom Modellstandort an der Nossener
Brücke aufgenommen. Dabei befindet sich der Standort Am Pfarrlehn in einem Bereich mit komplett unterschiedlicher
Geologie im Vergleich zum Modellstandort, da er nördlich der Lausitzer Überschiebung liegt. Daher wird am Standort
unter anthropogenen Auffüllungen bis zur Endtiefe durchgängig Granodiorit angetroffen. Das Temperaturprofil dieses
Standortes erlaubt dadurch jedoch Rückschlüsse auf den geothermischen Gradienten im kristallinen Grundgebirge.
Dagegen weist der Standort in der Söbrigener Straße eine mit dem Modellstandort vergleichbare Geologie auf. Die
Bebauungsdichte ist an beiden Messorten im Vergleich zum Modellstandort deutlich geringer und durch einen
höheren Anteil an Grünflächen geprägt. Dadurch sind in den oberflächennahen Bereichen, die einen jahreszeitlichen
Gang aufweisen, im Vergleich zum innerstädtischen Modellstandort prinzipiell etwas geringere Temperaturen zu
erwarten.
Beide Temperaturprofile sind bis ca. 10 m u. GOK durch den jahreszeitlichen Einfluss geprägt. Anschließend folgen
an beiden Standorten Zonen, in denen kaum ein Temperaturanstieg erfolgt (neutrale Zone). Diese Zone reicht am
Standort Söbrigener Straße bis ca. 45 m u. GOK, am Standort in Hellerau bis ca. 66 m u. GOK. In der Regel ist ein
geringer Temperaturanstieg bis in die beschriebenen Tiefen an das Vorhandensein von Grundwasser geknüpft. Da
dies aufgrund der angetroffenen geologischen Verhältnisse jedoch ausgeschlossen werden kann, ist an beiden
Standorten von einer tief reichenden neutralen Zone auszugehen.
Anschließend ist bis zur Endtiefe an beiden Standorten ein geothermischer Gradient ableitbar. Dieser beträgt am
Standort Söbrigener Straße 2,5 K auf 75 m. Am Standort Hellerau ergibt sich ein Gradient von 1,0 K auf 34 m.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass an fast allen Standorten trotz der relativ geringen Bohrtiefen zwischen
60 m und 120 m geothermische Gradienten abgeleitet werden konnten. Sie sind in Tabelle 7 zusammengefasst und
zur besseren Vergleichbarkeit auf eine Tiefe von 100 m bezogen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 29
Tabelle 7: Ermittelte Gradienten zu den Temperaturmessungen
Messstandort
Sondenlänge
T-Gradient
(K/100 m)
Leipzig, Amselweg
69 m
-
Leipzig, Seehausener Allee
99 m
1,35
Chemnitz, Max-Müller .Straße
60 m
1,2
Grüna, Chemnitzer Straße
68 m
1,82
Dresden, Am Pfarrlehn
99 m.
2,94
Dresden, Söbrigener Straße
120 m
3,33
Mit den Temperaturmessungen konnte der diesbezügliche Kenntnisstand in den Bearbeitungsgebieten deutlich ver-
bessert und die für die Güte der nachfolgenden Modellrechnungen (vgl. Kapitel 6) essentielle Kenntnis der ungestör-
ten Untergrundtemperaturen/geothermischen Gradienten auf eine belastbarere Grundlage gestellt werden.
5.2 Ableitung von Temperaturprofilen für die Modell-
standorte
Die Ergebnisse der durchgeführten Temperaturmessungen wurden zusammen mit weiteren beim AG vorliegenden
Temperaturprofilen zur Ableitung und Modifizierung generalisierter Temperaturprofile an den einzelnen
Modellstandorten verwendet. Dabei wurden insbesondere auch die im Rahmen des Forschungsvorhabens zu den
sächsischen Gärtnereien aufgestellten Temperaturprofile berücksichtigt (LfULG, 2015).
Die abgeleiteten Temperaturtiefenprofile für die einzelnen Modellstandorte sind in Abbildung 7 grafisch dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 30
Abbildung 7: Temperaturtiefenprofile der Modellstandorte
Tabelle 8 enthält für die einzelnen Modellstandorte diskrete Untergrundtemperaturen für verschiedene Tiefenstufen,
die den in Abbildung 7 dargestellten Temperaturprofilen entsprechen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 31
Tabelle 8: Untergrundtemperaturen in unterschiedlichen Tiefenstufen
Tiefe (m u. GOK)
Modellstandort
Leipzig
Modellstandort
Chemnitz
Modellstandort
Dresden
0,1
11,3
9,4
10,8
25
11,7
10,0
11,3
50
12,1
10,6
11,8
75
12,5
11,2
12,3
100
12,9
11,9
12,8
125
13,3
12,5
13,3
150
13,7
13,1
13,8
175
14,1
13,7
14,3
200
14,5
14,4
14,8
225
14,9
15,0
15,3
250
15,3
15,6
15,8
275
15,7
16,2
16,3
300
16,1
16,9
16,8
325
16,5
17,5
17,3
350
16,9
18,1
17,8
375
17,3
18,7
18,3
400
17,7
19,3
18,8
425
18,1
20,0
19,3
450
18,5
20,6
19,8
500
19,3
21,8
20,8
Mittelwert
15,3
15,6
15,8
Mittelwert (0-350 m)
14,1
13,7
14,3
Wie aus Abbildung 7 ersichtlich ist, weisen die Temperaturtiefenprofile unterschiedliche geothermische Gradienten
auf. Das Modellgebiet Leipzig ist dabei durch den geringsten Anstieg gekennzeichnet. Er beträgt 1,6 K pro 100 m.
Damit ergeben sich in 500 m Tiefe folgende Untergrundtemperaturen:
Leipzig: 19,3 °C,
Chemnitz: 21,8 °C,
Dresden: 20,8 °C.
Diese Temperaturen werden bei der geothermischen Modellierung (vgl. Kapitel 6) am unteren Modellrand der
jeweiligen Modellgebiete als Randbedingungen berücksichtigt. Für den oberen Modellrand werden die jeweiligen
Temperaturen der Tiefenstufe 0,1 m aus Tabelle 8 als Randbedingung angesetzt. Die Temperaturen an den
betrachteten Modellstandorten verhalten sich dabei umgekehrt proportional zur Tiefenstufe 500 m. Für die einzelnen
Modellstandorte ergeben sich folgende Werte:
Leipzig: 11,3 °C,
Chemnitz: 9,4 °C,
Dresden: 10,8 °C.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 32
6 Geothermische Modellierung
Die geothermische Modellierung dient der genehmigungskonformen und nachhaltigen Dimensionierung von
mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen an den einzelnen Modellstandorten. Gleichzeitig können anhand der
Ergebnisse die Auswirkungen auf den Untergrund beschrieben werden.
Zur Durchführung der geothermischen Modellierung wurde die Software FEFLOW, Version 7.1 verwendet. Sie dient
der Simulation von Strömung und Wärmetransportprozessen in porösen und zerrütteten Medien auf Basis der
Finiten-Elemente-Methode. Mit ihr können auch die Prozesse innerhalb der Erdwärmesonden detailliert betrachtet
werden. Weiterhin erfolgt die Modellierung unter genauer Berücksichtigung des geologisch/ hydrogeologischen
Aufbaus am Standort. Hinsichtlich des Wärmetransportes können sowohl Wärmeleitung als auch Wärmetransport
mit dem Grundwasser berücksichtigt werden. Zudem erlaubt das Programm eine detaillierte Prognose der
räumlichen und zeitlichen Temperaturentwicklung innerhalb des Modellgebiets.
Die Modelle für die geothermische Modellierung der mitteltiefen Geothermieanlagen an den einzelnen
Modellstandorten wurden von der Geländeoberkante bis in 500 m Teufe aufgebaut. Dadurch wurde sichergestellt,
dass ein ausreichend großer Abstand zwischen der Unterkante der Erdwärmesonden und der Modellunterkante
besteht.
Zur ersten Abschätzung der im Modell zu berücksichtigenden Anzahl der Erdwärmesonden erfolgte für alle Standorte
eine Vordimensionierung mit dem analytischen Programm EED.
6.1 Modellstandort Leipzig
6.1.1 Geologischer Überblick
Am Modellstandort Leipzig werden bis ca. 80 m unter Gelände unterschiedliche Lockergesteine aus quartären und
tertiären Folgen angetroffen. Die Sedimente bestehen aus Sanden, Kiesen, Tonen und Schluffen. In den tertiären
Ablagerungen wird darüber hinaus auch Braunkohle angetroffen.
Im Lockergesteinskomplex sind zwischen ca. 20 – 40 m u. GOK ein quartärer Grundwasserleiter und zwischen
ca. 50-75 m ein tertiärer Grundwasserleiter ausgebildet. Beide Grundwasserleiter weisen gespannte
Druckverhältnisse auf. Unter dem Lockergestein folgt ab einer Tiefe von ca. 80 m u. GOK bis zur betrachteten
Endtiefe von 500 m u. GOK Grauwacke. Bedingt durch die große Mächtigkeit stellt diese geologische älteste Schicht
gleichzeitig auch das bedeutendste Element im Hinblick auf die geothermische Nutzung innerhalb des geologischen
Modells dar.
Die beschriebenen geologischen Verhältnisse sind in als Schichtenverzeichnis dargestellt.
6.1.2 Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell
Die Schichtdaten für den hydrogeologischen Modellaufbau im gesamten Modellgebiet Leipzig, die als
hydrogeologische Körper aus der Hydrogeologischen Kartierung 1:50.000 vorliegen, wurden Ende Juli 2018 durch
den AG übergeben. Dabei handelt es sich um x,y-Werte in einem 50 x 50 m-Raster mit angehängter
Tiefeninformation. Diese 3D-Daten wurden aufbereitet und in die firmeninterne Datenbankstruktur importiert. Aus
den vorhandenen Punktdaten konnte die Geländeoberkante für das Modellgebiet rekonstruiert werden. Weiterhin
wurden die übermittelten Punktdaten in die jeweiligen hydrogeologischen 3D-Modellkörper des Modellgebiets
überführt. Dafür ist für jede geologische Einheit die Verbreitungsfläche erzeugt und die Beziehung der Körper
untereinander hergestellt worden. Dies stellt eine Voraussetzung für die Erzeugung von 3D-Körpern und
Profilschnitten dar. Anlage 2 enthält eine Übersicht über alle im Strukturmodell berücksichtigten hydrogeologischen

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 33
Körper. Im folgenden Bearbeitungsschritt wurde das Strukturmodell in ein hydrogeologisches Modell überführt. Dazu
ist ein Konzept für die geeignete Datenübernahme in FEFLOW entwickelt worden.
6.1.3 Supermesh-Design und Finite Elemente Netz
Das sogenannte Supermesh in FEFLOW bildet den Rahmen für die Erzeugung eines Finite-Elemente-Netzes und
die Grundlage für den weiteren Modellaufbau. Es enthält die entscheidenden geometrischen Informationen des Mo-
dellgebiets, wie Gewässer, geologische Verbreitungsgrenzen, Brunnen oder Erdwärmesonden. Diese Elemente
üben einen verstärkten Einfluss auf die Grundwasser- und/oder Transportverhältnisse aus und werden später durch
Setzen von Randbedingungen und Parameterzuweisungen genauer definiert. Der Algorithmus zur Netzbildung be-
rücksichtigt diese Supermesh-Elemente und verfeinert das Netz in diesen Bereichen. Ein Supermesh kann aus einer
beliebigen Anzahl von Polygonen, Linien und Punkten bestehen. Als Polygonelement dient bei der Generierung des
Supermeshs der Umriss des Modellgebietes. Weiterhin werden die Verbreitungslinien aller Modellkörper berücksich-
tigt, um einen lückenlosen Anschluss und eine genaue Diskretisierung entlang der Grenzen zwischen einzelnen
Körpern zu gewährleisten. Die Standorte der Erdwärmesonden sind durch Punkte im Supermesh repräsentiert.
Durch die Berücksichtigung im Supermesh werden bei der anschließenden Netzbildung die Knoten des Finite-Ele-
mente-Netzes genau auf die Standorte der Erdwärmesonde gelegt. Dadurch kann eine exakte Berücksichtigung der
Erdwärmesonden am gewünschten Standort erfolgen. Unter Berücksichtigung der beim Supermesh-Design festge-
legten Punkt- und Flächenelemente, der Anzahl zu erzeugender finiter Elemente sowie der Festlegung des Algorith-
mus der Netzbildung (Dreiecksvermaschung) wurde anschließend ein Finite-Elemente-Netz erzeugt. Im Bereich der
Erdwärmesonden ist das Netz feiner diskretisiert worden. Weitere Netzverfeinerungen ergaben sich an den Grenzen
von Modellkörpern. Dies wird aus Abbildung 8 deutlich, die das Netz für das Modellgebiet Leipzig zeigt.
Abbildung 8: Finite-Elemente-Netz Modell Leipzig mit Verdichtung entlang von Supermesh-Elementen

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 34
Der Bereich des Sondenfeldes zeichnet sich durch eine besonders hohe Netzdichte aus. Er ist durch die rote
Markierung in Abbildung 8 hervorgehoben.
6.1.4 3D-Modellaufbau
Der 3D-Modellaufbau beginnt mit der Konstruktion der Geländeoberkante aus dem zur Verfügung gestellten digitalen
Geländemodell. Abbildung 9 enthält die entsprechende Darstellung für das Modellgebiet Leipzig.
Abbildung 9: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Leipzig (Legendenangaben in m NHN)
Ausgehend von den vorliegenden geologischen Daten und dem daraus entwickelten hydrogeologischen Strukturmo-
dell wurde im nächsten Schritt der 3D-Modellaufbau/Schichtaufbau in FEFLOW durchgeführt. Das hydrogeologische
Modell setzt sich aus den geologischen Einheiten des Modellgebiets zusammen.
Für die Bildung der Layerober- bzw. -unterkanten wurden die aufbereiteten Modelldaten aus der firmeninternen
Datenbank verwendet. Dafür ist für das Modellgebiet die Modelloberkante sowie die Unterkanten jedes
hydrogeologischen Körpers exportiert und als Excel-File (x,y,z-Werte) gespeichert worden. Die Excel-Files konnten
im folgenden Schritt in FEFLOW eingelesen werden. Über diese Verknüpfung kann den Modellschichten die exakte
Modellgeometrie aus dem hydrogeologischen Strukturmodell zugewiesen werden.
Für den beschriebenen Modellaufbau ist zu beachten, dass bei der realisierten Herangehensweise jede
Modellschicht über das gesamte Modellgebiet ausgehalten werden muss. Wenn eine geologische Einheit in der
Realität auskeilt und nicht überall im Modellgebiet verbreitet ist, wird der entsprechende Bereich, in dem diese Einheit

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 35
in der Realität nicht auftritt, im Modell mit einer Mindestmächtigkeit von 0,1 m und den Eigenschaften der dort
verbreiteten hydrogeologischen Einheit belegt.
Im Anschluss wurden im Bereich mächtiger hydrogeologischer Einheiten, wie z.B. dem Festgestein Hilfsschichten
eingezogen. Diese dienen der Erhöhung des Detailierungsgrades und führen zu einer verbesserten Modell-
genauigkeit. Das im FEFLOW aufgebaute 3D-Modell ist in Abbildung 10 visualisiert. Es verfügt über insgesamt 52
Schichten.
Abbildung 10: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Leipzig
6.1.5 Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten
Zur Zuweisung der hydrogeologischen Parameter wurden zunächst alle im Modellgebiet vorhandenen
hydrogeologischen Einheiten in einer Tabelle erfasst.
Anschließend erfolgte die Parametrisierung. Für die hydrogeologischen Eigenschaften Durchlässigkeit und Porosität
wurde zunächst auf die in den Datenbanken des AG gespeicherten Angaben zurückgegriffen. Hier liegen v.a. Werte
für die Durchlässigkeit vor. Die Parametrisierung für die Porosität erfolgte anhand der vorliegenden lithologischen
Beschreibungen auf Basis von Erfahrungswerten. Berücksichtigung fanden weiterhin die Daten des
Forschungsprojektes zum Einsatz von Geothermie in sächsischen Gärtnereibetrieben (LfULG, 2015). Für den
Modellstandort Leipzig konnten weiterhin auch die Ergebnisse der geothermischen 3D-Modellierung für das
Bauvorhaben der SAB berücksichtigt werden (HGC, 2017).
In

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 36
Tabelle 9 sind die bei der Modellierung verwendeten Parameter für das Modellgebiet Leipzig aufgeführt.
Tabelle 9: Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Leipzig
HGK
Layer
Lithologische Beschreibung
kf-Wert (m/s)
Nutzbare Porosität
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
1,0E-06
0,20
1
Nach- bis Vorschüttbildungen
Sand, Kies
5,0E-03
0,22
2
Grundmoräne S2 (Breitenfelder
Vorstoß)
Geschiebemergel und –lehm
1,0E-06
0,05
3
Grundmoräne S2 (Bruckdorfer
Vorstoß)
Geschiebemergel und –lehm
1,0E-08
0,05
4
Drenthe-Stadium
Sand, Kies
1,0E-04
0,15
5
Grundmoräne S1
Geschiebemergel und –lehm
1,0E-08
0,05
6
Tiefere Mittelterrasse
Sand, Kies
1,0E-04
0,15
7
Nachschüttsedimente
undifferenziert, E2
Sand, Kies, Schluff, Ton
1,0E-04
0,15
8
Bitterfelder Decktonkomplex
Ton, Schluff, Sand, Kies, Braunkohle
1,0E-06
0,05
9
Flözkomplex Bitterfeld
Sand, Kies, Schluff, Ton, Braunkohle
1,0E-05
0,10
10
Cottbus-Formation
Sand, wenig Braunkohle
1,0E-04
0,15
11
Rupelschluff,
Muschelschluff,
Septarienton
Schluff, Ton, Sand
1,0E-06
0,05
12
Flöz 4 (Gröbers)
Braunkohle
1,0E-06
0,05
13
Liegendes Flözkomplex 4
Sand, Schluff
5,0E-04
0,15
14
Klastische Folgen (Molasse)
Konglomerat, Sandstein, Schieferton
5,0E-04
0,05
15
Grauwacke
Grauwacke, untergeordnet, Pelitlagen
5,0E-08
0,05
Bei der richtungsabhängigen Parametrisierung der Durchlässigkeit wurde davon ausgegangen, dass der kf-Wert in
vertikaler Richtung 50 % des horizontalen Wertes beträgt.
Die Umsetzung der Parameterbelegung in FEFLOW ist für die Durchlässigkeit in x- Richtung in Abbildung 11
dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 37
Abbildung 11: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Leipzig
6.1.6 Hydrogeologische Randbedingungen
Für die Durchführung der geothermischen Modellierung sind eine Reihe von Randbedingungen zu definieren.
Als hydrogeologische bzw. hydraulische Randbedingungen fungieren der an- und abstromige Rand des
Modellgebietes, welche anhand der Grundwasserisohypsen aus der sächsischen Landesgrundwasserdynamik 2016
(LfULG 2019) abgegrenzt wurden. Im Modellgebiet Leipzig liegt der anstromige Rand im Bereich einer
Wasserscheide bei ca. 116,5 m HN. Der abstromige Rand des Modellgebiets wird durch die Grundwasserisohypse
115 m HN festgelegt. Daraus resultiert ein Grundwasserfließgefälle von ca. 1 ‰.
Die jeweiligen Wasserstände wurden in den grundwasserführenden Lockergesteinen als Randbedingungen erster
Art berücksichtigt.
6.1.7 Geothermische Eigenschaften der Modellschichten
Die Ableitung der Werte für die geothermischen Parameter spezifische Wärmeleitfähigkeit und spezifische
Wärmekapazität erfolgte in Analogie zu den hydrogeologischen Eigenschaften für alle definierten hydrogeologischen
Einheiten des Modellgebiets. Dabei wurden die beim AG vorliegenden Ergebnisse aus geophysikalischen
Testarbeiten an geothermischen Bohrungen, das bereits erwähnte Forschungsprojekt zur Nutzung von Geothermie
in sächsischen Gärtnereien (LfULG, 2015) sowie ergänzend die Ergebnisse eigener durchgeführter Testarbeiten
genutzt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 38
Tabelle 10: Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Leipzig
HGK
Layer
Lithologische
Beschreibung
Spezifische Wärmeleit-
fähigkeit (W/m*K)
Spezifische Wärmeka-
pazität (MJ/m³*K)
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
0,3
1,6
1
Nach- bis Vorschüttbildungen
Sand, Kies
0,4
1,4
2
Grundmoräne S2 (Breitenfelder
Vorstoß)
Geschiebemergel und
-lehm
0,5
1,5
3
Grundmoräne S2 (Bruckdorfer
Vorstoß)
Geschiebemergel
und
–lehm
1,45
1,5
4
Drenthe-Stadium
Sand, Kies
2,4
2,5
5
Grundmoräne S1
Geschiebemergel
und
–lehm
2,4
2,5
6
Tiefere Mittelterrasse
Sand, Kies
2,4
2,5
7
Nachschüttsedimente
undifferenziert, E2
Sand, Kies, Schluff, Ton
2,0
2,45
8
Bitterfelder Decktonkomplex
Ton,
Schluff,
Sand,
Kies,
Braunkohle
1,7
2,4
9
Flözkomplex Bitterfeld
Sand,
Kies,
Schluff,
Ton,
Braunkohle
2,0
2,45
10
Cottbus-Formation
Sand, wenig Braunkohle
2,4
2,4
11
Rupelschluff,
Muschelschluff,
Septarienton
Schluff, Ton, Sand
1,7
2,4
12
Flöz 4 (Gröbers)
Braunkohle
0,6
1,8
13
Liegendes Flözkomplex 4
Sand, Schluff
2,0
2,5
14
Klastische Folgen (Molasse)
Konglomerat,
Sandstein,
Schieferton
2,3
2,2
15
Grauwacke
Grauwacke,
untergeordnet,
Pelitlagen
2,6
2,2
Bei der geothermischen Modellierung in FEFLOW ist die Eingabe der spezifischen Wärmeleifähigkeit und der spezi-
fischen Wärmekapazität getrennt nach Feststoff und Fluid erforderlich. Für das Fluid Wasser wird dabei generell eine
spezifische Wärmeleitfähigkeit von 0,65 W/m.K und eine spezifische Wärmekapazität von 4,2 MJ/m³.K angesetzt.
Die Umrechnung der in Tabelle 10 angegebenen Werte erfolgt über die nutzbare Porosität.
6.1.8 Geothermische Randbedingungen
Die Ableitung der Temperaturrandbedingungen ist in Abschnitt 5.2 ausführlich beschrieben worden. Für das
Modellgebiet Leipzig wurde gemäß Tabelle 8 an der Modellunterkante eine Temperatur von 19,3 °C angesetzt. An
der Modelloberkante sind 11,3 °C angesetzt worden. Beide Werte fanden als Randbedingungen 1. Art
Berücksichtigung.
Weiterhin sind als Voraussetzung für die geothermische Modellierung Temperaturrandbedingungen zu definieren,
die beim Betrieb der Erdwärmesonden sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall nicht unter- bzw. überschritten werden
dürfen. Nach Abstimmung mit dem AG wurden dabei folgende Werte angesetzt:
Heizen:
Gemäß LfULG, 2014 „Erdwärmesonden: Informationsbroschüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie in
Sachsen“ sollte eine absolute Minimaltemperatur von -3 °C nicht unterschritten werden. Unter Berücksichtigung
dieser Empfehlung resultiert daraus bei einer angesetzten Spreizung von 5 K eine minimale Solemitteltemperatur
von -0,5°C.
Kühlen

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 39
Gemäß VDI 4640, Blatt 2 (VDI, 2001) ist im Grundlastfall eine Temperaturerhöhung von 11 K gegenüber ungestörter
Untergrundtemperatur und im Spitzenlastfall von 17 K zulässig. Da zum Zeitpunkt der Modellrechnungen die VDI
4640, Teil 2 – Stand 2019 noch nicht vorlag, erfolgte die Festlegung der maximal zulässigen Temperaturen unter
Bezugnahme auf die damals gültige Fassung der VDI 4640, Teil 2. Dies gilt für die durchgeführten Modellrechnungen
an allen drei Standorten.
Die ungestörte Untergrundtemperatur über die Sondenlänge beträgt im Modellgebiet Leipzig gemäß Tabelle 8
14,1°C. Damit ergeben sich folgende Werte:
Grundlast: 14,1°C + 11 K
25,1°C
Spitzenlast: 14,1°C + 17 K
31,1°C
6.1.9 Wärmeentzug/ Wärmeeintrag
Die Erdwärmesonden wurden als innere Randbedingung BHE (Borehole Heat Exchanger) berücksichtigt, die die
reale Geometrie einer Erdwärmesonde zu einem Linienelement abstrahiert. Die Lösung der innerhalb der
Erdwärmesonde ablaufenden Prozesse beruht dabei auf dem analytischen Ansatz nach Eskilson, der z.B. auch im
analytischen Softwareprodukt EED Verwendung findet.
Bei der geothermischen Modellierung werden dabei der vorgesehene Bohrdurchmesser, Geometrie und Material der
Erdwärmsonde, die spezifischen Eigenschaften des Sondenfluids (Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität)
sowie die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials gemäß beschriebenem Bohrkonzept aus Abschnitt 4.2.2
berücksichtigt.
Der Durchsatz durch die Sondenanlage entspricht dem angegebenen Wärmequellendurchsatz einer exemplarisch
ausgewählten Wärmepumpe (Novellan SIP 100 H). Für 200 kW werden dabei zwei Wärmepumpen mit einem
Durchsatz von je 18 m³/h, also insgesamt 36 m³/h benötigt.
Damit ergibt sich bei insgesamt neun Erdwärmesonden pro Erdwärmesonde ein Durchsatz von 4,0 m³/h.
Für den sondenspezifischen Wärmeentzug bzw. Wärmeeintrag wurde die durch den AG vorgegebene Energetik
unter Berücksichtigung der benannten Jahresarbeitszahlen angesetzt: Für die Kühlung wurde dabei in der Grundlast
von freier Kühlung, in der Spitzenlast von aktiver Kühlung ausgegangen. Die Umsetzung der Spitzenlasten erfolgte
durch eine Verfeinerung der Zeitschrittweite in den betreffenden Monaten. Die Lastspitzen wurden dabei jeweils zur
Monatsmitte angesetzt. Die in FEFLOW eingelesenen Entzugs- und Eintragsfunktionen sind in Anlage 5 enthalten.
6.1.10 Durchführung der Modellierung
Vor der Implementierung der Erdwärmesonden in das Modell wurde unter Berücksichtigung der beschriebenen
Temperaturrandbedingungen zunächst ein stationäres „Leermodell“ zur Ermittlung der Ausgangswerte der
Temperaturverteilung gerechnet. Die anschließende geothermische Modellierung erfolgte über einen Zeitraum von
50 Jahren.
Für alle simulierten Varianten erfolgte der Modellstart im Januar des 1. Jahres und endete im Dezember des
50. Jahres. Sowohl die Grundwasserströmung als auch der Wärmetransport wurden instationär berechnet.
Auf eine vorherige Kalibrierung des Strömungsmodells konnte verzichtet werden, da die Grundwasserströmung über
die gesetzten Randbedingungen am ober- und unterstromigen Modellrand abgebildet wurden, und durch die
Erdwärmesonden selbst keine Beeinflussung der Grundwasserströmungsverhältnisse erfolgt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 40
6.1.11 Modellergebnisse
Das Resultat mehrerer Simulationen, bei denen die Anzahl der Erdwärmesonden variiert wurde, ergab, dass neun
Sonden à 350 m ausreichend zur Abdeckung der definierten Lasten sind.
Abbildung 12: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Leipzig, Maßstab 1:2.500
Die Lage der Sonden, die untereinander einen Abstand von 15 m aufweisen, ist aus Abbildung 12 ersichtlich. Die
Sonden wurden an allen Modellstandorten nah an der Grundstücksgrenze positioniert. Hier lag die Annahme
zugrunde, dass im urbanen Raum bei Neubebauung vorhandener Grundstücke eine effiziente Ausnutzung des
Grundstückes erfolgt. Sowohl hinsichtlich der endgültigen Nutzung, z.B. bei Tiefgaragen als auch hinsichtlich des
Bauablaufs, beispielsweis durch die Lage von Sonden in der Baugrube ergeben sich dabei zahlreiche
Wechselwirkungen mit der Geothermienutzung. Diese werden durch eine Positionierung der Sonden außerhalb der
Baugrube und nah an der Grundstücksgrenze wesentlich minimiert.
Ein wesentliches Modellergebnis stellt die Entwicklung der Soletemperaturen in den Erdwärmesonden über den
Modellierungszeitraum dar.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 41
Abbildung 13: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „wärmste“ Sonde, Modellge-
biet Leipzig
In Abbildung 13 ist exemplarisch der Temperaturverlauf für die „wärmste“ Sonde des Sondenfeldes dargestellt.
Da die abzudeckenden energetischen Anforderungen deutlich heizlastig sind, nehmen die prognostizierten
Soletemperaturen über die Betrachtungsdauer kontinuierlich ab. Für die wärmste Sonde ist nach 50 Jahren eine
minimale Solemitteltemperaur von 2,7 °C zu erwarten.
Die maximalen Solemitteltemperaturen bei sommerlicher Kühlung werden in den Anfangsjahren erzielt. Sie nehmen
aufgrund der fortschreitenden Auskühlung des Untergrundes über den Betrachtungszeitraum ebenfalls ab. Als
Maximalwert werden 21,3 °C erreicht.
Abbildung 14 zeigt als Pendant den Temperaturverlauf für die „kälteste“ Sonde des Modellgebiets Leipzig. Für sie
wird nach 50 Jahren eine minimale Solemitteltemperatur von -0,1 °C prognostiziert. Der Maximalwert infolge Kühlung
beträgt für diese Sonde 22,7 °C.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Temperatur (°C)
Zeit (h)
Sonde c

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 42
Abbildung 14: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Modellge-
biet Leipzig
Zur Darstellung der Auswirkungen auf den Untergrund wurden Karten mit den Beeinflussungsbereichen erstellt.
Dabei sind in Abstimmung mit dem AG die folgenden hydrogeologischen Einheiten betrachtet worden:
Pleistozäner Grundwasserleiter,
Tertiärer Grundwasserleiter,
Festgesteinsbereich – Grauwacke.
Zudem wurde bei den Darstellungen zwischen Heiz- und Kühlperiode unterschieden.
Die Darstellungen für das Modellgebiet Leipzig sind in Anlage 6 enthalten. Alle Abbildungen beziehen sich auf den
gesamten Bereich in dem eine Beeinflussung durch die Erdwärmesonden nachweisbar ist (∆T ≥ 0,1 K).
Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass sowohl im pleistozänen als auch im tertiären Grundwasserleiter eine leichte
Verfrachtung der Temperaturbeeinflussung in Grundwasserfließrichtung zu beobachten ist. Diese ist im tertiären
Grundwasserleiter ausgeprägter als im pleistozänen Grundwasserleiter.
Im Bereich der Grauwacke, aus der der größte Anteil der Erdwärme gewonnen wird, sind elliptische
Beeinflussungsbereiche um die Sonden ausgebildet. Dort ist im unteren Bereich im Vergleich zum ebenfalls dargestellten
oberen Bereich eine größere Ausdehnung des beeinflussten Bereiches zu erkennen.
Eine anschauliche Erklärung für die beschriebenen Unterschiede in den Beeinflussungsbereichen liefern die
Schnittdarstellungen in Längsrichtung der Temperaturbeeinflussung, die ebenfalls in Anlage 6 enthalten sind. Hier ist
deutlich zu erkennen, dass durch die Erdwärmesonden eine massive vertikale Beeinflussung des natürlichen
Untergrundtemperaturregimes erfolgt.
In den folgenden Tabellen sind die Größen der Beeinflussungsbereiche (∆T≥0,1 K) aus Anlage 6, getrennt für Heiz- und
Kühlperiode, zusammengefasst.
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Temperatur (°C)
Zeit (h)
Sonde i

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 43
Tabelle 11: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Leipzig
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Pleistozäner Grundwasserleiter (HGK 6)
265 m
175 m
Tertiärer Grundwasserleiter (HGK 10)
300 m
220 m
Grauwacke (HGK 15), 175 m Tiefe
275 m
220 m
Grauwacke (HGK 15), 330 m Tiefe
305 m
245 m
Es wird deutlich, dass die Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche in den betrachteten hydrogeologischen Einheiten
am Ende der jeweiligen Betriebszustände Heizen und Kühlen identisch ist bzw. sich nur unwesentlich unterscheidet.
Dies geht anschaulich auch aus den vertikalen Längsschnitten in Anlage 6 hervor. Hier ist deutlich zu erkennen,
dass Unterschiede im Temperaturregime zwischen den beiden Betriebszuständen auf den Nahbereich der Sonden-
anlage beschränkt sind.
Tabelle 12: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Leipzig
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Pleistozäner Grundwasserleiter (HGK 6)
265 m
170 m
Tertiärer Grundwasserleiter (HGK 10)
300 m
220 m
Grauwacke (HGK 15), 175 m Tiefe
275 m
220 m
Grauwacke (HGK 15), 330 m Tiefe
310 m
245 m
Weiterhin geht aus den Darstellungen in Anlage 6 hervor, dass sich um die Erdwärmesonden aufgrund des deutlich
heizlastigen Betriebs ein klarer Abkühlungsbereich ausgebildet hat, der durch die in ihrer Größenordnung wesentlich
geringere Kühlarbeit nur leicht beeinflusst wird. Daher unterscheiden sich die Darstellungen zum Ende der Heiz- und
Kühlperiode nur wenig, da die Kühlung nicht ausreicht um die heizungsbedingte Abkühlung des Untergrundes aus-
zugleichen bzw. erheblich zu reduzieren.
Für die betrachteten hydrogeologischen Körper können die im Folgenden benannten Unterschiede abgeleitet
werden. In allen hydrogeologischen Körpern sind am Ende der Kühlperiode im Vergleich zur Heizperiode im
unmittelbaren Umfeld der Sonden höhere Untergrundtemperaturen zu verzeichnen. Zudem weist der äußere Rand
des beeinflussten Bereichs im unteren Abschnitt der Grauwacke am Ende der Kühlperiode gegenüber der
Heizperiode eine um 0,4 K höhere Untergrundtemperatur auf.
Wie bereits erläutert, beziehen sich die Darstellungen in Anlage 6 auf die beeinflussten Bereiche, die sich mindestens
0,1 K von der ungestörten Untergrundtemperatur unterscheiden. Folglich resultieren daraus für größere
Temperaturunterschiede geringere Beeinflussungsbereiche. Als Beispiel wird an dieser Stelle die Relation zur 1 K
Temperaturdifferenz aufgeführt. Im Modellgebiet Leipzig beträgt bei einer angesetzten Temperaturdifferenz von 1 K
gegenüber der ungestörten Untergrundtemperatur die Längsausdehnung der in ihrer Temperatur veränderten
Bereiche nur etwa 50 % der in Tabelle 11 und Tabelle 12 angegebenen Werte. In der Querausdehnung reduziert
sich der beeinflusste Bereich auf ca. 35% der Werte in Tabelle 11 und Tabelle 12.
6.2 Modellstandort Chemnitz
6.2.1 Geologischer Überblick
Am Modellstandort Chemnitz sind bis ca. 2 m unter Gelände holozäne Lockergesteinsablagerungen zu erwarten, die
jedoch nicht grundwassererfüllt sind.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 44
Darunter folgen Gesteine des Rotliegenden, die aus Wechsellagerungen von Sedimentgesteinen und Vulkaniten
aufgebaut sind. Die Sedimentfolgen bestehen überwiegend aus Schluff- und Tonsteinen, weisen jedoch auch Lagen
aus Sandsteinen und Konglomeraten auf. Die Vulkanite können als Tuffe oder Ignimbrite ausgebildet sein.
Die Rotliegendablagerungen werden bis ca. 430 m u. GOK angetroffen. Darunter folgen bis zur modelltechnisch
betrachteten Endtiefe von 500 m u. GOK kambroordovizische Phyllite. Sie stellen die geologisch älteste Einheit im
Modellgebiet dar.
Ab der Oberkante des Rotliegenden wurde im Modellgebiet Chemnitz von wassererfüllten Verhältnisse
ausgegangen. Der beschriebene geologische Aufbau am Modellstandort ist in grafisch dargestellt.
6.2.2 Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell
Wie bereits beschrieben, liegen für das Modellgebiet Chemnitz beim AG keine Modellkörper aus der
hydrogeologischen Kartierung vor. Daher wurde das Strukturmodell im Rahmen des Forschungsvorhabens selbst
aufgebaut. Zunächst erfolgte eine Abstimmung mit der zuständigen Gebietsreferentin des AG zu den zu
berücksichtigenden geologischen/ hydrogeologischen Einheiten am Standort. Anschließend konnte eine
großräumige, über das Modellgebiet Chemnitz hinausgehende Modellierung der hydrogeologischen Körper
vorgenommen werden. Einen Überblick dazu gibt Abbildung 15
.
Dabei sind das Modellgebiet für das geologische
Strukturmodell grün und das Modellgebiet für die geothermische Modellierung rot dargestellt.
Abbildung 15: Modellgebiete für das geologische Strukturmodell und die geothermische Modellierung in-
FEFLOW
6.2.3 Datenvorbereitung
Erstellung Normalprofil
Zunächst wurde das Normalprofil erstellt. Es enthält sämtliche geologische Einheiten, die im Modellgebiet auftreten
und für die Modellierung des geologischen Strukturmodells relevant sind. Es ist aus dem vorhandenem
Kartenmaterial und dem Expertenwissen zur Geologie am Modellstandort Chemnitz (einschließlich entsprechender

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 45
Bohrdaten) zusammengestellt. Im Ergebnis der Betrachtungen ergaben sich 23 hydrogeologische Einheiten, die für
das geologische Strukturmodell erstellt wurden. Sie sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Tabelle 13: Normalprofil für den Modellstandort Chemnitz
Code
HYE
Geologische Einheit
00
11100
Anthropogene Bildungen, undifferenziert
01
11320
Auelehm (bindiger Anteil der Auensedimente)
03
11378
Kiesanteil der Auensedimente großer Auen (Elbe, Mulde, Saale, Elster, Neiße)
04
12210
Hanglehm, Fließlehm
05
12200
Löss und Löss-Derivate
06
12800
Blockschutt, Schuttdecken
08
12500
Niederterrassen (TNT und HNT), undifferenziert
09
14510
Tiefere Mittelterrasse (TMT), undifferenziert
12
16150
glazilimnische Vorschüttsedimente, E2v
13
16245
Mittlere Mittelterrasse (MMT), E2, undifferenziert
15
16350
Grundmoräne, E1
17
16360
glazilimnische Vorschüttsedimente, E1v
18
16410
Höhere Mittelterrasse (HMT) Frühelsterterrasse, undifferenziert
19
18210
Mittlere Hochterrasse (MHT), undifferenziert
192
10016
Höhere Hochterrasse (HHT), allgemein
311
95522
Obere Sediemtgruppe (Schluffstein, Sandstein, Tonstein, Konglomerat)
30
95506
Zeisigwald-Tuff (Pyroklastit)
312
95504
Untere Sedimentgruppe (Schluffstein, Sandstein, Tonstein, Konglomerat, Karbonat, Pyroklastit)
321
78960
„Rochlitz“-Ignimbrit (vgl. Rochlitz-Formation), zeitgleiche Bildung
322
Pyroklastite der Planitzformation
323
78671
Grüna-Tuff
33
95514
Konglomerat, Sandstein, Schluffstein, Kalkstein (Härtensdorf-Formation)
60
96602
Kambroordovizische Phyllite
Codierung der Bohrungen anhand des Normalprofils und Erstellung der Verbreitungsgrenzen
Hauptaufgabe bei der Vorbereitung der Modellierung des Strukturmodells und wichtiger Bestandteil der
Grundlagenerarbeitung war die Codierung sämtlicher genutzter Bohrungen und die Anpassung der
Verbreitungsgrenzen der geologischen Einheiten. Dabei wurden den angesprochenen Schichten der Bohrprofile
entsprechend des Normalprofils eindeutige Nummern (Code/HYE) zugewiesen.
Im Anschluss der Bohrungscodierung sind aus den gewonnenen Informationen die entsprechenden
Verbreitungsflächen jedes darzustellenden hydrogeologischen Körpers erstellt worden. Das Ziel bestand in der
Erzeugung eines in sich homogenen Datensatzes ohne Widerspruch zwischen Bohrungsinformationen sowie einer
Verbreitungsfläche als Ausgangsbasis für die Konstruktion und 3D-Modellierung der geologischen Einheiten.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 46
Abbildung 16: Verbreitungsflächen unterschiedlicher geologischer Einheiten
In Abbildung 16 sind beispielhaft die Verbreitungsflächen für den Auenkies (blau-weiß-kariert), den Zeisigwald-Tuff
(grün) und die unteres Sedimentgruppe der Leukersdorf-Formation (orange) dargestellt.
6.2.4 3D-Konstruktion der geologischen Körper
Im Ergebnis der beschriebenen Grundlagenerarbeitung standen für die folgende 3D-Modellierung für jede
geologische Einheit eine Verbreitungsgrenze und ein codierter Punktdatenbestand zur Verfügung, der am konkreten
Punkt die über die Einzelschichten aufsummierte Gesamtmächtigkeit für die geologische Einheit angibt.
Setzen von Stützstellen
Zusätzlich zu den Punktdaten der Bohrungen, welche auf tatsächlichen Werten beruhen, sind zur Modellierung von
Flächen und Körpern weitere Stützstellen erforderlich. Diese Stützstellen sollen eine numerische Interpolation von
Höhen in den Bereichen mit zu geringer Bohrdatendichte ermöglichen. Weiterhin dienen Stützstellen der
Modellierung von Geometrien, die zwar aus dem geologischen Verständnis der Genese der Bildungen oder aus
weiteren Datenquellen wie geologischen Karten mit konstruierten Isolinien oder geologischen Schnitten vermutet
werden können, die aber von den vorliegenden Bohrdaten nicht ausreichend oder flächendeckend beschrieben
werden. Weiterhin sind Stützstellen an Bohrpunkten zu setzen, an denen ein hydrogeologischer Körper zwar
angetroffen, aber nicht durchteuft wurde. Mit diesen Stützstellen wird das Vorhandensein des hydrogeologischen
Körpers am Standort der Bohrung zwar explizit berücksichtigt, die Lage der Unterkante wird jedoch lediglich
geschätzt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 47
Abbildung 17: Verwendeter Punktdatenbestand für die Interpolation, Beispiel Zeisigwald-Tuff
In Abbildung 17 ist der verwendete Punktdatenbestand für die Modellierung des Zeisigwald-Tuffs dargestellt. Dabei
ist zwischen Bohrungen mit durchteufter Unterkante (weiße Kreuze), Bohrungen mit nicht durchteufter Unterkante
(blaue Kreuze) und händisch gesetzten Stützstellen (grüne Punkte) unterschieden. Des Weiteren sind Bohrungen
dargestellt, die die zu modellierende Einheit nicht angetroffen haben, da sie zu flach sind (rote Kreuze).
Konstruktion der Modellkörper für die geologischen Einheiten
Für die Erstellung der Modellkörper wurde die 3D-Software GEOVIA SURPAC verwendet. Mit Hilfe der Software sind
anhand der zuvor erzeugten Punkt- und Flächendaten mittels geostatistischer Verfahren durch Interpolation (Kriging)
plausible Geometrien berechnet worden. Dabei lässt sich die Vorgehensweise für die Berechnung der Modellkörper
wie folgt zusammenfassen:
Im ersten Schritt erfolgt die Prüfung der Eingangsdaten auf Plausibilität. Als Eingangsdaten zählen Bohrungen
(Punktdaten), Verbreitungsgrenzen (Flächendaten) und zusätzliche Informationen (Basislinien, geologische
Schnitte usw.) aus den unterschiedlichen Datenquellen.
Im zweiten Schritt wird der geologische Kenntnisstand an Stellen, an denen die Informationsdichte der Eingangs-
daten nicht ausreicht, durch das Setzen sinnvoller Stützstellen ergänzt.
Im dritten Schritt erfolgt die Interpolation der Schichtmächtigkeiten oder Schichtbasisflächen mittels eines geeig-
neten Interpolationsverfahrens (Kriging). Die Parameter des Interpolationsverfahrens werden anhand der verfüg-
baren Ausgangsdaten mittels geostatistischer Methoden (Variogramme) bestimmt.
Im vierten Schritt erfolgt eine Begutachtung des Ergebnisses und eine Nachbearbeitung zur Beseitigung von
Unplausibilitäten.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 48
Als Ergebnis der Modellierung erhält man die Unterkanten der im Modellgebiet vorhandenen geologischen Einheiten.
Abbildung 18: Modellierte Unterkanten verschiedener geologischer Einheiten in SURPAC
In Abbildung 18 sind die modellierten Unterkanten der oberen Sedimentgruppe (blau), des Zeisigwald-Tuffs (pink)
und der unteren Sedimentgruppe (braun) dargestellt.
Die Ergebnisse der durchgeführten Modellierung wurden als Vorprofil für den Modellstandort und als
hydrogeologischer Schnitt visualisiert. Das geologische Vorprofil ist in Anlage 3 dargestellt. Den hydrogeologischen
Schnitt durch das Modellgebiet zeigt Anlage 7. Anlage 4 enthält eine Übersicht zu allen hydrogeologischen Körpern
des Modellgebiets.
Im folgenden Bearbeitungsschritt wurde das Strukturmodell in ein hydrogeologisches Modell überführt. Dazu war die
Entwicklung eines Konzepts für die geeignete Datenübernahme in FEFLOW notwendig. Für die geothermische
Modellierung wurde wie im Modellgebiet Leipzig die Software FEFLOW, Version 7.1 verwendet.
6.2.5 Supermesh-Design und Finite Elemente Netz
Unter Beachtung der beim Supermesh-Design festgelegten Punkt- und Flächenelemente, der Anzahl zu
erzeugender finiter Elemente sowie der Festlegung des Algorithmus der Netzbildung (Dreiecksvermaschung) wurde
anschließend ein Finite-Elemente-Netz erzeugt. Im Bereich der Erdwärmesonden wurde das Netz feiner diskretisiert.
Weitere Netzverfeinerungen ergaben sich an den Grenzen von Modellkörpern. In Abbildung 19 ist das Netz für das
Modellgebiet Chemnitz dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 49
Abbildung 19: Finite-Elemente-Netz des Modellgebiets Chemnitz mit Verdichtung entlang von Supermesh-
Elementen
Der Bereich des Sondenfeldes ist durch eine besonders hohe Diskretisierung gekennzeichnet. Er wird durch die rote
Markierung in Abbildung 19 umrissen.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 50
6.2.6 3D-Modellaufbau
Der 3D-Modellaufbau beginnt mit der Konstruktion der Geländeoberkante aus dem digitalen Geländemodell.
Abbildung 20 zeigt die zugehörige Darstellung für das Modellgebiet Chemnitz.
Abbildung 20: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Chemnitz (Legendenangaben in m NHN)
Ausgehend vom erstellten hydrogeologischen Strukturmodell erfolgte im nächsten Schritt der 3D-Modellaufbau/
Schichtaufbau in FEFLOW. Das hydrogeologische Modell setzt sich aus den geologischen Einheiten des Modellge-
biets zusammen.
Für die Bildung der Layerober- bzw. -unterkanten wurden die aufbereiteten Modelldaten aus der firmeninternen
Datenbank verwendet. Dafür sind für das Modellgebiet die Modelloberkanten sowie die Unterkanten jedes
hydrogeologischen Körpers exportiert und als Excel-File (x,y,z-Werte) gespeichert worden. Die Excel-Files wurden
im folgenden Schritt in FEFLOW eingelesen. Über diese Verknüpfung kann den Modellschichten die exakte
Modellgeometrie aus dem hydrogeologischen Strukturmodell zugewiesen werden.
Für den beschriebenen Modellaufbau ist zu beachten, dass bei der realisierten Herangehensweise jede
Modellschicht über das gesamte Modellgebiet ausgehalten werden muss. Wenn eine geologische Einheit in der
Realität auskeilt und nicht überall im Modellgebiet verbreitet ist, wird der entsprechende Bereich, in dem diese Einheit
in der Realität nicht auftritt, im Modell mit einer Mindestmächtigkeit von 0,1 m und den Eigenschaften der dort
verbreiteten hydrogeologischen Einheit belegt.
Im Anschluss wurden im Bereich mächtiger hydrogeologischer Einheiten, wie z.B. dem Festgestein, Hilfsschichten
eingezogen. Diese dienen der Erhöhung des Detailierungsgrades und führen zu einer verbesserten

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 51
Modellgenauigkeit. Das in FEFLOW aufgebaute 3D-Modell besteht aus insgesamt 46 Schichten. Es ist aus Abbildung
21 ersichtlich.
Abbildung 21: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Chemnitz
6.2.7 Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten
Zur Zuweisung der hydrogeologischen Parameter wurden zunächst alle im Modellgebiet vorhandenen
hydrogeologischen Einheiten in einer Tabelle erfasst.
Anschließend erfolgte die Parametrisierung. Für die hydrogeologischen Eigenschaften Durchlässigkeit und Porosität
konnte zunächst auf die in den Datenbanken des AG gespeicherten Angaben zurückgegriffen werden. Hier liegen
v.a. Werte für die Durchlässigkeit vor. Die Parametrisierung für die Porosität erfolgte anhand der vorliegenden
lithologischen Beschreibungen auf Basis von
Erfahrungswerten. Weiterhin
wurden die Daten des
Forschungsprojektes zum Einsatz von Geothermie in sächsischen Gärtnereibetrieben (LfULG 2015) berücksichtigt.
In Tabelle 14 sind die hydrogeologischen Parameter für das Modellgebiet Chemnitz zusammengestellt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 52
Tabelle 14: Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Chemnitz
HGK
Layer
Lithologische Beschreibung
kf-Wert (m/s)
Nutzbare Porosität
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
1,0E-06
0,15
1
Auelehm
Ton, Schluff
1,0E-06
0,08
3
Kiesanteil der Auensedimente
Sand, Kies
5,0E-04
0,18
5
Löss und Lössderivate
Löss, Lösslehm
1,0E-06
0,08
8
Niederterrassen
Sand, Kies
5,0E-04
0,18
311
Obere Sedimentgruppe
Schluffstein,
Tonstein,
Sandstein,
Konglomerat
1,0E-06
0,10
30
Zeisigwaldt-Tuff
Tuff, Ignimbrit
5,0E-06
0,05
312
Untere Sedimentgruppe
Schluffstein,
Tonstein,
Sandstein,
Konglomerat, Pyroklastit
1,0E-06
0,10
321
Rochlitz-Ignimbrit
Ignimbrit
1,0E-06
0,05
322
Pyroklastite Planitzformation
Pyroklastit
1,0E-06
0,05
323
Grüna-Tuff
Tuff
1,0E-06
0,05
33
Härtensdorf-Formation
Konglomerat, Sand- und Schluffstein,
Kalkstein
1,0E-06
0,10
44
Hainichen-Subgruppe
Konglomerat, Sand- und Schluffstein,
Kalkstein
1,0E-06
0,10
60
Kambroordovizium
Phyllit
5,0E-08
0,05
Bei der richtungsabhängigen Parametrisierung der Durchlässigkeit ist davon ausgegangen worden, dass der kf-Wert
in vertikaler Richtung 50 % des horizontalen Wertes beträgt. Die Umsetzung der Parameterbelegung in FEFLOW ist
für die Durchlässigkeit in x- Richtung in Abbildung 22 dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 53
Abbildung 22: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Chemnitz
6.2.8 Hydrogeologische Randbedingungen
Wie bereits erwähnt, wurden die hydrogeologischen Randbedingungen entlang der an- und abstromigen Ränder des
Modellgebietes gesetzt. Im Modellgebiet Chemnitz wird der anstromige Rand durch die Grundwasserisohypse 293
m HN und der der abstromige Rand durch die Grundwasserisohypse 288 m HN definiert. Damit ergibt sich ein
Grundwasserfließgefälle von ca. 3,8 ‰. Die jeweiligen Wasserstände wurden innerhalb des Rotliegenden als
Randbedingungen erster Art berücksichtigt.
6.2.9 Geothermische Eigenschaften der Modellschichten
Die Ableitung der Werte für die geothermischen Parameter spezifische Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme-
kapazität erfolgte in Analogie zu den hydrogeologischen Eigenschaften für alle definierten hydrogeologischen
Einheiten des Modellgebiets. Dabei wurden die beim AG vorliegenden Ergebnisse aus geophysikalischen
Testarbeiten an geothermischen Bohrungen, das bereits erwähnte Forschungsprojekt zur Nutzung von Geothermie
in sächsischen Gärtnereien (LfULG, 2015): sowie ergänzend die Ergebnisse eigener durchgeführter Testarbeiten
genutzt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 54
Tabelle 15: Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Chemnitz
HGK
Layer
Lithologische Beschreibung
Spezifische Wärmeleitfä-
higkeit (W/m.K)
Spezifische Wärmeka-
pazität (MJ/m³.K)
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
0,3
1,5
1
Auelehm
Ton, Schluff
0,5
1,5
3
Kiesanteil der Auensedimente
Sand, Kies
1,4
1,9
5
Löss und Lössderivate
Löss, Lösslehm
0,5
1,5
8
Niederterrassen
Sand, Kies
1,4
1,9
311
Obere Sedimentgruppe
Schluffstein,
Tonstein,
Sandstein,
Konglomerat
2,3
2,2
30
Zeisigwaldt-Tuff
Tuff, Ignimbrit
2,4
2,2
312
Untere Sedimentgruppe
Schluffstein,
Tonstein,
Sandstein,
Konglomerat, Pyroklastit
2,3
2,2
321
Rochlitz-Ignimbrit
Ignimbrit
2,4
2,2
322
Pyroklastite Planitzformation
Pyroklastit
2,4
2,2
323
Grüna-Tuff
Tuff
2,4
2,2
33
Härtensdorf-Formation
Konglomerat, Sand- und Schluffstein,
Kalkstein
2,3
2,2
44
Hainichen-Subgruppe
Konglomerat, Sand- und Schluffstein,
Kalkstein
2,3
2,2
60
Kambroordovizium
Phyllit
2,9
2,4
Für die geothermische Modellierung in FEFLOW wird die spezifische Wärmeleifähigkeit und die spezifische Wärme-
kapazität getrennt nach Feststoff und Fluid eingegeben. Für das Fluid Wasser wird dabei generell eine spezifische
Wärmeleitfähigkeit von 0,65 W/m.K und eine spezifische Wärmekapazität von 4,2 MJ/m³.K angesetzt. Die Umrech-
nung der angegebenen Werte erfolgt über die nutzbare Porosität.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 55
6.2.10 Geothermische Randbedingungen
Die Ableitung der Temperaturrandbedingungen wurde in Abschnitt 5.2 ausführlich beschrieben. Für das Modellge-
biet Chemnitz wurde gemäß Tabelle 5 an der Modellunterkante eine Temperatur von 21,8 °C berücksichtigt. An der
Modelloberkante wurden 9,4 °C berücksichtigt. Beide Werte wurden als Randbedingungen 1. Art angesetzt.
Weiterhin sind als Voraussetzung für die geothermische Modellierung Temperaturrandbedingungen zu definieren,
die beim Betrieb der Erdwärmesonden sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall nicht unter- bzw. überschritten werden
dürfen. Nach Abstimmung mit dem AG ergaben sich folgende Werte:
Heizen:
Gemäß der Informationsbroschüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie in Sachsen (LfULG 2014) sollte eine
absolute Minimaltemperatur von -3 °C nicht unterschritten werden. Unter Beachtung dieser Empfehlung resultiert
daraus bei einer angesetzten Spreizung von 5 K eine minimale Solemitteltemperatur von -0,5 °C.
Kühlen
Gemäß VDI 4640, Blatt 2 (VDI, 2001) ist im Grundlastfall eine Temperaturerhöhung von 11 K gegenüber ungestörter
Untergrundtemperatur und im Spitzenlastfall von 17 K zulässig (analoge Herangehensweise wie für den Standort
Leipzig – Kapitel 6.1.8).
Die ungestörte Untergrundtemperatur über die Sondenlänge von 350 m beträgt gemäß Tabelle 5 im Modellgebiet
Chemnitz 13,7 °C. Daraus resultieren folgende Werte:
Grundlast: 13,7 °C + 11 K
24,7 °C
Spitzenlast: 13,7 °C + 17 K
30,7 °C
6.2.11 Wärmeentzug/ Wärmeeintrag
Die Erdwärmesonden wurden als innere Randbedingung BHE (Borehole Heat Exchanger) berücksichtigt, die die
reale Geometrie einer Erdwärmesonde zu einem Linienelement abstrahiert. Die Lösung der innerhalb der
Erdwärmesonde ablaufenden Prozesse beruht dabei auf dem analytischen Ansatz nach Eskilson, der auch im EED
Verwendung findet.
Bei der geothermischen Modellierung werden dabei der vorgesehene Bohrdurchmesser, Geometrie und Material der
Erdwärmsonde, die spezifischen Eigenschaften des Sondenfluids (Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität)
sowie die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials gemäß beschriebenem Bohrkonzept aus Abschnitt 4.2.3
berücksichtigt.
Der Durchsatz durch die Sondenanlage entspricht dem angegebenen Wärmequellendurchsatz einer exemplarisch
ausgewählten Wärmepumpe (Novellan SIP 100 H). Für 200 kW werden dabei zwei Wärmepumpen mit einem
Durchsatz von je 18 m³/h, also insgesamt 36 m³/h benötigt.
Damit ergibt sich bei insgesamt 11 Erdwärmesonden pro Erdwärmesonde ein Durchsatz von 3,3 m³/h.
Für den sondenspezifischen Wärmeentzug bzw. Wärmeeintrag wurde die durch den AG vorgegebene Energetik
unter Berücksichtigung der benannten Jahresarbeitszahlen angesetzt: Für die Kühlung ist dabei in der Grundlast von
freier Kühlung und in der Spitzenlast von aktiver Kühlung ausgegangen worden. Die Umsetzung der Spitzenlasten
erfolgte durch eine Verfeinerung der Zeitschrittweite in den jeweiligen Monaten. Die Lastspitzen wurden dabei immer
zur Monatsmitte angesetzt. Die in FEFLOW eingelesenen Entzugs- und Eintragsfunktionen sind in Anlage 5
enthalten.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 56
6.2.12 Durchführung der Modellierung
Vor der Implementierung der Erdwärmesonden in das Modell wurde unter Berücksichtigung der beschriebenen
Temperaturrandbedingungen zunächst ein stationäres „Leermodell“ zur Ermittlung der Ausgangswerte der
Temperaturverteilung gerechnet. Die anschließende geothermische Modellierung erfolgte über einen Zeitraum von
50 Jahren.
Für alle simulierten Varianten erfolgte der Modellstart im Januar des 1. Jahres und endete im Dezember des
50.Jahres. Sowohl die Grundwasserströmung als auch der Wärmetransport wurden instationär berechnet.
Auf eine vorherige Kalibrierung des Strömungsmodells konnte verzichtet werden, da die Grundwasserströmung über
die gesetzten Randbedingungen am ober- und unterstromigen Modellrand abgebildet wurden, und durch die
Erdwärmesonden selbst keine Beeinflussung der Grundwasserströmungsverhältnisse erfolgt.
6.2.13 Modellergebnisse
Im Ergebnis verschiedener Simulationen, bei denen die Anzahl der Erdwärmesonden zwischen 10 und 12 variiert
wurde, ergab sich, dass für das Modellgebiet Chemnitz 11 Sonden à 350 m zur Abdeckung der definierten Lasten
benötigt werden.
Abbildung 23: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Chemnitz, Maßstab 1:1250

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 57
Die Lage der Sonden, deren Abstand untereinander 15 m beträgt, geht aus Abbildung 23 hervor. Wie bereits zum
Modellgebiet Leipzig erläutert, wurden die Sonden auch am Modellstandort Chemnitz nah an der Grundstücksgrenze
positioniert.
Ein wesentliches Modellergebnis stellt die Entwicklung der Soletemperaturen in den Erdwärmesonden über den
Modellierungszeitraum dar.
Abbildung 24: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „wärmste“ Sonde, Modellge-
biet Chemnitz
In Abbildung 24 ist beispielhaft der Temperaturverlauf für die „wärmste“ Sonde des Sondenfeldes dargestellt. Da die
abzudeckenden energetischen Anforderungen insgesamt von der Heizarbeit dominiert werden, ist ein
kontinuierlicher Rückgang der prognostizierten Soletemperaturen über die Betrachtungsdauer zu erkennen. Für die
wärmste Sonde wird nach 50 Jahren eine minimale Solemitteltemperatur von 1,9 °C vorhergesagt.
Die maximalen Solemitteltemperaturen infolge sommerlicher Kühlung sind in den Anfangsjahren zu erwarten. Sie
nehmen aufgrund der fortschreitenden Auskühlung des Untergrundes über den Betrachtungszeitraum ebenfalls ab.
Als Maximalwert werden 22,0 °C prognostiziert.
Abbildung 25 zeigt als Gegenstück den Temperaturverlauf für die „kälteste“ Sonde des Modellgebiets Chemnitz. Hier
wird nach 50 Jahren eine minimale Solemitteltemperatur von 1,0 °C prognostiziert. Der Maximalwert infolge Kühlung
beträgt für diese Sonde 22,0 °C.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Temperatur (°C)
Zeit (h)
Sonde i

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 58
Abbildung 25: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Modellge-
biet Chemnitz
Zur Darstellung der Auswirkungen auf den Untergrund wurden Karten mit den Beeinflussungsbereichen (∆T≥0,1K)
erstellt. Dabei fanden in Abstimmung mit dem AG die folgenden hydrogeologischen Einheiten Beachtung:
Zeisigwald-Tuff,
Untere Sedimentgruppe, Leukersdorf-Formation,
Pyroklastite, Planitz-Formation,
Härtensdorf-Formation.
Weiterhin wurde bei den Darstellungen zwischen Heiz- und Kühlperiode unterschieden.
Die Darstellungen für das Modellgebiet Chemnitz sind in Anlage 8 enthalten.
Aus den Abbildungen geht hervor, dass der Wärmetransport im Modellgebiet Chemnitz keine relevante Beeinflus-
sung durch strömendes Grundwasser erfährt. In allen betrachteten hydrogeologischen Körpern sind elliptische Be-
einflussungsbereiche um die Sonden ausgebildet. Diese weisen in den einzelnen hydrogeologischen Einheiten un-
terschiedlich große Ausdehnungen auf.
In der obersten betrachteten Einheit, dem Zeisigwald-Tuff ist nur eine vergleichsweise geringe Beeinflussung zu
beobachten, die einen Bereich von ca. 140 m x 30 m um die Sonden umfasst.
In der Unteren Sedimentgruppe der Leukersdorf-Formation wird ein deutlich größerer Bereich von ca. 270 m x
170 m beeinflusst.
Die größte Temperaturbeeinflussung innerhalb der ausgewählten Darstellungsbereiche ist im Modellgebiet Chem-
nitz für die Pyroklastite der Planitz-Formation festzustellen. Hier finden in einem Bereich von ca. 320 m x 290 m
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Zeit (h)
Temperatur (°C)
Sonde g

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 59
Temperaturveränderungen statt. Als Ursache dafür ist die leicht höhere Wärmeleitfähigkeit der Planitz-Formation
im Vergleich zur unteren Sedimentgruppe bzw. der Härtensdorf-Formation anzusehen.
Die Temperaturbeeinflussung im Bereich der Härtensdorf-Formation umfasst ein Areal von ca. 240 m x 170 m. In
den folgenden Tabellen sind die Größen der Beeinflussungsbereiche aus Anlage 8, getrennt für Heiz- und Kühlpe-
riode, nochmals zusammengestellt.
Tabelle 16: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Chemnitz
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Zeisigwald-Tuff (HGK 30)
130 m
40 m
Untere Sedimentgruppe (HGK 312)
270 m
170 m
Pyroklastite, Planitz-Formation (HGK 322)
320 m
190 m
Härtensdorf-Formation (HGK 33)
240 m
170 m
Wie bereits für das Modellgebiet Leipzig festgestellt, unterscheidet sich auch im Modellgebiet Chemnitz die jeweilige
Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche (∆T≥0,1 K) für die betrachteten Betriebszustände nur unwesentlich. Deut-
lich wird dies auch aus den vertikalen Längsschnitten in Anlage 8, in denen die Zustände am Ende der Heizperiode
sowie am Ende der Kühlperiode nebeneinander dargestellt sind. Es ist klar zu erkennen, dass Unterschiede der
Untergrundtemperatur auf die unmittelbare Umgebung der Sondenanlage begrenzt sind.
Tabelle 17: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Chemnitz
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Zeisigwald-Tuff (HGK 30)
135 m
40 m
Untere Sedimentgruppe (HGK 312)
270 m
175 m
Pyroklastite, Planitz-Formation (HGK 322)
320 m
190 m
Härtensdorf-Formation (HGK 33)
240 m
170 m
Aus allen Abbildungen für die einzelnen betrachteten hydrogeologischen Einheiten in Anlage 8 (∆T≥0,1 K) lässt sich
die Ausbildung eines Abkühlungstrichters in der Umgebung der Sonden ableiten. Dieser wird durch Kühlung in Lage
und Ausbildung nur leicht beeinflusst. Unterschiede zwischen den Betriebszuständen Heizen und Kühlen lassen sich
für alle betrachteten hydrogeologischen Körper wiederum im nahen Umfeld der Sonden feststellen. Hier werden am
Ende der Kühlperiode höhere Untergrundtemperaturen beobachtet.
Wie bereits mehrfach erwähnt, beziehen sich die Darstellungen der Auswirkungen in den ausgewählten
hydrogeologischen Einheiten auf eine Temperaturdifferenz von mindestens 0,1 K gegenüber der ungestörten
Untergrundtemperatur. Folglich sind bei einer größeren Temperaturdifferenz kleinere beeinflusste Bereiche zu
erwarten. Als Beispiel soll hier die Größe der Beeinflussung bei einer Temperaturdifferenz von 1 K gegenüber der
ungestörten Untergrundtemperatur angegeben werden. Im Bereich des Zeisigwald-Tuffs sind die Beeinflussungen
auf den unmittelbaren Nahbereich der Sonden beschränkt. In den anderen dargestellten hydrogeologischen
Einheiten reduziert sich der beeinflusste Bereich in Längsausdehnung auf ca. 60 % der in Tabelle 16 und Tabelle 17
genannten Werte. Der Beeinflussungsbereich in Querrichtung verringert sich auf ca. 50 % der Werte in Tabelle 16
und Tabelle 17.
6.3 Modellstandort Dresden
6.3.1 Geologischer Überblick
Bis
ca.
12
m
unter
Gelände
werden
am
Modellstandort
Dresden
überwiegend
sandig-kiesige
Lockergesteinsablagerungen angetroffen, die grundwasserführend sind. Unter dem Lockergestein folgen bis ca. 85

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 60
m kreidezeitliche Festgesteine, wobei die oberen Bereiche bis ca. 75 m Tiefe überwiegend aus Mergelsteinen
(Pläner) und die unteren bis ca. 85 m Tiefe aus Sandsteinen bestehen.
Ab ca. 85 m unter Gelände bis zur betrachteten Endtiefe von 500 m u. GOK werden die kreidezeitlichen
Ablagerungen von den Monzoniten des Meissner Massivs unterlagert. Bedingt durch die große Schichtmächtigkeit
stellt diese geologisch älteste Einheit geleichzeitig auch das relevanteste Element hinsichtlich der geothermischen
Nutzung dar. Die beschriebene Schichtenabfolge ist in grafisch dargestellt.
6.3.2 Aufbau geologisch-hydrogeologisches Strukturmodell
Die Schichtdaten für den Modellaufbau im Modellgebiet Dresden, die als Körper aus der hydrogeologischen
Kartierung 1:50.000 entstammen, wurden Ende Juli 2018 durch den AG übergeben. Dabei handelt es sich um x, y-
Werte in einem 50 x 50m-Raster mit beinhaltender Tiefeninformation. Diese 3D-Daten wurden aufbereitet und in die
firmeninterne Datenbankstruktur importiert. Aus den vorhandenen Punktdaten konnte die Geländeoberkante für das
Modellgebiet rekonstruiert werden. Weiterhin sind die übermittelten Punktdaten in die jeweiligen hydrogeologischen
3D-Modellkörper des Modellgebiets überführt worden. Dafür wurde für jede geologische Einheit die
Verbreitungsfläche erzeugt und die Beziehung der Körper untereinander hergestellt. Dies stellt eine Voraussetzung
für die Erzeugung von 3D-Körpern und Profilschnitten dar.
Anlage 4 enthält eine Übersicht über alle im Strukturmodell berücksichtigten hydrogeologischen Körper. Im folgenden
Bearbeitungsschritt wurde das Strukturmodell in ein hydrogeologisches Modell überführt. Dazu erfolgte die
Entwicklung eines Konzepts für die geeignete Datenübernahme in FEFLOW. Für die geothermische Modellierung
fand auch hier die Software FEFLOW, Version 7.1 Verwendung.
6.3.3 Supermesh-Design und Finite Elemente Netz
Unter Berücksichtigung der beim Supermesh-Design festgelegten Punkt- und Flächenelemente, der Anzahl zu
erzeugender finiter Elemente sowie der Festlegung des Algorithmus der Netzbildung (Dreiecksvermaschung) wurde
anschließend ein Finite-Elemente-Netz erzeugt. Im Bereich der Erdwärmesonden wurde das Netz feiner diskretisiert.
Weitere Netzverfeinerungen ergaben sich an den Grenzen von Modellkörpern. Dies wird aus Abbildung 26 deutlich,
die das Netz für das Modellgebiet Dresden zeigt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 61
Abbildung 26: Finite-Elemente-Netz des Modellgebiets Dresden mit Verdichtung entlang von Supermesh-
Elementen
Der Bereich des Sondenfeldes zeichnet sich durch eine besonders hohe Netzdichte aus. Er ist durch die rote
Markierung in Abbildung 26 eingegrenzt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 62
6.3.4 3D-Modellaufbau
Der 3D-Modellaufbau beginnt mit der Konstruktion der Geländeoberkante aus dem zur Verfügung gestellten digitalen
Geländemodell Abbildung 27 enthält die entsprechende Darstellung für das Modellgebiet Dresden.
Abbildung 27: Digitales Geländemodell des Modellgebietes Dresden (Legendenangaben in m HNH)
Ausgehend von den vorliegenden geologischen Daten und dem daraus entwickelten hydrogeologischen
Strukturmodell wurde im nächsten Schritt der 3D-Modellaufbau/ Schichtaufbau in FEFLOW durchgeführt. Das
hydrogeologische Modell setzt sich aus den geologischen Einheiten des Modellgebiets zusammen.
Für die Bildung der Layerober- bzw. -unterkanten sind die aufbereiteten Modelldaten aus der firmeninternen
Datenbank verwendet worden. Dafür wurden für das Modellgebiet die Modelloberkante sowie die Unterkanten jedes
hydrogeologischen Körpers exportiert und als Excel-File (x,y,z-Werte) gespeichert. Diese konnten im folgenden
Schritt in FEFLOW eingelesen werden. Über diese Verknüpfung kann den Modellschichten die exakte
Modellgeometrie aus dem hydrogeologischen Strukturmodell zugewiesen werden.
Für den beschriebenen Modellaufbau ist zu beachten, dass bei der realisierten Herangehensweise jede
Modellschicht über das gesamte Modellgebiet ausgehalten werden muss. Wenn eine geologische Einheit in der
Realität auskeilt und nicht überall im Modellgebiet verbreitet ist, wird der entsprechende Bereich, in dem diese Einheit
in der Realität nicht auftritt, im Modell mit einer Mindestmächtigkeit von 0,1 m und den Eigenschaften der dort
verbreiteten hydrogeologischen Einheit belegt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 63
Im Anschluss wurden im Bereich mächtiger hydrogeologischer Einheiten, wie z.B. dem Festgestein Hilfsschichten
eingezogen. Diese dienen der Erhöhung des Detailierungsgrades und führen zu einer verbesserten
Modellgenauigkeit. Das in FEFLOW aufgebaute 3D-Modell, das insgesamt über 72 Schichten verfügt, ist in
Abbildung 28 visualisiert.
Abbildung 28: 3D-Modellaufbau des Modellgebiets Dresden
6.3.5 Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten
Für die Zuweisung der hydrogeologischen Parameter wurden zunächst alle im Modellgebiet vorhandenen
hydrogeologischen Einheiten in einer Tabelle erfasst.
Anschließend erfolgte die Parametrisierung. Für die hydrogeologischen Eigenschaften Durchlässigkeit und Porosität
konnte zunächst auf die in den Datenbanken des AG gespeicherten Angaben zurückgegriffen werden. Hier liegen
v.a. Werte für die Durchlässigkeit vor. Die Parametrisierung für die Porosität erfolgte anhand der vorliegenden
lithologischen Beschreibungen auf Basis von Erfahrungswerten. Weiterhin sind die Daten des Forschungsprojektes
zum Einsatz von Geothermie in sächsischen Gärtnereibetrieben (LfULG, 2015) berücksichtigt worden.
In Tabelle 14 sind die hydrogeologischen Parameter für das Modellgebiet Dresden zusammengestellt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 64
Tabelle 18: Hydrogeologische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Dresden
HGK
Layer
Lithologische Beschreibung
kf-Wert (m/s)
Nutzbare Porosität
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
1,0E-05
0,15
1
Auensedimente, ungegliedert
Sand, Kies, Schluff
1,0E-06
0,10
2
Kiesanteil der Auensedimente
Weißeritz
Kies, Sand
1,0E-04
0,15
3
Tallehm
Schluff
1,0E-06
0,10
4
Löss
Löss
1,0E-06
0,10
6
Niederterrasse
(TNT+HNT)
Weißeritz
Kies, Sand
1,0E-03
0,20
7
Mittelterrasse Weißeritz
Kies, Sand
1,0E-04
0,15
9
Mergel
Mergel
1,0E-07
0,08
10
Labiatus-Pläner
Mergel,
karbonatische
Schluffsteine
und
Sandsteine,
Kalksteine,
Quarzsandsteine
1,0E-07
0,08
11
Plenus-Pläner
sandig-kalkiger Schluffstein
1,0E-05
0,10
12
Oberhäslich-Formation
ungegliedert,
einschließlich
„Unter-Quader“-Sandstein
Sandstein, Konglomerat
1,0E-05
0,12
13
Bannewitz-Formation
Konglomerat, Sandstein, Schluffstein,
Tuff, Ignimbrit
1,0E-06
0,10
14
Döhlen-Senke
Sedimente, Vulkanite
1,0E-06
0,10
16
Vulkanite
Tuff, Tuffit in Wechsellagerung mit
Konglomeraten und Pyroklastiten
1,0E-06
0,05
15
Monzonite des Meißner Massivs
Monzonite, Granodiorite, Hornblende-
Monzonite
1,0E-06
0,07
Bei der richtungsabhängigen Parametrisierung der Durchlässigkeit wurde davon ausgegangen, dass der kf-Wert in
vertikaler Richtung 50 % des horizontalen Wertes beträgt.
Die Umsetzung der Parameterbelegung in FEFLOW ist für die Durchlässigkeit in x- Richtung in Abbildung 29
dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 65
Abbildung 29: Durchlässigkeit in x-Richtung, Modellgebiet Dresden
6.3.6 Hydrogeologische Randbedingungen
Als Voraussetzung zur Durchführung der geothermischen Modellierung sind eine Reihe von Randbedingungen zu
definieren.
Als hydrogeologische bzw. hydraulische Randbedingungen fungieren der an- und abstromige Rand des Modellge-
bietes, das anhand der Grundwasserisohypsen aus der sächsischen Landesgrundwasserdynamik 2016 (LfULG
2019) abgegrenzt wurde. Im Modellgebiet Dresden liegt der anstromige Rand auf der Grundwasserisohypse 115 m
HN. Der abstromige Rand des Modellgebiets wird durch die Grundwasserisohypse 111 m HN festgelegt. Daraus
resultiert ein Grundwasserfließgefälle von ca. 3 ‰.
Die jeweiligen Wasserstände wurden in den grundwasserführenden Lockergesteinen als Randbedingungen erster
Art berücksichtigt.
6.3.7 Geothermische Eigenschaften der Modellschichten
Die Ableitung der Werte für die geothermischen Parameter spezifische Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme-
kapazität erfolgte in Analogie zu den hydrogeologischen Eigenschaften für alle definierten hydrogeologischen
Einheiten des Modellgebiets. Dabei wurden, sofern auf die Standorte übertragbar, die beim AG vorliegenden
Ergebnisse aus geophysikalischen Testarbeiten an geothermischen Bohrungen, das bereits erwähnte

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 66
Forschungsprojekt zur Nutzung von Geothermie in sächsischen Gärtnereien (LfULG, 2015) sowie ergänzend die
Ergebnisse eigener durchgeführter Testarbeiten genutzt.
Tabelle 19: Geothermische Eigenschaften der Modellschichten, Modellgebiet Dresden
HGK
Layer
Lithologische Beschreibung
Spezifische Wärmeleit-
fähigkeit (W/m.K)
Spezifische
Wärmekapazität
(MJ/m³.K)
0
Anthropogene Bildungen
Aufschüttung
0,5
1,55
1
Auensedimente, ungegliedert
Sand, Kies, Schluff
1,4
1,9
2
Kiesanteil der Auensedimente
Weißeritz
Kies, Sand
1,4
2,4
3
Tallehm
Schluff
1,4
1,9
4
Löss
Löss
1,4
1,9
6
Niederterrasse
(TNT+HNT)
Weißeritz
Kies, Sand
2,4
2,4
7
Mittelterrasse Weißeritz
Kies, Sand
2,4
2,4
9
Mergel, schwarz
Mergel
2,3
2,2
10
Labiatus-Pläner
Mergel,
karbonatische
Schluffsteine
und
Sandsteine,
Kalksteine,
Quarzsandsteine
2,3
2,2
11
Plenus-Pläner
sandig-kalkiger Schluffstein
2,3
2,2
12
Oberhäslich-Formation
ungegliedert,
einschließlich
„Unter-Quader“-Sandstein
Sandstein, Konglomerat
2,8
2,2
13
Bannewitz-Formation
Konglomerat, Sandstein, Schluffstein,
Tuff, Ignimbrit
2,3
2,2
14
Döhlen-Senke
Sedimente, Vulkanite
2,3
2,2
16
Vulkanite
Tuff, Tuffit in Wechsellagerung mit
Konglomeraten und Pyroklastiten
2,3
2,2
15
Monzonite des Meißner Massivs
Monzonite, Granodiorite, Hornblende-
Monzonite
2,8
2,6
Analog zur bereits beschriebenen Vorgehensweise wurde auch im Modellgebiet Dresden für die geothermische
Modellierung in FEFLOW die spezifische Wärmeleifähigkeit und die spezifische Wärmekapazität getrennt nach
Feststoff und Fluid berücksichtigt. Für das Fluid Wasser ist dabei immer eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 0,65
W/m.K und eine spezifische Wärmekapazität von 4,2 MJ/m³.K angesetzt worden. Die Umrechnung der in Tabelle 19
angegebenen Werte erfolgte über die nutzbare Porosität.
6.3.8 Geothermische Randbedingungen
Die Ableitung der Temperaturrandbedingungen ist in Abschnitt 5.2 ausführlich beschrieben worden. Für das
Modellgebiet Dresden sind gemäß Tabelle 8 an der Modellunterkante eine Temperatur von 20,8 °C und an der
Modelloberkante eine Temperatur von 10,8 °C angesetzt worden. Beide Werte wurden als Randbedingungen 1. Art
berücksichtigt.
Weiterhin sind als Voraussetzung für die geothermische Modellierung Temperaturrandbedingungen zu definieren,
die beim Betrieb der Erdwärmesonden sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall nicht unter- bzw. überschritten werden
dürfen. Nach Abstimmung mit dem AG sind dabei folgende Werte verwendet worden:
Heizen:

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 67
Nach den Empfehlungen der „Erdwärmesonden: Informationsbroschüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie
in Sachsen“ (LfULG, 2014) sollte eine absolute Minimaltemperatur von -3 °C nicht unterschritten werden. Daraus
resultiert bei einer angesetzten Spreizung von 5 K eine minimale Solemitteltemperatur von -0,5 °C.
Kühlen
Nach VDI 4640, Blatt 2 (VDI, 2001) ist im Grundlastfall eine Temperaturerhöhung von 11 K gegenüber ungestörter
Untergrundtemperatur und im Spitzenlastfall von 17 K zulässig (hinsichtlich des Bezugs auf die VDI 4640, Teil 2 aus
dem Jahr 2001 siehe unter Kapitel 6.1.8).
Die ungestörte Untergrundtemperatur über die Sondenlänge von 350 m beträgt im Modellgebiet Dresden nach den
Angaben in Tabelle 8 14,3 °C. Damit ergeben sich folgende Werte:
Grundlast: 14,3 °C + 11 K
25,3 °C
Spitzenlast: 14,3 °C + 17 K
31,3 °C
6.3.9 Wärmeentzug/ Wärmeeintrag
Die Erdwärmesonden wurden die innere Randbedingung BHE (Borehole Heat Exchanger) berücksichtigt, die die
reale Geometrie einer Erdwärmesonde zu einem Linienelement abstrahiert. Die Lösung der innerhalb der
Erdwärmesonde ablaufenden Prozesse beruht dabei auf dem analytischen Ansatz nach Eskilson, der auch im EED
Verwendung findet.
Bei der geothermischen Modellierung werden dabei der vorgesehene Bohrdurchmesser, Geometrie und Material der
Erdwärmsonde, die spezifischen Eigenschaften des Sondenfluids (Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität)
sowie die Wärmeleitfähigkeit des Verfüllmaterials gemäß beschriebenem Bohrkonzept aus Abschnitt 4.2.4
berücksichtigt.
Der Durchsatz durch die Sondenanlage entspricht dem angegebenen Wärmequellendurchsatz einer exemplarisch
ausgewählten Wärmepumpe (Novellan SIP 100 H). Für 200 kW werden dabei zwei Wärmepumpen mit einem
Durchsatz von je 18 m³/h, also insgesamt 36 m³/h benötigt.
Damit ergibt sich bei insgesamt neun Erdwärmesonden pro Erdwärmesonde ein Durchsatz von 4,0 m³/h.
Für den sondenspezifischen Wärmeentzug bzw. Wärmeeintrag wurde die durch den AG vorgegebene Energetik
unter Berücksichtigung der benannten Jahresarbeitszahlen angesetzt: Für die Kühlung wurde dabei in der Grundlast
von freier Kühlung, in der Spitzenlast von aktiver Kühlung ausgegangen. Die Umsetzung der Spitzenlasten erfolgte
durch eine Verfeinerung der Zeitschrittweite in den zu betrachtenden Monaten. Die Lastspitzen wurden dabei jeweils
zur Monatsmitte angesetzt. Die in FEFLOW eingelesenen Entzugs- und Eintragsfunktionen sind in Anlage 5
enthalten.
6.3.10 Durchführung der Modellierung
Vor der Implementierung der Erdwärmesonden in das Modell wurde unter Berücksichtigung der beschriebenen
Temperaturrandbedingungen zunächst ein stationäres „Leermodell“ zur Ermittlung der Ausgangswerte der
Temperaturverteilung gerechnet. Die anschließende geothermische Modellierung erfolgte über einen Zeitraum von
50 Jahren.
Für alle simulierten Varianten erfolgte der Modellstart im Januar des 1. Jahres und endete im Dezember des
50.Jahres. Sowohl die Grundwasserströmung als auch der Wärmetransport sind instationär berechnet worden.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 68
Auf eine vorherige Kalibrierung des Strömungsmodells konnte verzichtet werden, da die Grundwasserströmung über
die gesetzten Randbedingungen am ober- und unterstromigen Modellrand abgebildet wurden, und durch die
Erdwärmesonden selbst keine Beeinflussung der Grundwasserströmungsverhältnisse erfolgt.
6.3.11 Modellergebnisse
Im Resultat mehrerer Simulationen, bei denen die Anzahl der Erdwärmesonden zwischen neun und elf variiert wurde,
ergab sich, dass neun Sonden à 350 m ausreichend zur Abdeckung der definierten Lasten sind.
Abbildung 30: Lage der Sonden innerhalb des Modellstandorts Dresden, Maßstab 1:2.500
Analog zu den beiden anderen Modellgebieten wurden die Sonden auch am Modellstandort Dresden nah an der
Grundstücksgrenze positioniert. Die Lage der Sonden, die untereinander einen Abstand von 15 m aufweisen, ist aus
Abbildung 30 ersichtlich.
Ein wichtiges Modellergebnis stellt die Entwicklung der Soletemperaturen in den Erdwärmesonden über den
Modellierungszeitraum dar.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 69
Abbildung 31: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre „wärmste“ Sonde, Modellge-
biet Dresden
In Abbildung 31 ist exemplarisch der Temperaturverlauf für die „wärmste“ Sonde des Sondenfeldes dargestellt. Da
die abzudeckenden energetischen Anforderungen deutlich heizlastig sind, nehmen die prognostizierten
Soletemperaturen über die Betrachtungsdauer kontinuierlich ab. Für die wärmste Sonde ist nach 50 Jahren eine
minimale Solemitteltemperatur von 2,5 °C zu erwarten.
Die maximalen Solemitteltemperaturen bei sommerlicher Kühlung werden in den Anfangsjahren erzielt. Sie nehmen
aufgrund der fortschreitenden Auskühlung des Untergrundes über den Betrachtungszeitraum ebenfalls ab. Als
Maximalwert werden 22,2 °C erreicht.
Abbildung 32 zeigt als Pendant den Temperaturverlauf für die „kälteste“ Sonde des Modellgebiets Dresden. Für sie
wird nach 50 Jahren eine minimale Solemitteltemperatur von 1,6 °C prognostiziert. Der Maximalwert infolge Kühlung
beträgt für diese Sonde 22,2 °C.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Temperatur (°C)
Zeit (h)
Sonde h

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 70
Abbildung 32: Entwicklung der mittleren Sondentemperaturen über 50 Jahre- „kälteste“ Sonde, Modellge-
biet Dresden
Zur
Darstellung
der
Auswirkungen
auf
den
Untergrund
wurden
Karten
mit
den
entsprechenden
Beeinflussungsbereichen erstellt. Dabei wurden in Abstimmung mit dem AG die folgenden hydrogeologischen
Einheiten betrachtet:
Pleistozäner Grundwasserleiter (Niederterrassen),
Labiatus-Pläner,
Oberhäslich-Formation,
Meissner Monzonite.
Zudem wurde bei den Darstellungen zwischen Heiz- und Kühlperiode unterschieden.
Die Darstellungen für das Modellgebiet Dresden sind in Anlage 9 enthalten. Die Abbildungen beziehen sich analog der
Vorgehensweise für die beiden anderen Modellgebiete auf den gesamten Bereich, in dem eine Beeinflussung durch die
Erdwärmesonden nachweisbar ist (∆T≥0,1 K).
Aus der Abbildung für den pleistozänen Grundwasserleiter am Ende der Heizperiode ist eine deutliche Verfrachtung der
Temperaturbeeinflussung in Grundwasserfließrichtung zu erkennen. Gleichzeitig lässt sich aus der Abbildung für den
pleistozänen Grundwasserleiter am Ende der Kühlperiode ableiten, dass der Wärmetransport mit dem Grundwasserleiter
in Kombination mit der Wärmeeinspeisung durch die Kühlung zu einer nahezu vollständigen Regeneration der Sonden im
Bereich des Grundwasserleiters führt.
In den wesentlich geringer durchströmten, darunterliegenden hydrogeologischen Einheiten der sächsischen Kreide
sind elliptische Beeinflussungsbereiche um die Sonden ausgebildet.
In den folgenden Tabellen sind die Größen der Beeinflussungsbereiche ((∆T≥0,1 K) aus Anlage 9, getrennt für
Heiz- und Kühlperiode, zusammengefasst.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Temperatur (°C)
Zeit (h)
Sonde g

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 71
Tabelle 20: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Heizperiode, Modellgebiet Dresden
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Pleistozäner Grundwasserleiter (HGK 6)
170 m
160 m
Labiatus-Pläner (HGK 10)
180 m
120 m
Oberhäslich-Formation (HGK 12)
215 m
160 m
Meissner Monzonite (HGK 15), 175 m Tiefe
240 m
180 m
Meissner Monzonite (HGK 15), 330 m Tiefe
240 m
185 m
Es ist ersichtlich, dass die Beeinflussung in der Oberhäslich-Formation größer ausfällt, als im Labiatus-Pläner. Dabei
ist die Oberhäslich-Formation sowohl durch eine bessere Wärmeleitfähigkeit als auch eine größere Tiefenlage ge-
kennzeichnet.
Im Bereich der Meissner Monzonite, die am Modellstandort ab ca. 85 m u. GOK anstehen, wird der größte Anteil
der Erdwärme gewonnen. Daher sind hier die räumlich größten ellipsenförmigen Beeinflussungsbereiche um die
Sonden ausgebildet. Diese unterscheiden sich für die betrachteten Tiefen von 175 m u. GOK und 330 m u. GOK
nur unwesentlich voneinander.
Tabelle 21: Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche Ende Kühlperiode, Modellgebiet Dresden
Hydrogeologische Einheit
Längsausdehnung
Querausdehnung
Pleistozäner Grundwasserleiter (HGK 6)
30 m
15 m
Labiatus-Pläner (HGK 10)
180 m
120 m
Oberhäslich-Formation (HGK 12)
215 m
165 m
Meissner Monzonite (HGK 15),175 m Tiefe
240 m
180 m
Meissner Monzonite (HGK 15),330 m Tiefe
240 m
185 m
Aus einem Vergleich der Werte in Tabelle 20 und Tabelle 21 geht hervor, dass sich mit der schon erwähnten Aus-
nahme für den pleistozänen Grundwasserleiter über den Zeitraum von 50 Jahren klar definierte Beeinflussungsare-
ale um die Sonden ausgebildet haben, die sich für die Zustände Heizen und Kühlen nur unwesentlich voneinander
unterscheiden. Anschaulich deutlich wird dies auch aus den vertikalen Schnittdarstellungen in Anlage 9. Unter-
schiede zwischen den beiden Betriebszuständen Heizen und Kühlen lassen sich im Nahumfeld der Sonden erken-
nen, das am Ende der Kühlperiode höhere Temperauren durch den erfolgten Wärmeeintrag aufweist.
Wie bereits beschrieben, beziehen sich die Darstellungen in Anlage 9 auf die beeinflussten Bereiche, die sich mindestens
0,1 K von der ungestörten Untergrundtemperatur unterscheiden. Folglich ist bei einer größeren Temperaturdifferenz eine
geringere Ausdehnung der Beeinflussungsbereiche zu erwarten. Als Beispiel soll hier das Verhältnis zu 1 K
Temperaturdifferenz aufgeführt werden. Im Bereich des pleistozänen Grundwasserleiters sind die Beeinflussungen auf
die unmittelbare Umgebung der Sonden begrenzt. In den anderen dargestellten hydrogeologischen Einheiten reduziert
sich der beeinflusste Bereich in Längsausdehnung auf ca. 60 % der in Tabelle 20 und Tabelle 21 genannten Werte. Der
Beeinflussungsbereich in Querrichtung verringert sich auf ca. 30 % der Werte in Tabelle 20 und Tabelle 21.
6.4 Vergleich der Modellergebnisse
Die geothermische Modellierung wurde für alle Modellgebiete mit denselben energetischen/gebäudetechnischen
Anforderungen durchgeführt.
Im Ergebnis der Modellierung ist festzustellen, dass zur Deckung des Energiebedarfs für die Musterstandorte in den
Modellgebieten Leipzig und Dresden jeweils 3.150 Bohrmeter bzw. neun Sonden à 350 m benötigt werden. Trotz

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 72
leichter Unterschiede der berechneten maximalen und minimalen Temperaturverhältnisse nach/innerhalb 50
Betriebsjahren ähneln sich somit beide Musterstandorte. Als Ursachen für die vergleichbaren Modellergebnisse
werden die nachfolgend aufgeführten Sachverhalte angesehen.
Beide Modellgebiete sind durch das Vorhandensein von Grundwasser oberhalb des Festgesteins gekennzeichnet.
Die über die Sondentiefe von 350 m angesetzten ungestörten Untergrundtemperaturen von 14,1 °C bzw. 14,3 °C
(vgl. Tabelle) unterscheiden sich nur wenig. Des Weiteren liegt die Wärmeleitfähigkeit der angetroffenen Gesteine
zumeist in vergleichbarer Größenordnung. Allerdings fällt die Größe der Beeinflussungsbereiche im Modellgebiet
Dresden etwas geringer aus als im Modellgebiet Leipzig. Dies resultiert vor allem aus der etwas besseren
Wärmeleitfähigkeit des Meissner Monzonits sowie leicht höheren Untergrundtemperaturen am Modellstandort
Dresden von durchschnittlich 14,3 °C über die Sondenlänge von 350 m im Vergleich zur Grauwacke (am
Modellstandort Leipzig liegt die Durchschnittstemperatur bei 14,1°C).
Im Modellgebiet Chemnitz werden 3.850 Bohrmeter bzw. 11 Sonden à 350 m benötigt. Dies entspricht im Vergleich
zu den beiden anderen Modellgebieten einem Plus von ca. 20 %.
Als Gründe für die ungünstigeren Verhältnisse im Modellgebiet Chemnitz sind die geringeren Wärmeleitfähigkeiten
der anstehenden Gesteine, die fehlende Grundwasserströmung in der Lockergesteinsbedeckung, aber auch die
geringste Untergrundtemperatur über die Sondentiefe von 350 m zu nennen (13,7°C).

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 73
7 Monitoringkonzept
Das Monitoring von Erdwärmeanlagen erfolgt mit der Zielstellung, den laufenden Anlagenbetrieb zu erfassen und
anhand der gewonnenen Daten die Effizienz der Erdwärmenutzung zu beurteilen sowie im Bedarfsfall eine
Optimierung des Anlagenbetriebes vornehmen zu können. Auf diese Weise können Beeinträchtigungen, die nicht
zum sofortigen Anlagenausfall führen, identifiziert und behoben werden.
Des Weiteren wird an größeren Erdwärmeanlagen in der Regel ein Monitoring durchgeführt, um die Einhaltung
genehmigungsrechtlicher
Vorgaben
im
nahen
und
weiteren
Umfeld
der
Anlage,
z.B.
bestimmte
Temperaturrandbedingungen, zu kontrollieren.
Für ein sinnvolles geothermisches Monitoring ist neben der kontinuierlichen Messwerterfassung auch eine
regelmäßige Auswertung dieser Daten erforderlich. Im Hinblick auf die Betriebszustände einer Erdwärmeanlage, die
sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt wird, bietet sich die Auswertung 2 x pro Jahr, jeweils am Ende der
Heiz- und Kühlperiode an.
Im Folgenden wird ein exemplarisches Monitoringkonzept, das für die im Forschungsvorhaben betrachtete
Musteranlage adäquat ist, beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Monitoring eine
Orientierung für die Errichtung zukünftiger Anlagen gibt, die jedoch unter Berücksichtigung der gestellten
behördlichen Vorgaben sowie der Anforderungen des Bauherrn für das Einzelvorhaben geprüft und modifiziert
werden sollte.
7.1 Geothermisches Anlagenmonitoring
7.1.1 Optimierung des Anlagenbetriebes
Zur Überprüfung und Optimierung des Anlagenbetriebes einer Erdwärmeanlage erfolgt eine kontinuierliche
Erfassung der Volumenströme durch die einzelnen Erdwärmesonden, der Vor-und Rücklauftemperaturen
(sondenspezifisch oder als Mittelwert über alle Sonden) bzw. der Wärmemengen zu den Sonden (ebenfalls
sondenspezifisch oder als Mittelwert).
Diese Daten können dazu verwendet werden, den Wärmeaustrag (Heizfall) bzw. Wärmeeintrag (Kühlfall) in die
Sonden zu überwachen und diesen so zu steuern, dass ein effizienter Anlagenbetrieb gewährleistet wird. Zielstellung
ist dabei, die Durchströmung und den Wärmeaustrag/ Wärmeeintrag der einzelnen Sonden so zu steuern, dass eine
möglichst gleichmäßige Belastung der Sonden erfolgt. Als Messort für die Erfassung der genannten Parameter bietet
sich der Bereich unmittelbar vor Anschluss an den Soleverteiler an.
Zur Regulierung der Durchflüsse in den Vor- und Rückläufen werden Strangregulierventile, wie z.B. Hydrocontrol
verwendet. Für die Erfassung der Durchflüsse im laufenden Betrieb sind induktiv- magnetische Sensoren oder
Ultraschallsensoren mit entsprechendem Datenloggeranschluss geeignet. Dabei sind Ultraschallsensoren auch als
Aufschnallsensoren verfügbar. Für die Erfassung der Temperaturen im Vor- und Rücklauf empfehlen sich
Tauchfühler, die für den Anschluss an einen Datenlogger geeignet sind und mit diesem kombiniert werden.
Die Aufnahme des Monitorings sollte zeitgleich mit der Inbetriebnahme der Sondenanlage bzw. kurz davor erfolgen.
Für das erste Betriebsjahr wird eine minütliche Messwertaufnahme vorgeschlagen. Nach der Auswertung jeweils
eines Heiz- und Kühlzeitraumes kann, auch im Hinblick auf die konkrete Zielstellung des Monitorings durch den
Betreiber, ggf. eine Anpassung der Messwertaufnahme erfolgen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 74
7.1.2 Temperaturmonitoring im Nahumfeld der Sondenanlage
Das Temperaturmonitoring im Nahumfeld der Erdwärmesonden, in der Regel ist hiermit der Ringraum gemeint, kann
zur Überwachung genehmigungsrechtlicher Temperaturvorgaben für den Untergrund genutzt werden. Zudem ist
damit prinzipiell auch eine Optimierung des Energieaustrages / -eintrages der einzelnen Sonden unter Einhaltung
vorgegebener Temperaturrandbedingungen möglich.
Für
das
kontinuierliche
Temperaturmonitoring
des
Untergrundes
im
unmittelbaren
Bereich
der
Erdwärmesondenanlage bieten sich drei unterschiedliche Systeme an. Sie werden im Folgenden näher vorgestellt
und verglichen.
7.1.3 Temperaturmessketten
Temperaturmessketten bestehen aus einem Messkabel, an dem in definierbaren Abschnitten Temperatursensoren
angebracht sind. Eine praktikable Größenordnung besteht dabei in der Anordnung von bis zu neun Sensoren über
eine Tiefe von 350 m. Die Anordnung der Sensoren über die Tiefe sollte dabei unter Berücksichtigung der
geologischen Verhältnisse erfolgen (repräsentative Erfassung der einzelnen Schichten). Eine ungleichmäßige
Platzierung der Sensoren entlang der Messkette ist somit zu erwarten. Die Messketten werden kabellos mit einer
Auslese- und Datenspeichereinheit verbunden. Die Datenübertragung findet per Funk statt.
Der Einbau der Temperaturmessketten erfolgt außen an einem Rohr der Erdwärmesonde im Zug der Installation.
Dafür sollte ein Vorlaufrohr ins Erdreich gewählt werden, um die minimalen Fluidtemperaturen zu erfassen. Dabei
wird die Temperaturmesskette z.B. mit Klebeband fest an der Wandung der Erdwärmsonde fixiert. Beim Einbau und
der Verfüllung der Erdwärmesonde muss besonders sorgfältig gearbeitet werden, um Beschädigungen der
Messkette während der Einbauphase zu vermeiden. Gerade bei mitteltiefen Erdwärmesonden ist das Risiko einer
Beschädigung der Messkette während des Einbaus aufgrund der langen Einbaustrecke als hoch einzuschätzen.
Alternativ zur Fixierung der Messkette an ein Sondenrohr ist auch der Einbau der Temperaturmesskette in einem
separaten, fluidgefüllten (meist Wasser) Rohr innerhalb des Ringraumes möglich. Der Vorteil dieser Vorgehensweise
besteht im deutlich besseren Schutz vor Beschädigungen während des Einbaues. Zudem kann bei dieser Variante
im Fall von Defekten an der Messkette auch jederzeit deren Ausbau und Reparatur erfolgen. Als Nachteile können
ein etwas schlechterer Anschluss der Messkette an den Untergrund (separater thermischer Widerstand durch
Schutzrohr) und der Einbau eines zusätzlichen Rohres mit eventuell notwendiger Erhöhung des Bohrdurchmessers
genannt werden. Mit der beschriebenen Vorgehensweise werden die Untergrundtemperaturen im unmittelbaren
Nahbereich einer Erdwärmesonde in definierten Tiefenbereichen kontinuierlich aufgezeichnet.
Prinzipiell ist der Einbau einer Temperaturmesskette auch in einem bzw. mehreren separaten Messrohren innerhalb
eines Sondenfeldes denkbar. Dafür wären jedoch entsprechend separate Bohrungen notwendig.
7.1.4 Faseroptisches Temperaturmesssystem
Das faseroptische Temperatursensorkabel ist zur lückenlosen Erfassung der Temperaturen entlang des gesamten
Messkabels geeignet. Standardmäßig werden jeweils die integralen Werte je 0,5 m erfasst und ausgegeben. Die
Sensorkabel werden stationär mit einem Temperaturmessgerät und einem Mess-PC zur Datenspeicherung
verbunden.
Der Einbau des Temperatursensorkabels erfolgt außen an einem Rohr der Erdwärmesonde im Zuge der Installation.
Dabei ist die Vorgehensweise analog zu den vorab beschriebenen Temperaturmessketten. Nach dem Einbau muss
das Temperaturmesssystem auf den Standort kalibriert werden. Mit der beschriebenen Vorgehensweise werden die
Untergrundtemperaturen im unmittelbaren Nahbereich einer Erdwärmesonde über die gesamte Rohrlänge von Vor-
und Rücklauf kontinuierlich erfasst.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 75
Prinzipiell ist der Einbau auch in einem separaten Messrohr innerhalb des Ringraumes einer Erdwärmesonde oder
separaten Messrohren innerhalb des Sondenfeldes denkbar. In diesem Fall ist jedoch keine getrennte Erfassung
von Vor- und Rücklauftemperaturen möglich.
7.1.5 Temperaturmessmolch
Beim Temperaturmessmolch handelt es sich um eine Kugel mit einem Durchmesser von 20 mm, die in eine
Erdwärmesonde eingebracht wird. Die Kugel sinkt in der Sonde nach unten, erfasst dabei Druck und Temperatur
und speichert diese Daten ab. Maximal ist die Abspeicherung von 3.200 Messwerten möglich. Die
Messwertaufnahme kann zwischen einem Wert pro Minute bis 32 Werte pro Sekunde frei gewählt werden. Die
Sinkgeschwindigkeit wird vom Hersteller mit 6,5 m/min für Sonden DA 32 und 15,0 m/min für Sonden DA 40 (bezogen
auf Wasser) angegeben. Die Einstellung der Messwertaufnahme muss daher an die gewünschte Auflösung über die
Tiefe und die zu erwartende Sinkgeschwindigkeit individuell angepasst werden. Für Sonden größeren Durchmessers
liegen bisher keine Erfahrungen zur Sinkgeschwindigkeit vor. Weiterhin wird vom Hersteller ein maximaler
Einsatzbereich bis 30 bar bzw. 300 m angegeben.
Für den Einsatz in produzierenden Erdwärmesonden ist die Kombination mit einem Autobypass möglich, der zu
definierten Zeitpunkten den Messmolch ein- und ausschleust. In diesem Fall wird ein Temperaturprofil im Vorlauf der
Sonde gemessen. Die genaue Sinkgeschwindigkeit muss dabei für das konkret vorhandene Wärmeträgermedium
im Vorfeld ermittelt werden.
7.1.6 Schlussfolgerungen
In Zusammenfassung der beschriebenen drei Systeme wird für ein mögliches Langzeitmonitoring an mitteltiefen
Erdwärmeanlagen die Auswahl eines kabelgebundenen Systems empfohlen.
Vorteile der kabelgebunden Systeme sind:
Erfassung der Untergrundtemperaturen im Nahfeld der Sonden,
wartungsfreie Messwertaufnahme,
frei wählbare zeitliche Auflösung,
bewährte Messverfahren,
Nutzung auch für die Optimierung des Energieeintrages /- austrages an den Sonden möglich.
Ein Nachteil wird in einer möglichen Beschädigung/ Zerstörung der Messkabel während des Einbaus gesehen,
soweit die Befestigung an der Außenwand der Erdwärmesonde erfolgt.
Um einen Vergleich der beschriebenen kabelgebundenen Systeme hinsichtlich der anfallenden Kosten zu erhalten,
wurden von zwei Anbietern Angebote abgefragt. Dafür ist als exemplarische Randbedingung vorgegeben worden,
dass das Temperaturmonitoring an drei Erdwärmesonden a 400 m erfolgen soll. Hierbei sollten jeweils die beiden
Sonden an den Rändern sowie eine Sonde in der Mitte des Sondenfeldes in das Monitoring einbezogen werden.
Für die Temperaturmessketten einschließlich Ausleseeinheit und Software sowie Zubehör fallen danach ca. 28.000 €
netto an Investitionen an. Bei Einbau von nur einer Messkette (z.B. an der thermisch am stärksten belasteten
(kältesten oder wärmsten) Sonde) belaufen sich die Kosten auf ca. 11.500 € netto. Für die Temperaturerfassung
über die Tiefe stehen 9 Sensoren zur Verfügung, so dass bei (theoretisch) gleichmäßiger Aufteilung über die Tiefe
alle 44 m ein Messwert erfasst wird.
Für das faseroptische Temperaturmesssystem ergeben sich Investitionskosten von ca. 80.000 € netto, wobei der
Hauptanteil von ca. 60.000 € netto auf das benötigte Temperaturmessgerät einschließlich PC und Software entfällt.
Bei Ausrüstung von nur einer Sonde fallen für das Messsystem ungefähre Kosten von 72.000 € netto an. Im Vergleich

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 76
zu den Temperaturmessketten liefert das faseroptische Messsystem bei Weitem höher aufgelöste Daten in einem
Intervall von 0,5 m. Inwiefern diese höhere vertikale Temperaturauflösung erforderlich bzw. angemessen ist, muss
im Einzelfall jeweils separat bewertet werden.
7.2 Monitoring zu Auswirkungen auf den Untergrund im
weiteren Umfeld der Erdwärmeanlage
Für die Erfassung der Auswirkungen auf den Untergrund im Umfeld der Sondenanlage bieten sich
Temperaturmessungen an entsprechend tiefen Grundwassermessstellen bzw. wassererfüllten Leerrohren oder
Einfach-U-Sonden an. Für die Untersuchung möglicher Einflüsse auf das Grundwasser und die Verfrachtung von
Wärme- und Kältefahnen mit dem Grundwasser sollten mit den Messstellen alle am Standort anzutreffenden
Grundwasserleiter zu beobachten sein. Die konkrete Planung zur Errichtung von Temperaturmessstellen muss dabei
stets einzelfallbezogen unter Beachtung der Untergrundverhältnisse erfolgen. Bei Standorten mit Stockwerksbau
wird in Sachsen die Basis des tiefsten Grundwasserleiters in der Regel oberhalb der Unterkante einer mitteltiefen
Erdwärmesonde liegen. Für entsprechende Standorte wird beispielsweise empfohlen, die Temperaturmessstellen
noch ca. 2 m in den, den tiefsten Grundwasserleiter unterlagernden Stauer einzubinden. Beim Neubau von
Temperaturmessstellen ist grundsätzlich auf eine fachgerechte Ringraumabdichtung zu achten, um hydraulische
Verbindungen zwischen getrennten Grundwasserleitern dauerhaft zu unterbinden.
Für die Beobachtung der Einhaltung von Temperaturrestriktionen an Grundstücksgrenzen, Grenzen von
bergrechtlichen Bewilligungsfeldern o.ä. kann es darüber hinaus erforderlich sein, das Temperaturmonitoring mit
Temperaturmessstellen über die gesamte, durch die Sonden erschlossene Gebirgsmächtigkeit durchzuführen. Dies
kann z.B. der Fall sein, wenn wie am Modellstandort Leipzig die größten Auswirkungen im Festgesteinsbereich zu
erwarten sind. Anhaltspunkte, ob hier ein entsprechendes Erfordernis vorliegen könnte, liefert die Dimensionierung
der mitteltiefen Sondenanlage im Rahmen einer geothermischen Modellierung.
Für das Temperaturmonitoring im Umfeld von Erdwärmesondenanlagen werden in der Regel eine
Anstrommessstelle und eine Abstrommessstelle benötigt. Die Anstrommessstelle muss dabei so positioniert sein,
dass
sie
unter
Berücksichtigung
der
Grundwasserfließrichtung
die
möglichst
unbeeinflussten
Temperaturverhältnisse im Untergrund erfasst. Die Abstrommessstelle ist im Abstrom der Sondenlage so zu
positionieren, dass sie Informationen über die (tiefenspezifische) Entwicklung der Untergrundtemperatur an einem
definierten Punkt des Strömungsfeldes liefert. Das können im Hinblick auf zugrundeliegende Bescheide und
Genehmigungen beispielsweise die Grundstücksgrenze oder die Grenze eines bergrechtlichen Bewilligungsfeldes
sein. Sollen Abstrommessstellen auf fremden Grundstücken errichtet werden, ist hierfür die Zustimmung des
Eigentümers erforderlich.
Die einfachste Möglichkeit des Temperaturmonitorings im weiteren Umfeld der Erdwärmeanlage besteht in einer
manuellen Messung des Temperaturprofils an definierten Stichtagen. Diese werden in wasserrechtlichen und / oder
bergrechtlichen Genehmigungsbescheiden bestimmt und liegen in der Regel am Ende der Heiz- und Kühlperiode.
Die Messung kann mit einem kabelgebundenen Temperatursensor oder dem Temperaturmessmolch (ggf. mit
Rückholhilfe) erfolgen.
Der Vorteil eines Temperaturmessmolches liegt dabei im verringerten Messaufwand und im einfacheren
Datenhandling durch die automatische Datenerfassung. Alternativ zu den beschriebenen manuellen Messverfahren
ist auch der Einbau einer Temperaturmesskette möglich. Hier sollte jedoch berücksichtigt werden, ob die Erfassung
von neun Messwerten über die Tiefe als ausreichend betrachtet wird. Der Einsatz hochauflösender, faseroptischer
Messsysteme lässt sich aufgrund der deutlich höheren Kosten (im Vergleich zu den vorgenannten Messverfahren)
kaum wirtschaftlich darstellen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 77
7.3 Empfehlungen zum Monitoringumfang mitteltiefer
Erdwärmeanlagen
Aufbauend auf die bisherigen Ausführungen zur Konzeption eines Monitoringsystems sollen abschließend
Empfehlungen für ein mögliches Monitoring an einer mitteltiefen Erdwärmeanlage gegeben werden. Für ein
Monitoring zur Überwachung und Optimierung des Anlagenbetriebes wird folgender Mindestumfang empfohlen:
Erfassung der Vor- und Rücklauftemperaturen jeder Erdwärmesonde,
Erfassung Gesamtdurchfluss und Wärmemenge für die gesamte Sondenanlage.
Der einzusetzende Wärmemengenzähler sollte dabei folgenden Anforderungen genügen:
Durchfluss einzeln abrufbar,
für den Einbau im Solekreislauf geeignet,
für getrennte Erfassung von Wärme- und Kälte geeignet.
Für die Temperaturmessung inklusive Datenspeicherung und -visualisierung ist von ca. 700 € netto pro
Erdwärmesonde auszugehen. Für die Erfassung, Speicherung und Visualisierung der Wärme- und Kältemengen
sowie des Gesamtdurchflusses ergeben sich ungefähre Kosten von 3.500 € netto.
Eine mögliche Erweiterung des beschriebenen Systems stellt die sondenspezifische Erfassung der Durchflüsse dar.
Hier ist pro Sonde mit zusätzlichen Kosten von ca. 1.500 € netto zu rechnen.
Das Einbringen einer Temperaturmesskette oder eines faseroptischen Messsystems in den Ringraum einer oder
mehrerer Erdwärmesonden wird für die Optimierung des Anlagenbetriebs nicht für unbedingt erforderlich gehalten.
Ein Einbau ist zu empfehlen, wenn ein wissenschaftliches Interesse an der Erforschung ablaufender Prozesse im
Ringraum produzierender Erdwärmesonden besteht. Gegebenenfalls könnte sich auch aus fall- und
anlagenspezifischen behördlichen Forderungen die Notwendigkeit eines Einbaus ergeben.
Die Errichtung von Temperaturmessstellen im An- und Abstrom einer mitteltiefen Erdwärmeanlage leitet sich in der
Regel aus den behördlichen Forderungen im Rahmen des Genehmigungsverfahrens ab und dient der
Dokumentation der Auswirkungen auf den Untergrund im Umfeld der Sondenanlage. Sowohl die Notwendigkeit zum
Bau der Messstellen als auch ihre Positionierung, Tiefe und geforderte Messintervalle ergeben sich aus der
konkreten behördlichen Abwägung des Einzelfalls, so dass außer den in Abschnitt 7.2 getroffenen Aussagen an
dieser Stelle keine detaillierteren Angaben einschließlich Kostenschätzung erfolgen können.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 78
8 Kostenbetrachtungen
8.1 Grundlagen
Eine wichtige Bedingung für Betrachtungen zur wirtschaftlichen Realisierbarkeit eines Nutzungskonzeptes stellt der
Vergleich mit anderen in Frage kommenden Nutzungskonzepten dar. Daher werden die Kosten für den Bau und
Betrieb einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage an den einzelnen Modellstandorten mit denen in Frage
kommender Alternativen konventioneller Systeme verglichen.
Für die Beheizung erfolgte ein Vergleich gegen die Energieträger Erdgas und Fernwärme. Für die Kühlung ist
grundsätzlich von Kompressionskälte ausgegangen worden. Vernachlässigt wurden für den Vergleich die
Forderungen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG), wonach ein bestimmter Anteil der
Wärmeenergie aus erneuerbaren Energien erzeugt werden muss. Während dies bei Fernwärme durch den Versorger
realisiert wird, müsste dies bei Erdgas z.B. durch Berücksichtigung eines Anteils von 30 % Biogas oder durch
Kombination mit Solarthermie erfolgen. Die daraus entstehenden Zusatzkosten sind aufgrund der unterschiedlichen
Möglichkeiten zur Deckung des regenerativen Anteils (und entsprechend unterschiedlicher Kostenansätze)
unberücksichtigt geblieben. Beim Variantenvergleich konkreter Planungen müssen diese jedoch berücksichtigt
werden.
Zusammengefasst werden damit folgende Systeme in die Kostenbetrachtungen einbezogen:
Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden,
Erdgas und Kompressionskälte,
Fernwärme und Kompressionskälte.
Prinzipiell könnte auch Kälte wie Wärme über Nahversorgungsnetze verteilt werden. Eine Recherche zum Stand
des Ausbaus der Kältenetze in den sächsischen Großstädten ergab allerdings, dass nur die Stadt Chemnitz über
ein größeres Kältenetz verfügt. Daher wurde Fernkälte nicht den Vergleich einbezogen.
Die Kostenbetrachtungen für den Bau und den Betrieb der benannten Wärme- und Kälteversorgungssysteme an den
einzelnen Modellstandorten wurden in Anlehnung an VDI 2067, Blatt 1 (VDI, 2012) durchgeführt. Sie basieren auf
den jeweiligen Nettokosten. Daher handelt es ich bei allen Kostenangaben im Kapitel 8 um Nettowerte.
Nach der genannten Richtlinie werden die zu berücksichtigenden Kosten in folgende Kostengruppen unterteilt:
kapitalgebundene Kosten,
bedarfsgebundene Kosten,
betriebsgebundene Kosten,
sonstige Kosten.
Unter den
kapitalgebundenen Kosten
werden allgemein die Ausgaben für Planung, Anschaffung und Erneuerung
zusammengefasst.
Um eine möglichst realistische Kostenberechnung durchzuführen, fanden auch die anfallenden Planungskosten
Beachtung. Dazu wurden anhand der geschätzten Investitionskosten die jeweiligen Planungskosten nach HOAI
(HOAI, 2013) ermittelt. Zugrunde lag dabei §56 für Honorare Grundleistung „Technische Ausrüstung“. Dabei wurde
die Honorarzone II, mittlerer Ansatz berücksichtigt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 79
Weiterhin sind in die Kostenbetrachtungen die möglichen Förderungen für den Einsatz erneuerbarer Energien
einbezogen worden. Während der redaktionellen Überarbeitung des Berichts traten mit Beginn des Jahres 2020
erheblich günstigere Fördermöglichkeiten für Geothermie in Kraft. Gemäß (BAFA, 2020) sind ab 01.01.2020
nunmehr neben der bisherigen Wärmepumpenförderung auch die Investitionen für die Errichtung von
Erdwärmesondenanlagen förderfähig. Der förderbare Anteil, welcher auch die Planungskosten einbezieht, beträgt
für Neubauten dabei 35 % der Gesamtinvestition. Daher wurden die Kostenbetrachtungen unter Berücksichtigung
der neuen Fördermöglichkeiten überarbeitet und auf die aktuellen Verhältnisse abgestellt.
In VDI 2067, Blatt 1 (VDI, 2012) werden für die einzelnen Bestandteile einer Heizungsanlage rechnerische
Nutzungsdauern
angegeben.
Diese
betragen
für
Gaskesselanlagen,
Wärmepumpen
und
Fernwärmeübergabestationen jeweils 20 Jahre. Davon abweichend betragen die rechnerischen Nutzungsdauern für
Erdwärmesonden 50 Jahre sowie für Kompressionskältemaschinen 15 Jahre.
Unter Berücksichtigung der oben genannten Nutzungsdauern erfolgte die Kostenbetrachtung für eine einheitliche
Nutzungsdauer von 20 Jahren. Die Gesamtinvestitionskosten für die Erdwärmesondenanlagen wurden rechnerisch
damit zu 40 % berücksichtigt, die Investitionskosten für die Kompressionskälte zu 133 %.
Vereinfachend ist für die Berechnungen die Finanzierung über Fremdkapital unter Zahlung eines marktüblichen
Zinses vernachlässigt worden. Es scheint nicht unrealistisch, dass bei einem Gebäudeneubau dieser
Größenordnung Gesamtinvestitionen zwischen 50 und 100 Mio. € (je nach Ausstattungsgrad) anfallen. Damit
betragen die Gesamtinvestitionskosten für eine mitteltiefe Erdwärmesondenanlage von ca. 1,5 Mio. € demnach 1,5
– 3 % der Gesamtsumme. Weiterhin wurde für die Betrachtungen die jährliche Inflationsrate vernachlässigt.
Die
bedarfsgebundenen Kosten
entsprechen den Energiekosten für Strom, Erdgas bzw. Fernwärme, die zur
Bereitstellung der erforderlichen Wärme- und Kältemengen eingesetzt werden müssen. Für die Berechnungen
wurden die jeweiligen Preisangaben der Stadtwerke in Leipzig, Chemnitz und Dresden herangezogen (Stand
November 2019). Eine Berücksichtigung möglicher Preisentwicklungen / -anstiege blieb mit Hinblick auf die
Preisentwicklungen bei den jeweiligen Wärmeträgern in den letzten fünf Jahren unberücksichtigt. Diese wäre ohnehin
als überaus spekulativ zu betrachten. Gemäß Angaben der Bundenetzagentur (Stand April 2019) ist für Erdgas
gegenüber 2014 ein Preisrückgang um 6,4 % bzw. 1,3 % pro Jahr zu verzeichnen. Für Strom wird dagegen ein
Preisanstieg um 4,5 % bzw. 0,9 % pro Jahr angegeben.
Die
betriebsgebundenen Kosten
beinhalten die Kosten, die bei der Bedienung, Wartung, Inspektion und Reparatur
der Anlage anfallen. Nach VDI 2067, Blatt 1 (VDI, 2012) werden betriebsgebundene Kosten als Prozentsatz von der
Investitionssumme sowie mit einem bestimmten Ansatz an Stundenaufwand pro Jahr berücksichtigt. Einen Überblick
über die angesetzten Werte gibt die folgende Tabelle.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 80
Tabelle 22: Ansatz für betriebsgebundene Kosten
System
Kostenanteil
Stundenaufwand
mitteltiefe Erdwärmesondenanlage -
Wärmepumpe
2,5 %
5 h
mitteltiefe Erdwärmesondenanlage -
Erdwärmesonden
0,5 %
0 h
Erdgaskesselanlage
3,0 %
20 h
Fernwärmeübergabestation
3,0 %
0 h
Kompressionskältemaschine
3,5 %
1 h
Weitere
sonstige Kosten
entstehen für Ausgaben für z.B. Versicherungen und Steuern. Diese wurden bei den Kos-
tenbetrachtungen vernachlässigt.
8.2 Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärme-
sonden
Unter Berücksichtigung der vorab beschriebenen Ansätze wurden für die Wärme- und Kälteversorgung mit
elektrischen Wärmepumpen unter Nutzung von Geothermie aus einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage als
Wärmequelle die folgenden Investitionskosten ermittelt.
Tabelle 23: Investitionskosten Erdwärme
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Erdwärmesondenanlage
1.094.650,00 €
1.166.600,00 €
1.132900,00€
Wärmepumpe und Zubehör
106.244,00 €
106.244,00 €
106.244,00 €
Planungskosten
208.830,00 €
218.666,00 €
214.135,00 €
Summe
1.409.724,00 €
1.491.510,00 €
1.453.279,00 €
Nach den aktuellen Richtlinien (BAFA, 2020) fördert das BAFA beim Neubau von Gebäuden den Einsatz von Ge-
othermie mit 35 % der Gesamtinvestitionskosten. Für die Inanspruchnahme der Förderung ist eine JAZ von 4,5 rech-
nerisch nachzuweisen. Tabelle 24 fasst die Förderanteile für die wesentlichen Bestandteile der Investitionskosten
zusammen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 81
Tabelle 24: Förderfähige Kosten Erdwärme
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Erdwärmesondenanlage
383.128,00 €
408.310,00 €
396.515,00 €
Wärmepumpe und Zubehör
37.185,00 €
37.185,00 €
37.185,00 €
Planungskosten
73.091,00 €
76.533,00 €
74.947,00 €
Summe
493.403,00 €
522.029,00 €
508.647,00 €
Nach Abzug der förderfähigen Kosten resultieren daraus die folgenden, vom Bauherrn aufzubringenden Nettoinves-
titionskosten.
Tabelle 25: Investitionskosten Erdwärme abzüglich Förderung
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Erdwärmesondenanlage
711.523,00 €
758.290,00 €
736.385,00 €
Wärmepumpe und Zubehör
69.059,00 €
69.059,00 €
69.059,00 €
Planungskosten
135.740,00 €
142.133,00 €
139.187,00 €
Summe
916.321,00 €
969.482,00 €
944.631,00 €
Unter Ansatz des einheitlichen rechnerischen Nutzungszeitraumes von 20 Jahren sind für die Kostenbetrachtungen
die in Tabelle 26 angegebenen Investitionskosten zu berücksichtigen. Dabei wird noch einmal darauf hingewiesen,
dass die Investitionskosten für die Erdwärmesondenanlage und die Planungsleistungen aufgrund der Nutzungsdauer
von 50 Jahren nur mit 40% angesetzt wurden (siehe Kapitel 8.1).
Tabelle 26: Investitionskosten Erdwärme bezogen auf Nutzungsdauer von 20 Jahren
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Erdwärmesondenanlage
284.609,00 €
303.316,00 €
294.554,00 €
Wärmepumpe und Zubehör
69.059,00 €
69.059,00 €
69.059,00 €
Planungskosten
54.296,00 €
56.853,00 €
55.675,00 €
Summe
407.963,00 €
429.228,00 €
419.288,00 €
Bei linearer Abschreibung über die Nutzungsdauer ergeben sich aus den Investitionskosten die nachfolgend aufge-
führten, jährlichen kapitalgebundenen Kosten.
Tabelle 27: Kapitalgebundene Kosten für Wärmepumpenanlagen mit mitteltiefen Erdwärmesonden
Modellstandort
Kosten (€/a)
Leipzig
20.398,17 €
Chemnitz
21.461,39 €
Dresden
20.964,38 €
Wie zu erkennen ist, fallen die kapitalgebundenen Kosten vergleichsweise sehr hoch aus, wobei der größte Anteil
auf die Errichtung der mitteltiefen Erdwärmesondenanlage (Abteufen der Bohrungen, Ausbau zu Erdwärmesonden)
entfällt. Die betriebsgebundenen Kosten für die Wärmepumpenanlage unter Berücksichtigung der in Tabelle 22 an-
gegebenen Ansätze sind in Tabelle 28 aufgeführt. Die Stunden für den Wartungsaufwand wurden dabei mit 50 €/h
berücksichtigt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 82
Tabelle 28: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Erdwärmesondenanlage
1.726,47 €
1.726,47 €
1.726,47 €
Wärmepumpe und Zubehör
1.423,05 €
1.516,58 €
1.472,77 €
Wartungsaufwand
250,00 €
250,00 €
250,00 €
Summe
3.399,51 €
3.493,05 €
3.449,24 €
Zur Ermittlung der bedarfsgebundenen Kosten wurden die aktuell gültigen Wärmepumpentarife (Stand Novem-
ber 2019) der lokalen Versorger herangezogen. Diese betragen (Angaben als Nettokosten):
Modellstandort Leipzig: 18,06 ct/ kWh,
Modellstandort Chemnitz: 16,52 ct/kWh,
Modellstandort Dresden: 15,28 ct/kWh.
Die Kostenermittlungen erfolgten unter Berücksichtigung folgender Jahresarbeitszahlen (JAZ) der Wärmepumpen:
JAZ Heizung: 4,73,
JAZ Kühlung: 2.
Die JAZ für den Heizbetrieb beruht auf einer rechnerischen Gesamtabschätzung der Jahresarbeitszahl einer
exemplarisch ausgewählten Wärmepumpe bei einer Quellentemperatur (Vorlauf zur Wärmepumpe) von + 2 °C.
Dies entspricht den bei der Modellierung angesetzten Temperaturrandbedingungen. Der JAZ für die Kühlung liegt
der Ansatz zugrunde, dass 75 % der Kühlarbeit passiv und 25 % der Kühlarbeit aktiv erbracht werden. Damit erge-
ben sich die in Tabelle 29 aufgeführten bedarfsgebundenen Kosten.
Tabelle 29: Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Wärmepumpenanlage mit mitteltiefen Erdwärmesonden
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Grundgebühr
87,00 €
56,88 €
68,95 €
Heizung Verbrauch
18.327,27 €
16764,48 €
15.506,13 €
Kühlung Verbrauch
1.444,80 €
1.321,60 €
1.222,40 €
Summe
19.859,07 €
18.142,96 €
16.797,48 €
8.3 Erdgas und Kompressionskälte
Bei
dieser
Variante
wird
die
Gebäudebeheizung
und
die
Warmwasserbereitung
über
eine
Gasbrennwertkesselanlage abgedeckt. Die Kühlung erfolgt über eine Kompressionskältemaschine. Die Schätzung
der Investitionskosten für einen Gasbrennwertkessel sowie die zugehörige Schornsteinanlage ist in Tabelle 30
aufgeführt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 83
Tabelle 30: Investitionskosten Gasbrennwertkesselanlage
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Gasbrennwertkessel
20.000,00 €
Schornstein
3.000,00 €
Planungskosten
9.232,00 €
Summe
32.232,00 €
Bei linearer Abschreibung über die Nutzungsdauer resultieren daraus kapitalgebundene Kosten von 1.611,61 €/a.
Die betriebsgebundenen Kosten für die Gasbrennwertkesselanlage unter Berücksichtigung des in Tabelle 22 ange-
gebenen Ansatzes sind in Tabelle 31 aufgeführt. Die Stunden für den Wartungsaufwand wurden dabei mit 50 €/h
berücksichtigt.
Tabelle 31: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Gasbrennwertkesselanlage
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Gasbrennwertkesselanlage
690,00 €
Wartungsaufwand
1.000,00 €
Summe
1.690,00 €
Zur Berechnung der bedarfsgebundenen Kosten wurden die Gaspreise der jeweiligen lokalen Versorger (Stand No-
vember 2019) berücksichtigt. Folgende Werte (Nettoangaben) wurden angesetzt:
Modellstandort Leipzig: 4,30 ct/ kWh,
Modellstandort Chemnitz: 4,57 ct/kWh,
Modellstandort Dresden: 4,86 ct/kWh.
Daraus resultieren die in Tabelle 32 angegebenen bedarfsgebundenen Kosten.
Tabelle 32: Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Gasbrennwertkesselanlage
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Grundgebühr
117,00 €
220,00 €
399,60 €
Heizung Verbrauch
20.640,00 €
21.936,00 €
23.328,00 €
Summe
20.757,00 €
22.156,00 €
23.727,60 €
Ein Vergleich mit den Werten in Tabelle 29 zeigt, dass die bedarfsgebundenen Kosten einer mitteltiefen Erdwärme-
sondenanlage unter denen einer Gasbrennwertheizung liegen.
Zur Klimatisierung der Räume in den Sommermonaten kommt eine Kompressionskältemaschine zum Einsatz. Die
geschätzten Investitionskosten betragen 78.000 € bei einer rechnerischen Nutzungsdauer von 15 Jahren. Bezogen
auf den Vergleichszeitraum von 20 Jahren und den damit zu berücksichtigenden Anteil für die Neuinvestition
resultieren daraus Investitionskosten von 104.000 €.
Tabelle 33: Kapitalgebundene Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschine
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Kompressionskältemaschine
104.000,00 €
Planungskosten
30.394,56 €
Summe
134.394,56 €
Unter Ansatz einer linearen Abschreibung über die Nutzungsdauer ergeben sich kapitalgebundenen Kosten von
6.719,73 €/a.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 84
Die betriebsgebundenen Kosten für eine Kompressionskältemaschine unter Bezug auf die in Tabelle 22 aufgeführten
Werte sind in Tabelle 34 zusammengestellt.
Tabelle 34: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschinen
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Kompressionskältemaschine
3.640,00 €
Wartungsaufwand
50,00 €
Summe
3.690,00 €
Die Berechnung der bedarfsgebundenen Kosten erfolgte auf Basis der jeweiligen Ökostromtarife der lokalen Strom-
versorger (Stand November 2019). Dabei liegt der Arbeitspreis für Ökostrom nur unwesentlich über dem für Nor-
malstrom.
Folgende Werte wurden angesetzt:
Modellstandort Leipzig: 24,12 ct/ kWh,
Modellstandort Chemnitz: 23,45 ct/kWh,
Modellstandort Dresden: 22,81 ct/kWh.
Für die Performance der Kompressionskältemaschine wurde ein Wert von 3 geschätzt. Damit ergeben sich die in
Tabelle 35 angegebenen bedarfsgebundenen Kosten.
Tabelle 35: Bedarfsgebundenen Kosten (€/a) für Kompressionskältemaschinen
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Grundgebühr
105,84 €
105,00 €
147,48 €
Kühlung Verbrauch
12.864,00 €
12506,67 €
12.165,33 €
Summe
12.969,84 €
12.611,67 €
12.312,81 €
8.4 Fernwärme und Kompressionskälte
Bei dieser Variante wird die Beheizung über den Bezug von Fernwärme realisiert, während die Kühlung über eine
Kompressionskältemaschine erfolgt. Nach den Angaben der Stadtwerke Leipzig ist beim gegenwärtigen Ausbaugrad
des Fernwärmenetzes am gewählten Modellstandort derzeit kein Fernwärmebezug möglich. Um einen Vergleich zu
den anderen Modellstandorten zu ermöglichen, wurde Fernwärme für den Modellstandort Leipzig dennoch mit in die
Betrachtungen
einbezogen.
Die
Investitionskosten
für
einen
Fernwärmeanschluss
umfassen
die
Hausanschlussstation sowie die wärme- und schallschutztechnische Ertüchtigung des Übergaberaumes. Dafür
wurden die in Tabelle 36 angegebenen Kosten geschätzt.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 85
Tabelle 36: Investitionskosten Fernwärmeanschluss
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Hausanschlussstation
20.000,00 €
Übergaberaum
3.000,00 €
Planungskosten
9.232,00 €
Summe
32.232,00 €
Unter Ansatz linearer Abschreibung über die Nutzungsdauer resultieren daraus kapitalgebundene Kosten von
1.611,61 €/a.
Die betriebsgebundenen Kosten für den Fernwärmeanschluss unter Berücksichtigung des in Tabelle 22
angegebenen Ansatzes sind in Tabelle 37 aufgeführt.
Tabelle 37: Betriebsgebundene Kosten (€/a) für Fernwärmeanschluss
Bestandteil
Kosten standortunabhängig
Hausanschlussstation
690,00 €
Wartungsaufwand
0,00 €
Summe
690,00 €
Zur Ermittlung der bedarfsgebundenen Kosten wurden die Abgabepreise für Fernwärme der jeweiligen lokalen Ver-
sorger berücksichtigt (Stand November 2019). Diese setzten sich aus einer leistungsbezogenen Grundgebühr, ei-
nem Messpreis sowie einem Arbeitspreis zusammen. Für den Arbeitspreis sind folgende Werte berücksichtigt wor-
den:
Modellstandort Leipzig: 6,32 ct/ kWh,
Modellstandort Chemnitz: 6,03 ct/kWh,
Modellstandort Dresden: 6,037 ct/kWh.
Die Werte für Grundgebühr und Messpreis sind in Tabelle 38 angegeben.
Tabelle 38: Bedarfsgebundene Kosten (€/a) für Fernwärme
Bestandteil
Leipzig
Chemnitz
Dresden
Grundgebühr
6.696,60 €
8.758,00 €
11.790,00 €
Messpreis
0,00 €
300,64 €
196,32 €
Heizung Verbrauch
30.336,00
28.944,00
28.977,60
Summe
37.032,60 €
38.002,64 €
40.963,92 €
Die für diese Variante anzusetzenden Kosten für die Kühlung entsprechen den Angaben in Tabelle 35.
8.5 Vergleich der Modellstandorte
Unter Bezug auf die in den Abschnitten 8.2 bis 8.4 ermittelten Daten lassen sich somit die Kosten für die
verschiedenen Systeme an den einzelnen Standorten hinsichtlich ihrer Kosten vergleichen. Für das System aus
mitteltiefer Erdwärmesondenanlage und Wärmepumpen wurden für den Kostenvergleich die kapitalgebundenen
Kosten anteilig nach dem Verhältnis von Heiz- und Kühlarbeit aufgeteilt. Die betriebsgebundenen Kosten wurden
dagegen vollständig bei der Heizung berücksichtigt, da der überwiegende Anteil der Kühlung passiv erfolgt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 86
8.5.1 Modellstandort Leipzig
Den Kostenvergleich für die jährlichen Heizkosten am Modellstandort Leipzig zeigt Abbildung 33.
Abbildung 33: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Leipzig
Es ist ersichtlich, dass bei der Beheizung mit Erdwärme vor allem die hohen kapitalgebundenen Kosten aber auch
der vergleichsweise hohen betriebsgebundenen Kosten den Gesamtpreis erhöhen. Dies kann durch die geringsten
bedarfsgebundenen Kosten aller Systeme nicht vollständig ausgeglichen werden. Das Heizen mit mitteltiefer
Geothermie stellt daher am Modellstandort Leipzig die zweitgünstigste Variante dar.
Unter Bezug auf die in Abbildung 33 dargestellten jährlichen Heizkosten können sogenannte Wärmegestehungskosten
ermittelt werden. Dazu werden die anfallenden Kosten auf die zu erbringende Heizarbeit bezogen.
Für den Modellstandort Leipzig fallen für die betrachteten Systeme die folgenden Wärmegestehungskosten an:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 7,71 ct/kWh,
Gas: 5,01 ct/kWh,
Fernwärme: 8,19 ct/kWh.
Ein Vergleich der Werte zeigt, dass die Beheizung mit Gas kostenmäßig am preiswertesten ist. Hier fallen bezogen
auf die Erdwärmenutzung nur 65 % der Kosten an. Im Vergleich zur Fernwärme weist Erdwärme einen Kostenvor-
teil von 6 % auf.
In Abbildung 34 sind die Beträge der jährlichen Kosten für Kühlung am Modellstandort Leipzig zusammengefasst.
Es wird deutlich, dass die Erdwärme gegenüber Kompressionskälte bei allen Kostenanteilen als auch insgesamt
einen enormen Kostenvorteil aufweist.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 87
Abbildung 34: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Leipzig
Analog zu den Heizkosten lassen sich auch für die Kühlung Kältegestehungskosten ausweisen, die die anfallenden
Gesamtkosten auf die zugrundeliegende Kühlarbeit beziehen.
Am Modellstandort Leipzig fallen die nachfolgend aufgeführten Kältegestehungskoten an:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 4,09 ct/kWh,
Kompressionskälte: 14,61 ct/kWh.
Aus den Werten lässt sich ableiten, dass beim System mitteltiefe Erdwärmesondenanlage die Kosten für die Küh-
lung nur 28 % im Vergleich zu Kompressionskälte betragen.
In Abbildung 35 sind die jährlichen Gesamtkosten für Heizung und Kühlung am Modellstandort Leipzig dargestellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 88
Abbildung 35: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Leipzig
Es ist zu erkennen, dass die Erdwärmenutzung über eine mitteltiefe Erdwärmesondenanlage in Summe das
günstigste System darstellt. Die ist vor allem auf die sehr günstigen Kühlkosten zurückzuführen.
Aus den in Abbildung 35 angegebenen Kosten lassen sich theoretische Gestehungskosten ermitteln, die die
anfallenden jährlichen Kosten auf die Summe aus Heiz- und Kühlarbeit beziehen. Es ergeben sich folgende Werte:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 6,81 ct/kWh,
Gas und Kompressionskälte: 7,41 ct/kWh,
Fernwärme und Kompressionskälte: 9,80 ct/kWh.
Aus den Werten lässt sich ableiten, dass bei Gesamtbetrachtung der Gebäudeklimatisierung die mitteltiefe
Geothermie insgesamt die wirtschaftlichste Nutzung darstellt. Der Kostenvorteil von mitteltiefer Erdwärmenutzung
gegenüber Gas und Kompressionskälte beträgt dabei ca. 9 % und gegenüber Fernwärme und Kompressionskälte
ca. 44 %.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 89
8.5.2 Modellstandort Chemnitz
Der Kostenvergleich für die jährlichen Heizkosten am Modellstandort Chemnitz ist in Abbildung 36 enthalten.
Abbildung 36: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz
Wie bereits für den Modellstandort Leipzig ausgeführt, ist auch am Modellstandort Chemnitz die Beheizung mit
Erdwärme aufgrund der hohen kapitalgebundenen Kosten sowie relativ hohen betriebsgebundenen Kosten
vergleichsweise teuer. Dieser Nachteil kann durch die niedrigen bedarfsgebundenen Kosten gegenüber Gas nicht
ausgeglichen werden.
Unter Bezugnahme auf die in Abbildung 36 dargestellten jährlichen Heizkosten ergeben sich für den Modellstandort
Chemnitz die nachfolgend aufgeführten Wärmegestehungskosten:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 7,57 ct/kWh,
Gas: 5,30 ct/kWh,
Fernwärme: 8,40 ct/kWh.
Ein Vergleich der Werte ergibt, dass die Beheizung mit Gas analog zum Modellstandort Leipzig am günstigsten ist.
Allerdings fällt der Kostenvorteil aufgrund der standortspezifischen Preisgestaltung mit 70 % anfallenden Kosten im
Vergleich zu Erdwärme etwas geringer aus. Im Vergleich zu Fernwärme ist die Beheizung mit mitteltiefen Erdwär-
mesonden preiswerter, der Kostenvorteil beläuft sich auf 11 %.
In Abbildung 37 sind die Kosten für die jährlichen Kosten für Kühlung am Modellstandort Chemnitz dargestellt. In
Analogie zum Modellstandort Leipzig lässt sich ableiten, dass die mitteltiefe Erdwärmesondenanlage gegenüber
Kompressionskälte bei allen Kostenanteilen, insbesondere jedoch bei den Verbrauchskosten einen deutlichen
Kostenvorteil aufweist.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 90
Abbildung 37: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz
Unter Bezugnahme auf die in Abbildung 37 dargestellten Kosten ergeben sich für den Modellstandort Chemnitz die
folgenden Kältegestehungskoten:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 4,18 ct/kWh,
Kompressionskälte: 14,39 ct/kWh.
Aus den Werten lässt sich für den Modellstandort Chemnitz ein Kostenvorteil der mitteltiefen Erdwärmesondenan-
lage gegenüber der Kompressionskälte von 71 % ableiten.
In Abbildung 38 sind die jährlichen Gesamtkosten für Heizung und Kühlung am Modellstandort Chemnitz
zusammengestellt. Es lässt sich erkennen, dass die mitteltiefe Erdwärmesondenanlagennutzung insgesamt das
günstigste System darstellt. Dies beruht vor allem auf den sehr niedrigen Kosten für die Kühlung.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 91
Abbildung 38: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Chemnitz
Aus den in Abbildung 38 angegebenen Kosten lassen sich wie bereits für den Modellstandort Leipzig beschrieben,
theoretische Gestehungskosten ermitteln. Dabei ergeben sich folgende Werte:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 6,73 ct/kWh,
Gas und Kompressionskälte: 7,57 ct/kWh,
Fernwärme und Kompressionskälte: 9,89 ct/kWh.
Aus den Werten geht hervor, dass bei Gesamtbetrachtung der Gebäudeklimatisierung der Kostenvorteil der mittel-
tiefen Geothermie gegenüber Gas und Kompressionskälte ca. 12 % beträgt. Im Vergleich zu Fernwärme und Kom-
pressionskälte fällt dieser Kostenvorteil mit ca. 32 % noch wesentlich deutlicher aus.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 92
8.5.3 Modellstandort Dresden
Der Kostenvergleich für die jährlichen Heizkosten am Modellstandort Dresden zeigt Abbildung 39.
Abbildung 39: Kostenvergleich Heizkosten (€/a) am Modellstandort Dresden
Wie bereits für die beiden anderen Modellstandorte angeführt, ist auch am Modellstandort Dresden die Beheizung
mit Gas am preisgünstigsten. Danach stellt die Gewinnung von Erdwärme aus mitteltiefen Erdwärmesonden die
zweitgünstigste Beheizungsvariante dar.
Aus den in Abbildung 39 dargestellten jährlichen Heizkosten resultieren für den Modellstandort Dresden die
nachfolgend aufgeführten Wärmegestehungskosten:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 7,22 ct/kWh,
Gas: 5,63 ct/kWh,
Fernwärme: 9,01 ct/kWh.
Wie bereits benannt, weist die Beheizung mit Gas auch am Modellstandort Dresden einen Kostenvorteil auf. Dieser
beträgt gegenüber Erdwärme 22 % und fällt damit im Vergleich der Modellstandorte untereinander am geringsten
aus. Der Preisvorteil der mitteltiefen Geothermie gegenüber Fernwärme beträgt am Modellstandort Dresden 20 %.
Im Vergleich der Modellstandorte untereinander stellt dies den höchsten Wert dar.
In Abbildung 40 sind die Beträge der jährlichen Kosten für Kühlung am Modellstandort Dresden dargestellt. In
Analogie zu den anderen Modellstandorten ergibt sich für die Nutzung von Erdwärme über mitteltiefe
Erdwärmesondenanlagen bei allen Kostenanteilen, insbesondere jedoch bei den Verbrauchskosten ein deutlicher
Kostenvorteil.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 93
Abbildung 40: Kostenvergleich Kältekosten (€/a) am Modellstandort Dresden
Unter Bezug auf die in Abbildung 40 angeführten Kosten lassen sich für den Modellstandort Dresden die folgenden
Kältegestehungskosten ableiten:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 4,04 ct/kWh,
Kompressionskälte: 14,20 ct/kWh.
Aus den ermittelten Werten ergibt sich für den Modellstandort Dresden ein Kostenvorteil der mitteltiefen Erdwärme-
sondenanlagen gegenüber der Kompressionskälte von ca. 72 %.
In Abbildung 41 sind die jährlichen Gesamtkosten für Heizung und Kühlung am Modellstandort Dresden
zusammengestellt. Es lässt sich erkennen, dass die Nutzung von Erdwärme über mitteltiefe Erdwärmesonden wie
auch an den beiden anderen Modellstandorten das insgesamt günstigste System darstellt.

image
Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 94
Abbildung 41: Kostenvergleich Gesamtkosten (€/a) am Modellstandort Dresden
Aus den in Abbildung 41 aufgeführten Kosten lassen sich theoretische Gestehungskosten für die insgesamt
bereitgestellte Summe aus Heiz- und Kühlarbeit berechnen. Daraus resultieren folgende Werte:
Mitteltiefe Erdwärmesondenanlage: 6,43 ct/kWh,
Gas und Kompressionskälte: 7,77 ct/kWh,
Fernwärme und Kompressionskälte: 10,31 ct/kWh.
Aus den ausgewiesenen Kosten ergibt sich in der Gesamtbetrachtung für mitteltiefe Erdwärmesondenanlagen ge-
genüber Gas und Kompressionskälte ein Kostenvorteil von ca. 21 %. Gegenüber Fernwärme und Kompressions-
kälte fällt der Kostenvorteil der mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen mit ca. 40 % noch deutlicher aus.
8.5.4 Zusammenfassung
Durch die Kostenbetrachtungen, die um eine möglichst große Realitätsnähe zu erzielen, auch die Planungskosten
beinhalten, wurde gezeigt, dass die Nutzung mitteltiefer Geothermie an allen Modellstandorten in der
Gesamtbetrachtung die kostengünstigste Variante darstellt.
Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass die Nutzung erneuerbarer Energien, und insbesondere der
Geothermie zur Klimatisierung von Gebäuden seit 01.01.2020 deutlich stärker gefördert wird (BAFA, 2020). Während
bis 31.12.2019 lediglich der Einbau von hocheffizienten Wärmepumpen mit einem Festbetrag gefördert wurde, sind
nun auch die Errichtung der Erdwärmesondenanlagen sowie die aufgrund der hohen Investitionskosten auch nicht
unerheblichen Planungskosten förderfähig. Die Förderung beträgt nunmehr für den Neubau von Gebäuden 35 % der
Gesamtinvestition und stellt damit eine erhebliche Verbesserung dar. Es ist zu hoffen, dass dadurch die Realisierung
mitteltiefer geothermischer Projekte in Zukunft deutlich interessanter wird und somit auch damit ein effektiver Beitrag
zur Luftreinhaltung und zum Klimaschutz geleistet werden kann.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 95
9 Diskussion
9.1 Übertragbarkeit der Ergebnisse
Im Forschungsvorhaben wurden mitteltiefe Erdwärmesondenanlagen an ausgewählten Modellstandorten in den
sächsischen Großstädten detailliert geplant. In diesem Zusammenhang ergibt sich die Frage nach der
Übertragbarkeit der erzielten Ergebnisse für mögliche zukünftige Vorhaben.
Prinzipiell festzustellen ist, dass die durchgeführten Betrachtungen und insbesondere die Modellergebnisse nur unter
den berücksichtigten Randbedingungen für den jeweils betrachteten Modellstandort gültig sind.
Dies gilt vor allem mit Hinblick auf die gebäudetechnischen Anforderungen sowie die geologischen Verhältnisse, die
maßgeblich für die Ableitung der hydrogeologischen und geothermischen Eingangsdaten für die geothermische
Modellierung sind.
Die erzielten Ergebnisse können daher als erste grobe Abschätzung für künftige Projekte in den drei sächsischen
Großstädten herangezogen werden. Voraussetzung dafür ist, dass die energetischen Anforderungen mit denen der
Musteranlage in ihrer Größenordnung und im Verhältnis der Heiz- und Kühlarbeit vergleichbar sind.
Unabhängig davon sind natürlich die gewählte Herangehensweise, die Bearbeitungsschritte und die beschriebenen
Konzeptionen als Muster auf jedes mitteltiefe Erdwärmesondenprojekt übertragbar.
Nachfolgend werden einige Hinweise zur Variabilität der geologischen Verhältnisse innerhalb der Stadtgebiete der
drei betrachteten Städte gegeben, die bei einer beabsichtigten groben Erstabschätzung unter Bezugnahme auf die
erzielten Ergebnisse unbedingt berücksichtigt werden sollten.
Modellstandort Leipzig
Am Modellstandort Leipzig wird das Festgestein in Form von proterozoischer Grauwacke in einer Tiefe von ca. 80 m
erwartet. Darüber lagern tertiäre und quartäre Lockersedimente.
Dieser Aufbau kann nicht grundsätzlich auf das gesamte Stadtgebiet übertragen werden. Zwar sind beispielsweise
auch im Stadtzentrum zum Teil vergleichbare Verhältnisse zu erwarten, jedoch kann die Tiefenlage der
Festgesteinsoberfläche um mehrere Zehnermeter variieren. Mitunter steht das Festgestein sogar fast an der
Geländeoberfläche an (z.B. Region Leipzig Lindenau oder Plagwitz), während es im Nordosten der Stadt teilweise
erst bei ca. 100 m Tiefe angetroffen wird. Auch tritt als Festgesteinsuntergrund nicht überall Grauwacke auf. In den
westlichen Stadtteilen steht darüber eine mächtige Abfolge von Sandsteinen, Konglomeraten und Schiefertonen des
Karbons an. Im äußersten Osten der Stadt folgt unter den Lockergesteinen mächtiger Quarzporphyr, Tuff oder
Ignimbrit des Rotliegenden. Selbst im Verbreitungsgebiet der Grauwacke können in diese paläozoische Granite und
Granodiorite intrudiert sein. Für alle der genannten Gesteine sind im Vergleich
zur Grauwacke
größenordnungsmäßig keine wesentlich schlechteren geothermischen Eigenschaften zu erwarten.
Entsprechend der obigen Ausführungen gibt es innerhalb des Stadtgebietes auch Unterschiede in der Ausbildung
und Mächtigkeit der Lockergesteinsbedeckung. Da jedoch hinsichtlich der geothermischen Nutzung vor allem das
Festgestein von Bedeutung ist und diesbezüglich innerhalb des Stadtgebietes keine wesentlich schlechteren
Verhältnisse erwartet werden, können die in den Modellrechnungen angesetzten geothermischen Randbedingungen
in erster Näherung auf das Stadtgebiet übertragen werden. Dies ersetzt im Falle konkreter Bauvorhaben jedoch
keinesfalls eine standortkonkrete Planung die sich an den grundlegenden Bearbeitungsschritten der hier
betrachteten Musterstandorte orientieren sollte. Dies gilt grundsätzlich für alle konkreten Erdwärmevorhaben.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 96
Modellstandort Chemnitz
Der Modellstandort Chemnitz befindet sich in relativ zentraler Lage des Chemnitzer Beckens. Am Standort werden
bis ca. 430 m u. GOK die Ablagerungen des Rotliegenden angetroffen, deren Basis die Härtensdorf-Formation bildet.
Darunter sind kambroordovizische Phyllite zu erwarten. Im Stadtgebiet ist innerhalb der Beckenlage von
vergleichbaren geothermischen Eigenschaften der anzutreffenden Gesteine auszugehen. In Richtung Süden nimmt
innerhalb des Stadtgebiets die Mächtigkeit der Rotliegendablagerungen ab, so dass die Phyllite schon in wesentlich
geringerer Tiefe angetroffen werden können. Die geothermischen Eigenschaften des Phyllits werden gegenüber den
Rotliegendablagerungen als vergleichbar oder günstiger eingestuft.
In Richtung Norden wird das Chemnitzer Becken durch das Sächsische Granulitgebirge begrenzt. Auch hier können
in den Übergangsbereichen geringere Mächtigkeiten für die Rotliegendablagerungen erwartet werden. Die
unterlagernden Gesteine werden dann unter anderem aus Grauwacken, Tonschiefern und Phylliten gebildet. Diese
weisen im Vergleich zu den Sedimenten des Rotliegenden in der Regel günstigere geothermische Eigenschaften
auf.
Zusammenfassend kann aus den vorangegangenen Ausführungen abgeleitet werden, dass eine Übertragung der
geothermischen Randbedingungen auf das weitere Stadtgebiet im Sinne einer überschläglichen Erstabschätzung
prinzipiell zulässig ist. In Abhängigkeit vom konkreten Standort sind mindestens vergleichbare, gegebenenfalls
potentiell bessere Standorteigenschaften zu erwarten.
Modellstandort Dresden
Der Modellstandort Dresden liegt im Randbereich der Dresdner Elbtalweitung. Am Standort werden bis ca. 10 m
quartäre Sedimente, bis ca. 85 m Ablagerungen der Sächsischen Kreide und ab 85 m das Grundgebirge im Form
von Monzoniten angetroffen. In nordöstlicher Richtung bis etwa zum Albertplatz (3,5 km Entfernung) nehmen sowohl
die Mächtigkeiten der quartären als auch der kreidezeitlichen Ablagerungen zu. Die Basis der Kreidesedimente wird
dann bei ca. 150 m bis 200 m u. GOK angetroffen. Das Grundgebirge unterhalb der Kreide wird von Granodiorit
gebildet. Weiter in Richtung Nordosten bis zur Dresdener Heide (ca. 2,5 km Entfernung) ist an der Oberfläche
teilweise mit bis zu 40 m mächtigen weitestgehend trockenen sandigen Ablagerungen zu rechnen, die über sehr
geringe Wärmeleitfähigkeiten verfügen. Der Nordrand der Dresdener Elbtalweitung wird abrupt von der Lausitzer
Überschiebung begrenzt. Jenseits der Lausitzer Überschiebung werden ab der Geländeoberkante Granodiorite und
Granite verschiedener Varietät angetroffen.
Für das Stadtgebiet Dresden gestalten sich Aussagen zur Übertragbarkeit des geothermisch/hydrogeologischen
Modells am schwierigsten. Im Bereich mächtigerer kreidezeitlicher Ablagerungen sollte von Einbußen hinsichtlich
der geothermischen Ergiebigkeit ausgegangen werden.
Darüber hinaus muss in Dresden einzelfallspezifisch geprüft werden, ob die Errichtung einer mitteltiefen
Sondenanlage am Standort genehmigungsfähig ist. In weiten Bereichen des Stadtgebiets wird an der Basis der
Kreide innerhalb der Oberhäslich-Formation der sogenannte „Unter-Quader“-Sandstein angetroffen, der als
Reservehorizont für die Trinkwassergewinnung dient und in der Regel nicht angebohrt werden darf. Es wird
empfohlen, hier im Vorfeld entsprechende Auskünfte bei der Unteren Wasserbehörde einzuholen.
Eine näherungsweise Übertragung der geothermischen Randbedingungen auf Bereiche des Stadtgebietes, in denen
das Grundgebirge in geringerer Tiefe oder wie im Bereich des nördlichen Elbhanges bereits an der Oberfläche
angetroffen wird, ist dagegen möglich, da für das Grundgebirge von höheren Wärmeleitfähigkeiten auszugehen ist.
Es sollte jedoch aufgrund zu erwartender bohrtechnischer Probleme vermieden werden, eine Sondenanlage im
direkten Bereich der Lausitzer Überschiebung zu platzieren.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 97
9.2 Optimierungsmöglichkeiten
Wie
aus
den
durchgeführten
Kostenbetrachtungen
deutlich
abgeleitet
werden
kann,
sind
mitteltiefe
Erdwärmesondenanlagen besonders im Hinblick auf die Gebäudekühlung sehr interessant und wirtschaftlich sehr gut
darstellbar. Unter den seit 2020 geltenden Förderbedingungen für Heizen mit erneuerbaren Energien durch das BAFA
(BAFA, 2020) stellen die mitteltiefen Erdwärmesondenanlagen bereits unter den im Forschungsvorhaben betrachteten
energetischen Randbedingungen die kostengünstigste Variante dar. Diese sind durch eine dreifach höhere Heizarbeit im
Vergleich zur Kühlarbeit gekennzeichnet. Eine höhere Effizienz und damit verbunden weitere Kostenvorteile ergeben sich,
wenn neben der Heizarbeit möglichst viel Kühlarbeit über die Sonden abgedeckt wird. Ein Optimum stellt dabei der Fall
dar, der durch ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen entzogener Wärmemenge im Winter und eingespeister
Wärmemenge im Sommer gekennzeichnet ist. Eine dauerhaft höhere Kühlarbeit führt dagegen zu einer Erwärmung des
Untergrundes und ist aus genehmigungsrechtlicher Sicht unter Umständen problematisch.
Für die Planung künftiger Anlagen wird deshalb empfohlen, diese (soweit möglich) mit Fokus auf eine ausgeglichene
Energiebilanz auszulegen. Dass dies prinzipiell möglich sein dürfte, ergeben die Ansätze, die von Haustechnikplanern für
eine erste Abschätzung von Heiz- und Kühlleistung angesetzt werden. Dabei wird für neu zu errichtende Bürogebäude
von einem Kühlbedarf zwischen 40 W/m² und 80 W/m² ausgegangen, während sich der Heizbedarf in Abhängigkeit vom
angestrebten Wärmeschutzstandard zwischen < 20 W/m² bis 40 W/m² bewegt.
Es wird empfohlen, den Heiz- und Kühlbedarf möglichst im Rahmen einer haustechnischen Gebäudesimulation zu
ermitteln. Dadurch wird sichergestellt, dass unter Berücksichtigung der Gebäudekonfiguration (Wärmeschutzstandard,
Anzahl und Ausrichtung der Fenster, Verschattung etc.) und der Gebäudenutzung (Temperaturen im Sommer und Winter,
Anzahl Personen, weitere interne Lasten) möglichst realistische Größenordnungen für Heiz- und Kühlarbeit in die
Dimensionierung der Erdwärmesondenanlagen einfließen.
Weitere Optimierungsmöglichkeiten werden im Zusammenspiel mit anderen erneuerbaren Energien gesehen. So kann
eine solarthermische Anlage heizungsunterstützend wirken und den Entzug von geothermischer Energie aus dem
Untergrund verringern. Möglich ist auch eine solare Regeneration der Sonden während der Heizpause. Zudem ist auch
eine Kombination mit Photovoltaik möglich, um den Strombedarf der Wärmepumpen ganz oder teilweise durch autark vor
Ort erzeugten Strom zu decken. Da entsprechende Auslegungen in das Aufgabenfeld der Gebäude- und
Haustechnikplanung fallen, erfolgen an dieser Stelle dazu keine weiteren vertiefenden Ausführungen. Es ist jedoch wichtig
zu betonen, dass eine erfolgreiche Realisierung der genannten Optionen einer engen Zusammenarbeit zwischen
Erdwärme- und Haustechnikplaner bedarf.
Des Weiteren wird ein möglicher Vorteil beim zukünftigen Betrieb von geothermischen Wärmepumpenanlagen in
Kombination mit mitteltiefen Erdwärmesonden im sogenannten „netzdienlichen“ Betrieb gesehen. Durch den kontinuierlich
ansteigenden Anteil erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne, der eine Stromproduktion in Abhängigkeit von den
Witterungsbedingungen zu Folge hat, werden künftig noch verstärkter als bisher Differenzen zwischen Stromproduktion
und Strombedarf auftreten, die im extremsten Fall die gesamte Netzstabilität gefährden können. Ein möglicher
Lösungsansatz wird darin gesehen, einzelne Gebäude oder ganze Quartiere als Stromspeicher und / oder regelbare
Lasten zu betreiben. Für den Betrieb einer Wärmepumpe bedeutet dies, dass ihre Laufzeiten neben den energetischen
Anforderungen des Gebäudes auch von den aktuellen Erfordernissen des Netzes bestimmt wird und im Bedarfsfall eine
Aktivierung des Wärmepumpenbetriebs von außerhalb des Gebäudes erfolgt. Die anfallende Wärme bzw. Kälte wird in
Wärme- bzw. Kältespeichern sowie in der Gebäudehülle selbst gespeichert. Es ist davon auszugehen, dass ein Betreiber
netzdienlicher Gebäude zukünftig mit deutlichen Kostenvorteilen rechnen kann. Für den netzdienlichen geothermischen
Wärmepumpenbetrieb erscheint dabei eine Wärme- bzw. Kälteerzeugung zum Nulltarif nicht völlig unrealistisch. Bereits
bis Ende 2019 wurde der Einbau netzdienlicher Wärmepumpen vom BAFA mit einem Bonus von 500 € pro Wärmepumpe
gefördert. Inwieweit diese Förderung unter den neuen Randbedingungen ab 2020 weitergeführt oder ausgebaut wird, ist
zum gegenwärtigen Zeitpunkt (Stand Januar 2020) noch nicht klar.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 98
10 Handlungsempfehlungen
Zur Dokumentation des Ablaufs der Planung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage wurde ein Fließschema
entwickelt, welches in Anlage 10 enthalten ist. Anhand dieses Schemas werden nachfolgend Hinweise für eine
künftige Realisierung mitteltiefer Erdwärmesondenanlagen gegeben. Zudem wird an dieser Stelle nochmals darauf
hingewiesen, dass die Planungen immer unter Mitwirkung eines Geothermiefachplaners erfolgen sollten.
Auskünfte zum Standort
Ein mögliches Projekt beginnt mit der Bewertung des potentiellen Anlagenstandortes. Dazu werden als
Voraussetzung geologische Daten zum erwarteten Bohrprofil sowie Auskünfte zu möglichen Restriktionen eingeholt.
Die Restriktionen können z.B. wasserwirtschaftlicher Art sein oder Altlasten betreffen. Die Informationen zu den
geologischen Verhältnissen können teilweise online über das Umweltdatenportal Sachsen (LfULG, 2020)
eingesehen werden oder über eine Anfrage beim Bohrarchiv des LfULG angefordert werden. Informationen zu
wasserwirtschaftlichen Einschränkungen und zur Altlastensituation sind bei den zuständigen unteren
Umweltbehörden abzufragen.
Bewertung Standort
Auf Basis der erteilten Auskünfte zu möglichen Restriktionen erfolgt eine Bewertung der prinzipiellen Realisierbarkeit
des Projekts. Aus den Daten zum geologischen Aufbau am Standort werden die wesentlichen geothermischen
Parameter Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität abgeleitet. Zu empfehlen ist außerdem eine Anfrage
beim LfULG, ob Ergebnisse aus Thermal-Response-Tests in der Umgebung des geplanten Anlagenstandorts
vorliegen.
Gebäudetechnische Anforderungen
Die Definition des Wärme-und Kältebedarfs durch den Fachplaner Heizung / Klimatechnik bildet die Grundlage für
die Vordimensionierung der Anlage.
Vordimensionierung der Erdwärmesondenanlage
Die Vordimensionierung erfolgt auf Basis der definierten energetischen Anforderungen und der abgeleiteten
geothermischen Parameter. Hinsichtlich der Bohrtiefe wird empfohlen, einen Maximalwert von 350 m nicht zu
überschreiten. Die Empfehlung beruht zum einen auf den aktuell verfügbaren Sondentypen gemäß Kapitel 4.1.2.
Des Weiteren beginnt bei Bohrtiefen von mehr als 400 m die Pflicht zur UVP-Vorprüfung. Hier sind in einer Studie
mögliche Auswirkungen des Vorhabens auf die Umwelt zu beschreiben. Anhand der Studie wird entscheiden, ob für
die Errichtung der Bohrungen eine Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen ist. Da diese Entscheidung nicht
vorhergesehen werden kann, muss bei geplanten Bohrtiefen von mehr 400 m mit einem zusätzlichen Zeitbedarf für
die Genehmigung von mindestens 2 Jahren gerechnet werden.
Im Zuge der Vordimensionierung ist auch die Lage der mitteltiefen Erdwärmesondenanlage auf dem zu bebauenden
Grundstück festzulegen. Sie sollte so gewählt werden, dass möglichst wenige Überschneidungen mit dem Bauablauf
anderer Gewerke existieren und zugleich eine kurze Anbindung der Erdwärmesonden zur Wärmepumpe realisiert
werden kann. Aufgrund des relativ geringen Platzbedarfs an der Oberfläche kann dies besser umsetzbar sein als bei
vergleichbaren oberflächennahen Anlagen. Bei der Positionierung der Sonden wird für den Fall eines
Genehmigungsverfahrens
nach Wasserrecht
empfohlen,
die
erforderlichen
Mindestabstände
zu
den
Grundstücksgrenzen mit der zuständigen unteren Wasserbehörde abzustimmen. Soweit die Genehmigung der
geplanten Anlage nach Bergrecht und damit unter Ausweisung eines Bergwerksfeldes erfolgt, müssen keine
Mindestabstände eingehalten werden. Die Erdwärmesonden müssen sich dann lediglich auf dem Grundstück des
Antragstellers befinden. Hinsichtlich des umzusetzenden Genehmigungsverfahrens wird die frühzeitige Abstimmung
mit den zuständigen Genehmigungsbehörden (untere Wasserbehörde, Oberbergamt) empfohlen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 99
Für die Durchführung der Vordimensionierung ist die Verwendung des analytischen Programms EED oder
vergleichbarer Software ausreichend. Aus Erfahrungen bisheriger Projekte ist davon auszugehen, dass in der Phase
der Vordimensionierung Varianten mit unterschiedlichen energetischen Anforderungen zu untersuchen sind. Für die
Ermittlung der optimalen Anlagenkonfiguration ist deshalb eine enge Abstimmung zwischen den Fachplanern
Heizung / Klimatechnik und Geothermie erforderlich.
Bewertung Wirtschaftlichkeit
Die Ergebnisse der bisherigen Bearbeitung einschließlich Vordimensionierung sollten in einem Bericht
(Machbarkeitsstudie) dokumentiert und durch eine überschlägliche Kostenschätzung zur Errichtung der
Sondenanlage ergänzt werden.
Auf dieser Basis erfolgt (in der Regel durch den Fachplaner Heizung / Klimatechnik) die Durchführung von
Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Anhand der Ergebnisse entscheidet der Bauherr, ob der Bau einer mitteltiefen
Erdwärmesondenanlage weiterverfolgt wird.
Wie durch die Betrachtungen in Kapitel 8 gezeigt werden konnte, bestehen nicht zuletzt durch die seit Jahresbeginn
2020 geltenden Förderrichtlinien des BAFA (BAFA, 2020) gute Chancen, die Errichtung einer mitteltiefen
Erdwärmesondenanlage wirtschaftlich darzustellen.
Genehmigungsverfahren
Bei positiv bewerteter Wirtschaftlichkeit erfolgt als nächster Bearbeitungsschritt die Erarbeitung der Unterlagen, die
zur Erlangung der benötigten Genehmigungen zur Errichtung und zum Betrieb der Anlage erforderlich sind.
Die Genehmigung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage kann prinzipiell sowohl nach Wasserrecht als auch
nach Bergrecht erfolgen. Es ist daher erforderlich, zu Beginn der Bearbeitung in einem Abstimmungstermin mit der
unteren Wasserbehörde und den durch die Wasserbehörde beteiligten weiteren Behörden zu klären, welche Behörde
das Verfahren führen wird. In Sachsen liegen dazu bisher keine eindeutigen Regelungen vor. Aus Sicht des Bauherrn
ist eine Genehmigung nach Bergrecht vorteilhaft. In diesem Fall wird im Zuge des Verfahrens ein Bergwerksfeld für
die Nutzung der Erdwärme ausgewiesen. Dadurch sind konkurrierende Nutzungen innerhalb des Bergwerksfeldes
ausgeschlossen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Ausweisung eines Bergwerksfeldes keine
Mindestabstände zur Grundstücksgrenze einzuhalten sind, solange die Sonden auf dem Grundstück des Bauherrn
liegen.
Bei Verfahrensführung durch das Sächsische Oberbergamt werden die ebenfalls zuständigen Behörden (Untere
Wasserbehörde, LfULG als Fachbehörde, ggf. weitere Behörden) am Verfahren beteiligt. Die weiteren Erläuterungen
zum Projektablauf erfolgen unter Zugrundelegung dieser Annahme. Im Zuge des Genehmigungsverfahrens findet
auch die Prüfung statt, inwieweit die Errichtung einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage mit der Endlagersuche
nach Standortauswahlgesetz vereinbar ist. Mittlerweile liegen hierfür schematisierte Prüfroutinen vor, so dass nicht
von einer wesentlichen Verlängerung des Genehmigungsprozesses auszugehen ist
Im bergrechtlichen Genehmigungsverfahren ist zunächst ein Hauptbetriebsplan für die Aufsuchung einzureichen.
Die Gliederung und der Inhalt des Hauptbetriebsplanes richten sich nach der Betriebsplanrichtlinie des Sächsischen
Oberbergamtes (SOBA, 2011).
Weiterhin ist ein Antrag auf Erlaubnis zur Aufsuchung sowie ein Antrag auf Bewilligung zu stellen. Der Antrag auf
Erlaubnis dient dem Nachweis des Vorhandenseins der Erdwärme und kann zur Genehmigung der Testbohrung
einschließlich Thermal-Response-Test gestellt werden. Alternativ kann die Genehmigung der Testbohrung auch
nach Wasserrecht erteilt werden. In diesem Fall kann der Antrag auf Erlaubnis zur Aufsuchung entfallen, alternativ
ist dann ein wasserrechtlicher Antrag auf Erlaubnis zu stellen. Da die genaue Ausgestaltung eines Verfahrens der
behördlichen Einzelfallentscheidung unterliegt, ist hier eine frühzeitige, vorhabensbezogene Abstimmung mit den
beteiligten Behörden unerlässlich.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 100
Der Antrag auf Bewilligung ist für die Abgrenzung des Bergwerksfeldes zu stellen. Die Beantragung sollte auf den
Ergebnissen der numerischen Anlagendimensionierung beruhen. Dabei ist mit der Bergbehörde im Vorfeld das
Abgrenzungskriterium, z.B. gesamter Beeinflussungsbereich (∆T< 0,1 K) oder zu definierende Isothermen der
Temperaturänderung (z.B. 1 K-Isotherme) abzustimmen. Zur Erarbeitung der Anträge auf Erlaubnis bzw. Bewilligung
liegt eine Richtlinie des Sächsischen Oberbergamtes (SOBA, 2004) vor.
Im Zuge des Genehmigungsverfahrens ist für die Einreichung des Hauptbetriebsplans Aufsuchung auch die
Erarbeitung eines Bohr- und Ausbaukonzepts erforderlich.
Weiterhin muss eine Anzeige der Pilotbohrung beim LfULG erfolgen.
Pilotbohrung und Thermal-Response-Test
Die fachliche Grundlage für die Erarbeitung der Genehmigungsunterlagen bilden eine separat zu genehmigende
Pilotbohrung und ein an ihr durchgeführter Thermal Response Test inklusive Temperaturmessprofil. Aufgrund der
deutlichen Kosten für die Errichtung einer separaten Testbohrung bis zur geplanten Endtiefe der zu errichtenden
mitteltiefen Erdwärmesondenanlage wird zur Reduzierung des finanziellen Aufwandes folgendes Verfahren
vorgeschlagen.
Die Pilotbohrung wird nur so tief niedergebracht, dass sie ca. 20 m ins unverwitterte Festgestein vordringt und mit
einer Erdwärmesonde ausgebaut. Im anschließend durchgeführten TRT erfolgt eine Auswertung sowohl über die
gesamte Sondenlänge als auch separat nur für das Festgestein. Die Ergebnisse des TRT´s fließen in die im
Anschluss durchzuführende numerische Anlagendimensionierung ein.
Die Vorteile der beschriebenen Vorgehensweise werden darin gesehen, dass eine standortspezifische Bestimmung
geothermischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit, geothermischer Gradient) erfolgt, die in die nachfolgenden
Planungsschritte einfließen. Zudem kann durch die gewonnenen Erkenntnisse zu Schichtenaufbau, Standfestigkeit
des Gesteins und zur Wasserführung eine Präzisierung des Bohrkonzepts hinsichtlich Bohrverfahren, Notwendigkeit
der Verrohrung etc. vorgenommen werden.
Die Ergebnisse der durchgeführten Standorterkundung, einschließlich Dokumentation der Baubegleitung und der
Bohrergebnisse werden jeweils in Berichten dokumentiert. Sie sind den Antragsunterlagen für die Genehmigung als
Anlage beizufügen. Bei Vorliegen sehr detaillierter Archivdaten für den geplanten Anlagenstandort kann im Einzelfall
unter Umständen von der Errichtung einer separaten Testbohrung abgesehen werden. Dazu sind vorab
Abstimmungen mit den zuständigen Behörden zu treffen. In diesem Fall sollte die Durchführung des TRT an der
ersten fertig gestellten Erdwärmesonde des Sondenfeldes erfolgen.
Numerische Anlagendimensionierung
Die numerische Anlagendimensionierung erfolgt mit einem entsprechend geeigneten Grundwassermodellierungsprogramm,
das auch den Wärmetransport berücksichtigt (z.B. FEFLOW). Grundsätzlich ist das zu nutzende Programm jedoch vorab
mit der Genehmigungsbehörde abzustimmen.
Für die Erarbeitung des geologisch / hydrogeologischen Strukturmodells sollte beim LfULG angefragt werden, ob für das
zu betrachtende Gebiet ggf. geologische/hydrogeologische 3D-Modelldaten vorliegen. Andernfalls ist das
geologisch/hydrogeologische Strukturmodell nach Rücksprache mit dem LfULG aufzubauen. Es wird zudem empfohlen,
auch die Parametrisierung der Modellschichten in Abstimmung mit dem LfULG durchzuführen.
Hinsichtlich der Temperaturrandbedingungen für die Modellierung wird vorab ebenfalls eine Abstimmung mit der
Genehmigungsbehörde empfohlen.
Die Anlagendimensionierung ist über einen Zeitraum von 50 Jahren durchzuführen.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 101
Die Modellergebnisse sind so darzustellen, dass der Nachweis einer nachhaltigen Anlagendimensionierung erbracht
werden kann. Dazu können z.B. die Temperaturentwicklungen in den Erdwärmesonden als Ganglinien dargestellt
werden. Des Weiteren ist für zuvor festgelegte hydrogeologische Einheiten, die Beeinflussung der
Temperaturverhältnisse im Untergrund darzustellen. Für die Abgrenzung des bergrechtlichen Bewilligungsfeldes ist
unter Beachtung der abgestimmten Temperaturrandbedingungen ein entsprechender Vorschlag zu erarbeiten.
Zudem sind Vorschläge für die Positionierung von Temperaturmessstellen im Rahmen eines ggf. behördlich
geforderten Temperaturmonitorings zu unterbreiten. Dazu ist vorab eine Abstimmung mit den zuständigen Behörden
erforderlich.
Die Ergebnisse der numerischen Anlagendimensionierung fließen die Erstellung der Antragsunterlagen im Rahmen
des Genehmigungsverfahrens ein und werden den Antragsunterlagen als Anlage beigefügt.
Ausführungsplanung
Nach Vorliegen der Genehmigungen zum Errichten der Erdwärmesondenanlage wird die Ausführungsplanung
erstellt. Dabei sind die in den Nebenbestimmungen der Genehmigungen enthaltenen Auflagen zu berücksichtigen.
Inhaltlich fällt in die Phase der Ausführungsplanung die Erstellung des bohrtechnischen und materialtechnischen
Feinkonzepts. Von der Bergbehörde kann dazu die Einreichung eines Bohrbetriebsplan gefordert werden.
Weiterhin erfolgt in der Ausführungsplanung die Erstellung des Monitoringkonzepts für die Anlage und die Auslegung
der Sondenanbindung bis zum Verteilerschacht.
Ausschreibung
An die Ausführungsplanung schließt sich inhaltlich die Ausschreibung zur Errichtung der Sondenanlage an. Die
Errichtung möglicherweise geforderter Temperaturmessstellen sollte dabei in die Ausschreibung integriert werden.
Aufgrund der zu erwartenden Investitionskosten für den Bau der Anlage dürfte in der Regel bei öffentlichen
Auftraggebern ein öffentliches Vergabeverfahren erforderlich sein. Die genauen Modalitäten werden in diesem Fall
vom Bauherrn bzw. Architekten vorgegeben.
Für private Auftraggeber wird eine beschränkte Ausschreibung mit vorherigem öffentlichen Teilnahmewettbewerb
empfohlen.
Bauausführung
Mit der Erteilung des Zuschlages an einen der beteiligten Bieter beginnt die Realisierungsphase. Als wesentliche
ingenieurtechnische Leistung ist in dieser Phase die Bauüberwachung der Bohr- und Ausbauarbeiten zu erbringen.
Dabei sind u.a. die Schichtenverzeichnisse der Bohrungen aufzunehmen, der Einbau der Sonden sowie die
Verfüllung der Bohrungen zu begleiten. Die Ergebnisse der Bauüberwachung sind nach Abschluss der Bauarbeiten
in einem Bericht zu dokumentieren.
Nach erfolgreichem Abschluss der Bauarbeiten ist zudem der Hauptbetriebsplan für die Gewinnung der Erdwärme
einzureichen. Der Gültigkeitszeitraum sollte vorab mit dem Oberbergamt abgestimmt werden.
Abschließend soll nochmals nachdrücklich darauf hingewiesen werden, dass eine gute Zusammenarbeit aller
beteiligten Fachplaner, insbesondere aber der Fachplaner Geothermie und Heizung / Klimatechnik unerlässlich für
den Erfolg des Gesamtvorhabens ist. Dies beginnt bereits damit, dass auch der Fachplaner Heizung / Klimatechnik
vom Bau einer mitteltiefen Erdwärmesondenanlage überzeugt ist.

Schriftenreihe des LfULG, Heft 15/2020 | 102
11 Literaturverzeichnis
BAFA (2020): Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt - Merkblatt zu
förderfähigen Kosten; Stand 08.01.2020
BRACKE, R. (2012): Hammerbohrsysteme für Coiled-Tubing- und Flachbohrtechniken: ein Vergleich von
hydraulischen und pneumatischen Antrieben, bbr Sonderheft Geothermie 2012, S. 26-31
BINE (2018): BINE Informationsdienst – Netzdienliche Gebäude und Quartiere, FIZ Karlsruhe, Bonn
HGC (2017): 3D-Wärmetransportmodellierung für eine Erdwärmesondenanlage auf Basis mitteltiefer Soden,
Abschlussbericht, Freiberg
HOAI (2013): Verordnung über Honorare für Leistungen der Architekten und Ingenieure, 30. Auflage, Stand
01.08.2013, Deutscher Taschenbuchverlag, München
HH Umwelt (2017): Behörde für Umwelt und Energie, Abteilung Wasserwirtschaft - Produktliste A der in Hamburg
als geeignet erachteten Verpresssuspensionen für den Bau von Erdwärmesonden mit Frost-Tau-
Beanspruchung, Hamburg
LfULG (2014): Erdwärmesonden. Informationsbroschüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie. – 5. Auflage,
Dresden. https://publikationen.sachsen.de/bdb/artikel/11868
LfULG (2015): Geothermienutzung in sächsischen Gartenbaubetrieben – Schriftenreihe, Heft 6, Dresden
LfULG (2019): iDA- Umweltportal Sachsen; Grundwasser, Grundwasserisohypsen 2016;
https://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/infosysteme/ida/pages/map/default/index.xhtml#
LfULG (2020): iDA- Umweltportal Sachsen, Geologie, Geologische Aufschlüsse in Sachsen;
https://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/infosysteme/ida/pages/map/default/index.xhtml
SOBA (2004): Richtlinie für die Erteilung einer Erlaubnis zur Aufsuchung sowie einer Bewilligung zur Gewinnung
bergfreier Bodenschätze, Freiberg
SOBA (2011): Richtlinie zur Aufstellung und Gliederung von Betriebsplänen für Tagebaue und dazugehörige
Tagesanlagen, Freiberg
VDI (2001): VDI 4640, Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen,
Beuth Verlag GmbH, Düsseldorf
VDI (2010): VDI 4640, Blatt 1 – Thermische Nutzung des Untergrundes – Grundlagen, Genehmigungen,
Umweltaspekte. Beuth Verlag GmbH, Düsseldorf
VDI (2012): VDI 2067, Blatt 1 - Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen - Grundlagen und
Kostenberechnung, Beuth Verlag GmbH; Düsseldorf
VDI (2019) VDI 4640, Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen,
Beuth Verlag GmbH, Düsseldorf

image
Herausgeber:
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG)
Pillnitzer Platz 3, 01326 Dresden
Telefon: + 49 351 2612-0
Telefax: + 49 351 2612-1099
E-
Mail:
lfulg@smul.sachsen.de
www.lfulg.sachsen.de
Autoren:
Katrin Reinhardt, Frank Schmiedel, Diana Hermann
G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH
Schwarze Kiefern 2, 09633 Halsbrücke
Redaktion:
Marcus Richter, Referat Hydrogeologie
Karina Hofmann, Referat Rohstoffgeologie PG Geothermie
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Abteilung Geologie
Halsbrücker Straße 31a, 09599 Freiberg
Telefon: + 49 3731 294-1505
Telefax: + 49 3731 294-1099
E-Mail: Marcus.Richter@smul.sachsen.de
Redaktionsschluss:
31.08.2020
ISSN:
1867-2868
Hinweis:
Die Broschüre steht nicht als Printmedium zur Verfügung, kann aber als
PDF-Datei unter https://publikationen.sachsen.de heruntergeladen werden.
Verteilerhinweis
Diese Informationsschrift wird von der Sächsischen Staatsregierung im Rah-
men ihrer verfassungsmäßigen Verpflichtung zur Information der Öffentlichkeit
herausgegeben.
Sie darf weder von Parteien noch von deren Kandidaten oder Helfern zum Zwe-
cke der Wahlwerbung verwendet werden. Dies gilt für alle Wahlen. Missbräuch-
lich ist insbesondere die Verteilung auf Wahlveranstaltungen, an Informations-
ständen der Parteien sowie das Einlegen, Aufdrucken oder Aufkleben parteipoli-
tischer Informationen oder Werbemittel. Untersagt ist auch die Weitergabe an
Dritte zur Verwendung bei der Wahlwerbung.