Die HAMBURG ENERGIE Geothermie GmbH (HEGeo), eine Tochter der Hamburger Energiewerke, hat eine Bohrungsdublette zur Gewinnung von Erdwärme aus tertiären Sandsteinen des Eozäns errichtet und erfolgreich getestet. Ursprünglich war das Projekt als tiefe Geothermie geplant. Eine zu geringe Mächtigkeit des ursprünglichen Reservoirs erforderte im laufenden Projekt eine Umplanung. Sukzessiv wurde ein Ausweichhorizont getestet, über zwei abgelenkte Bohrungen erschlossen, geowissenschaftlich untersucht und mittlerweile erfolgreich getestet. Der Projektablauf und der erreichte Stand werden vorgestellt. Das Projekt wird als Bestandteil der Gesamtprojekts IW³ „Integrierte Wärmewende Wilhelmsburg“ als eines der Reallabore der Energiewende vom BMWi (Projektträger Jülich) gefördert.

Möglichkeiten zur saisonalen Energiespeicherung sind ein wesentlicher Bestandteil für die zuverlässige Nutzung fluktuierender, regenerativer Wärmequellen wie Solarthermie. Kristalline Gesteine weisen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und geringer Permeabilitäten ein großes Potenzial für solche Wärmespeicher auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts SKEWS (Saisonaler Kristalliner ErdWärmeSondenspeicher, BMWK Förderkennzeichen 03EE4030A) wurde am Campus Lichtwiese in Darmstadt ein mitteltiefer Demonstrations-Erdwärmesondenspeicher mit einer Tiefe von 750 m errichtet. Der Speicher besteht aus drei 750 m tiefen koaxialen Erdwärmesonden mit einem Abstand von jeweils 8.6 m in einer dreieckigen Anordnung.

Zur Charakterisierung des Speichers wird beginnend im Juli 2023 zunächst ein mit optischer Fasermesstechnik tiefenaufgelöster Geothermal-Response-Test (GRT) zur Charakterisierung der thermischen Gebirgs- und Bohrlocheigenschaften durchgeführt. Anschließend folgt ein einjähriger Testbetrieb in dem eine zyklische Be- und Entladung des Speichersystems mit einer externen Wärme und Kältequelle simuliert wird.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über das Messprogramm am SKEWS Erdwärmesondenspeicher und stellt erste Ergebnisse des GRT und darauf basierender numerischer Modellierungen vor.

München besitzt, wie andere Städte auch, ein hohes, beständiges Grundwasserdargebot und ein großes Potenzial zur Wärmeabdeckung durch Grundwasserwärmepumpen (GWPs). Ihre Nutzung ist fester Bestandteil der kommunalen Wärmeplanung. Jedoch zeigt sich, dass trotz hohen Potenzials und Gebäudeeignung oft nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht, um den Mindestabstand zwischen Produktions- und Schluckbrunnen einzuhalten (mind. 10m). Daher wurde untersucht, ob eine effiziente Nutzung über Ein-Brunnen-Systeme (Standing-Column-Well - SCW) möglich ist, bei denen das Grundwasser in denselben Brunnen eingeleitet wird, aus dem es zuvor gefördert wurde. Damit wäre eine GWP-Umsetzung auch bei Grundstücken mit wenig Platz realisierbar. Jedoch muss die Effizienz des Systems trotzdem gegeben, und die Produktionstemperatur nicht von der Wiedereinleitung beeinflusst sein. Bei Standard-SCW-Systemen soll daher möglichst eine geringleitende Schicht zwischen Produktions- und Injektionshorizont vorhanden sein. Dies wäre aber in München wasserwirtschaftlich nicht genehmigungsfähig. In München treten jedoch teilweise sehr hohe Grundwasser-Fließgeschwindigkeiten auf (5-20 m/d), so dass die injizierte Kälteanomalie in Brunnennähe ohne große vertikale Vermischung abließt. Um den Einsatz von Ein-Brunnen-Systemen bei diesen Verhältnissen zu untersuchen, wurden numerische Parameterstudien durchgeführt, wobei maximal mögliche Entnahmeraten ohne negative Beeinflussung der Effizienz für alle Kombinationen der brunnentechnischen und hydrogeologischen Parameter bestimmt, eine Regressionsgleichung abgeleitet und eine Potentialkarte für das Ein-Brunnensystem erstellt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass in weiten Bereichen der Stadt Ein-Brunnen-Systemen für Kleinanlagen möglich sind. In besonders geeigneten Gebieten sind Entnahmeraten > 10 l/s möglich. Als nächster Schritt wird zur Verifizierung eine Pilotanlage in München geplant. Beim Erfolg könnte damit das Potenzial zur Nutzung von Grundwasserwärmepumpen in der kommunalen Wärmewende deutlich erhöht werden.

Auf Basis von modellbasierten Potentialuntersuchungen und Vorplanungen soll die Umsetzbarkeit für bestehende, derzeit fossil versorgte Quartieren der am Projekt beteiligten Energieversorger erarbeitet werden, so dass eine reale Umsetzung als zentrales Projektziel vorbereitet wird. Hierzu sollen detailliert die technischen, regulatorischen und ökonomischen Anforderungen in den untersuchten Quartieren identifiziert und bewertet werden.

Die Entwicklung von fallübergreifenden Leitfäden und die Erweiterung von Planungstools sollen wichtige Voraussetzungen schaffen, damit die am Projekt beteiligten Versorger zukünftig in die Lage versetzt werden, Geothermieprojekte im Bestand umsetzen zu können.

Unterstützt werden diese Ziele durch die Entwicklung techno-ökonomischer Geschäftsmodelle unter Berücksichtigung rechtlicher Umsetzungsoptionen für Geothermieprojekte im urbanen Raum.

Freiflächenheizungen zur Eisfreihaltung werden bei kritischer Infrastruktur eingesetzt, um Störungen im Betrieb aber insbesondere um Unfälle zu vermeiden. Nach Zahlen von Zion-Market-Research [1] betrug das weltweite Marktvolumen für derartige Systeme im Jahr 2020 5.7 Mrd. US $, in Deutschland betrug das Marktvolumen im gleichen Jahr 427 Millionen €.

Gegenwärtig werden diese Systeme vorwiegend konventionell beheizt. Nach einer Studie des Ministeriums für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen [2] ist in Deutschland Strom in Kombination mit elektrischen Widerstandsheizungen die am weitesten verbreitete Energieform. Die restlichen Anlagen werden über einen hydraulischen Kreislauf betrieben, die in der Regel mit Gas, Öl oder Fernwärme beheizt werden.

Ansätze Freiflächen mit Geothermie zu beheizen gab es schon mehrere [2], bisher hat sich diese Technik aber nicht etablieren können, da konventionelle Systeme aufgrund niedrigerer Investitionskosten und niedriger Energiepreise wirtschaftlich attraktiver waren.

Im Verbundvorhaben GERDI wurde eine Freiflächenheizung auf Basis von Fertigbetonelementen entwickelt, die ausschließlich mit Wärme aus dem Untergrund beheizt werden kann. Dafür wird das Prinzip eines Zweiphasen-Thermosiphons verwendet, der rein thermisch angetrieben ist und dafür die Temperaturdifferenz zwischen Untergrund und Oberfläche ausnutzt.

In diesem Beitrag wird auf neueste Marktzahlen für diese Anwendungen eingegangen, es wird eine Übersicht über das Projekt gegeben und der im Rahmen des Projektes gebaute Demonstrator vorgestellt.

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

[1] https://www.zionmarketresearch.com/news/snow-melting-system-market

[2] M. Würtele, P. Sprinke, W. Eugster, Geothermie sorgt für Verkehrssicherheit, Studie im Auftrag des Ministeriums für Verkehr Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-westfalen, Düsseldorf 2005

Für die Fernwärmeverteilung aus hydrothermalen Tiefengeothermiequellen können Verbundleitungen zur Verbindung kleinerer Gemeinden im ländlichen Raum eine entscheidende Rolle darstellen. Aus diesem Grunde wird im Rahmen der Fortführung des Masterplans Geothermie Bayern, mit dem Ziel der Bewertung von Potentialen interkommunaler Geothermie-Projekte im ländlichen Raum, ein thermo-ökonomisches Optimierungsmodell für Fernwärmenetzverbundleitungen entwickelt. Anhand des Anwendungsfalles Kirchweidach in Südostbayern wird das wirtschaftliche Potential geothermischer Anlagen im ländlichen Raum unter Betrachtung von Verbundleitungen zwischen kleineren Gemeinden und Städten analysiert. Soweit möglich werden allgemeinere Aussagen über die Wirtschaftlichkeit und Möglichkeiten der Wärmeversorgung mit Verbundleitungen im ländlichen Raum abgeleitet. Grundlage für solche Analysen sind eine zuverlässige und möglichst detaillierte Datenlage. Deshalb wird im Rahmen des Vorhabens zusätzlich eine Analyse zur aktuellen Datenlage existierender Wärmenetze durchgeführt. Im Fokus des Vortrages liegt die Methodik der thermo-ökonomischen Optimierung von Wärmeverbundleitung sowie die ersten Ergebnisse des konkreten Anwendungsfalls Kirchweidach.

Kalte Nahwärmenetze (KNWN) sind eine effiziente, emissionsarme, dezentrale, grundlastfähige und flexible Technologie zur Wärmeversorgung. Um das Verständnis für und die Verbreitung von KNWN zu fördern, läuft seit Mai 2022 das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Verbundprojekt „GeoWaermeWende“. Als Projektpartner beteiligt sind die Stadtwerke Schifferstadt (SWS), die Transferstelle Bingen (TSB), die Internet Marketing Services GmbH (IMS), sowie die drei Institute gia, GUT und E3D (Koordination) der RWTH Aachen.

Übergeordnetes Ziel des interdisziplinären Projektes ist die Erarbeitung von Werkzeugen, die eine automatisierte Planung und Berechnung von KNWN ermöglichen. In einem webbasierten Geoportal können NutzerInnen ein Gebiet zur Wärmeversorgung definieren. Thermische Untergrundparameter werden, soweit verfügbar, aus öffentlich zugänglichen Geodatenquellen mittels offener Web-Dienste (OWS) abgerufen. Begleitend dazu wird ein bestehendes KNWN in Schifferstadt mit Messsensorik ausgerüstet.

Ein Teilaspekt des Projektes ist die Entwicklung analytischer Rechenansätze für KNWN. Diese ermöglichen eine effiziente, parametrisierte Berechnung der Fluidtemperaturen im System. Basierend auf der Methode der g-Funktionen werden Sonden und Leitungen komponentenweise berechnet. Die Temperaturen im Mehrkomponentensystem KNWN werden ultimativ durch das Lösen eines resultierenden Gleichungssystems bestimmt. Die analytische Methode eignet sich aufgrund ihrer Effizienz sehr gut zur Iteration verschiedener Systemvarianten und zur Optimierung der Fluidtemperaturen und Bohrmeter.

Die für die Systemauslegung benötigten Gebäudelastkurven sollen anhand bestehender Daten automatisch bestimmt werden. Weiterhin wird ein numerisches Modell entwickelt, um detaillierte Berechnungen zu ermöglichen. Die finalen, geoportal-basierten Planungswerkzeuge sollen hierbei nicht die Planung durch Fachplanungsbüros ersetzen, sondern FachplanerInnen und StakeholderInnen die Zugänglichkeit, Vordimensionierung und Machbarkeit einer KNWN-Installation erleichtern.

Um die Wärmewende in vor allem eng bebauten, städtischen Bestandsquartieren voranzutreiben sind Nahwärmenetze wichtig. In diesem Beitrag wird der Fokus auf Kalte Nahwärmenetze (Betriebstemperaturen von 3 – 20 °C) gelegt, welche eine Kopplung von dezentralen Wärmepumpen mit einem zentralen Erdwärmesondenfeld erlauben. Dadurch können geothermische Ressourcen in einem Quartier geteilt werden und Abwärme- oder Solarthermiepotentiale zur Regeneration erschlossen werden. Außerdem liegt die Jahresarbeitszahl bei Erdwärmepumpen höher als bei Luftwärmepumpen und diese führen nicht zu Schallemissionen, die vor allem in eng bebauten Räumen problematisch sind.

Verschiedene Open Source Lösungen in Python wurden verglichen und das Package Pandapipes ausgewählt. Mit Pandapipes werden verschiedene generische Netzkonzepte (normaler Strang Tichelmann, Ring) nachgebaut, thermohydraulisch ausgelegt und Jahressimulationen durchgeführt. Ein selbst entwickelter Auslegungsalgorithmus übernimmt die Auslegung der Rohrdurchmesser über die spezifischen Druckverluste und prüft ob die maximale Druckerhöhung der Pumpen nicht überschritten wird. Des Weiteren wird geprüft, ob zulässige Strömungsgeschwindigkeiten in den Leitungen eingehalten werden. Anhand einer Jahressimulation werden die Konzepte der generischen Netze miteinander verglichen und anhand technisch-ökonomischer Aspekte ein präferiertes Konzept ausgewählt.

Die großmaßstäbliche, innerstädtische Nutzung von Umweltwärme erreicht durch saisonale Wärmespeicherung hohe Deckungsgrade, da mit einer günstigen Kosten-Nutzen-Relation auf niedrigem Temperaturniveau zwischen 5 und 15°C nahezu verlustfrei Wärme im Untergrund gespeichert werden kann. Die enge Bebauung und hohe Wärme- oder Kältelasten sind eine Herausforderung für oberflächennahe Geothermie, der bei geeigneter Hydrogeologie mit Aquiferspeichern im öffentlichen Raum begegnet werden kann. Dazu können Brunnendoubletten und Grundwasserzirkulationsbrunnen mit Vertikalfiltern eingesetzt werden. Für höhere Leistungen und bei geringmächtigen Grundwasserleitern haben sich auch Horizontalfilterbrunnen etabliert. Wenn eine seitliche Verziehung und lokale Aufböschung oder Absenkung des Grundwassers unerwünscht ist, kann eine vertikal übereinander angeordnete Lage von Horizontalfiltern ebenfalls ein großräumiges Volumen thermisch erschließen. Ein solcher Horizontalfilter-Zirkulationsbrunnen kann Leistungen bis in den Megawatt-Bereich erreichen und damit für Quartiere über „kalte Umweltwärmenetze“ bzw. maschenförmige Netze der 5. Generation eine Infrastruktur darstellen, die auch im verdichteten Bestand eine Umweltwärmenutzung ermöglicht. Zugleich sind Grundwasserreinigungsmaßnahmen möglich, die sonst aus Kostengründen unterbleiben. Die Technologie und deren innerstädtische Integration werden in diesem Vortrag skizziert.

Die ehemaligen gefluteten Gruben sind ein attraktiver Asset zur erneuten Nutzung als geothermische Quelle und/oder saisonaler Speicher. Ewigkeitslasten werden transformiert in Ewigkeitsnutzen. Dabei spielt auch der sozial historische Kontext eine wichtige Rolle. Die Anwendung begeistert und fasziniert Viele was die Akzeptanz für die notwendigen Maßnahmen der Energiewende fördert.

Als Fraunhofer IEG mit ihrer Vorläuferinstitution GZB sind wir bereits mehr als 10 Jahren intensive mit der Erforschung der Bergbaufolgenutzung beschäftigt und einbezogen in die Umsetzung vieler Projekten. Für eine erfolgreiche Umsetzung ist die integrale Entwicklung der untertägigen und obertägigen Infrastruktur wichtig. Beide Expertisen sind im Competence Center Bergbaufolgenutzung zusammengebracht.

In diesem Vortrag möchten wir als Fallbeispiel die Entwicklung und Umsetzung des Wärme- und Kältenetzes der 5. Generation der Stadtwerke Bochum Holding GmbH am Industrie-, Technologie- und Forschungscampus Mark 51°7 besprechen. Das Projekt auf dem ehemaligen Areal der Zeche Dannenbaum und Opelfabrik in Bochum mit einer geplanten Gebäudenutzfläche von mehr als 210.000 m2 ist in Nachfolge des 5. Generationsnetzes mit Grubenwassernutzung in Heerlen, Niederlande entstanden. Die Erkenntnisse aus Heerlen sind über das EU INTERREG Nordwesteuropa Projekt D2Grids eingeflossen.

Das 5. Generationsnetz wird momentan umgesetzt und nach Plan Angang 2025 vollständig in Betrieb sein. Es umfasst drei bivalente dezentrale Energieanlagen die mit einander im Austausch stehen, wobei das Grubenwasser der Zeche Dannenbaum als Bilanzquelle und saisonaler Speicher eingesetzt wird.

In dem Vortrag wird eingegangen auf den heutigen Stand, den Entwurf, die Dimensionierung und die Funktionalität des Wärme- und Kältenetzes der 5. Generation und der Grubenwasseranlage.

Angesichts des bereits laufenden und weiter steigenden massiven Zubaus volatiler erneuerbarer Wind- und Solarkapazitäten im Stromsektor wird eine verstärkte Flexibilisierung der Bedarfsseite zur Unterstützung des Netzausbaus und der Netzstabilität immer dringlicher. Im Rahmen der thermischen Sektorkopplung konzentriert sich diese Arbeit insbesondere auf den strommarktorientierten Einsatz von Energiewandlern wie geothermisch gekoppelten Wärmepumpen. Zu Zeiten günstiger Strompreise ist der Strommix in der Regel auch weniger CO₂-behaftet, so dass sich neben dem netzdienlichen und wirtschaftlichen günstigen auch noch ein ökologisch positiver Effekt einstellt.

Im Rahmen dieses Papers präsentieren wir eine strommarktorientierte Betriebsplanungs- und Optimierungsstrategie verschiedener geothermischer Wärmepumpensysteme für die Versorgung unseres wachsenden Energiecampus am Bochumer Standort des Fraunhofer IEG. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Flexibilitäten der verschiedenen bestehenden und zukünftigen geothermischen Anlagen und Abnehmer abzuschätzen, neue zu dimensionieren und zu simulieren, um ein effizientes und nachhaltiges Energieversorgungssystem zu konzipieren. Neben der Analyse der geothermischen Anlagen und Abnehmer inklusive ihrer Leistungsfähigkeit, Kapazitätsgrenzen und Flexibilitäten liegt besonderes Augenmerk auf der Untersuchung der technischen Voraussetzungen und Möglichkeiten, unser Energie- und Anlagensystem zur Teilnahme am Day-Ahead-Markt zu befähigen. Unter Berücksichtigung verschiedener Anlagendesigns, Marktbedingungen und Betriebsparameter modellieren wir das Verhalten des Systems, um die strommarktorientierte Steuerungsstrategie dann anschließend sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch zu bewerten.

Diese Studie zielt darauf ab, das Potenzial einer strommarktorientierten Betriebsplanungs- und Optimierungsstrategie für geothermische Anlagen auf unserem Energiecampus und ähnlichen Standorten und Quartieren aufzuzeigen. Durch die optimierte Nutzung solcher flexiblen Quartiere kann ein Beitrag zu Kosteneinsparungen, zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und zur Verbesserung der Netzdienlichkeit und Resilienz des Gesamtenergiesystems geleistet werden.

Die Bundesregierung plant mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz (GEG), dass ab dem Jahr 2024 möglichst jede neu eingebaute Heizung mit mindestens 65 Prozent Erneuerbarer Energie betrieben werden soll. Die Grundlage für die Umsetzung der Wärmewende stellt dabei eine kommunale Wärmeplanung dar, die eine räumliche Zusammenführung von allen erneuerbaren Wärmequellen und -verbräuchen vorsieht. Neben dem Ausbau der Fernwärme rückt somit im Großraum München der Fokus auch auf die dezentrale Wärmeversorgung mittels unabhängiger, nachhaltiger und zukunftssicherer Wärmepumpen.

Der quartäre Untergrund im Großraum München weist optimale Bedingungen für die Oberflächennahe Geothermie, v.a. bezüglich der hydrochemischen Qualität und des Grundwasserdargebots, auf. Die überwiegend stark durchlässigen Kiese der Münchner Schotterebene, mit zum Teil hohen Grundwassermächtigkeiten, erlauben dabei die direkte Nutzung des quartären Grundwassers über Grundwasserwärmepumpen. Gegenüber Luftwärmepumpen überzeugen Grundwasserwärmepumpen unter anderem durch deutlich höhere Effizienzen und sind somit, vor allem bei höheren Wärmeverbräuchen, über den Betrieb deutlich kostengünstiger. Daher bieten die Stadtwerke München (SWM) seit diesem Jahr ein „Alles-aus-einer-Hand“-Wärmepumpen-Produkt als Ergänzung zur Tiefengeothermie (M-Fernwärme) und der im Aufbau befindlichen M-Nahwärme an, um einen weiteren Beitrag zur Wärmewende in München zu leisten und die große Nachfrage an (Grundwasser‑) Wärmepumpen bedienen zu können.

In diesem Beitrag werden, neben der Vorstellung der Vision der M-Wärmepumpe, die hydrogeologischen Gegebenheiten des Münchner Untergrundes bezüglich der Grundwasserwärmepumpennutzung aufgezeigt sowie ein Einblick in aktuell laufende Pilotprojekte gegeben.

Großwärmepumpen werden immer häufiger in der Wärmeversorgung von Gebäudeblocks und Quartieren eingesetzt. Eine der größten Herausforderung bei der Erstellung eines entsprechenden Heizungskonzeptes für den Einsatz von Großwärmepumpen ist die richtige Balance zwischen Kosteneffizienz und minimaler Emission von Treibhausgasen zu finden. Bestimmte Kriterien wie Innovation des Versorgungskonzeptes und die verwendeten Technologien, die Reduzierung der CO2-Emissionen und die Akzeptanz sowie die Wirtschaftlichkeit müssen im Vorfeld geklärt werden. Wärmepumpenanlagen und -konzepte in dieser Größenordnung und mit dem aufgezeigten Umfang erfordern eine entsprechende Auslegung und Vorplanung - große Aufstellflächen (Berücksichtigung des Platzbedarfs), Geräuschpegel (Integration von Schallschutzwänden) sowie die Ergiebigkeit der Wärmequelle. Großwärmepumpen haben das Potenzial, auf vielfältige Weise eingesetzt zu werden.

In diesem Beitrag sollen fünf Beispiele für die Integration von Wärmepumpen vorgestellt werden, die von Wohnvierteln, Gebäudeblocks bis zur Nutzung von Abwärme für die Nahwärmeversorgung reichen. Die Wärmepumpen müssen eine Vorlauftemperatur von bis zu 80°C erzeugen und eine thermische Ausgangsleistung bis 2.000 kWth bereitstellen können (abhängig von der endgültigen Größe des Heizungsnetzes). Die Projekte zeigen, dass ein signifikanter Beitrag zur Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung geleistet werden kann. Es kann gezeigt werden, dass es theoretisch möglich ist, den Wärmebedarf durch den Einsatz von Wärmepumpen bis zu 100% zu decken. Darüber hinaus können enorme ökologische Potenziale aufgezeigt werden. Im Vergleich zu Gaskesseln können CO2-Reduktionen von 50 - 90% erreicht werden.

Durch die derzeitige energiepolitische Lage und klimapolitischen Ziele besteht besonders im Wärmesektor enormer Handlungs- und Innovationsbedarf, weshalb erneuerbare und kostengünstige Projekte wie die Nutzung Mitteltiefer Geothermie mehr in den Fokus rücken. Dabei können Groß- und Hochtemperatur-Wärmepumpen ein entscheidender Faktor für die Dekarbonisierung des Wärmesektors sein. Denn wenn das geothermische Potential für eine Einspeisung in ein Fernwärmenetz zu gering ist, kann es durch Wärmepumpen klimafreundlich angehoben und somit nutzbar gemacht werden. Die unterschiedlichen geologischen Bedingungen machen es schwierig eine allgemeingültige Aussage über die Wirtschaftlichkeit oder technische Umsetzbarkeit in Deutschland zu treffen. Daher werden in dieser Studie zwei sich unterscheidende geographische Bereiche untersucht. Zum einen das Molassebecken nördlich von München wo mit Temperaturen zwischen 30 °C und 80 °C und sehr hohen Schüttungen von bis zu 170 L/s zu rechnen ist. Zum anderen der Buntsandstein in Nordbayern, bei welchem der Fokus, durch niedrige Schüttungen und Temperaturen eher auf kleinen Fernwärmenetzen liegt. Um das Potential der Kombination aus Wärmepumpe und Mitteltiefer Geothermie einordnen zu können, wurden im niedrigen Leistungsbereich techno-ökonomische Vergleiche zu Luft-Wasser-Wärmepumpen und im höheren Leistungsbereich zu BHKW angestellt. Ausgehend von einem Basisszenario werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um den Einfluss auf die Wärmegestehungskosten zu ermitteln. Zusätzlich wird auch das Teillastverhalten der Wärmepumpen berücksichtigt, das durch empirische Werte einer Versuchsanlage in die Modelle implementiert werden kann (siehe Jeßberger et al. [1, 2]).

Die Untersuchungen legen den Fokus auf die Wärmebereitstellung und nicht auf standortabhängigen Wärmebedarfe. So können auf Basis von den Ergebnissen allgemeingültige Aussagen getroffen werden unter welchen geologischen Bedingungen sich welche Wärmepumpentechnik rentiert.

Zur Minimierung der Klimaerwärmung ist eine umfangreiche Reduzierung der Treibhausgasemissionen erforderlich. Für viele Bereiche der Wirtschaft folgt daraus eine notwendige Umstrukturierung der Prozesse. Insbesondere energieintensive Industrien stehen vor der großen Herausforderung ihre bestehenden Wertschöpfungsketten vor dem Hintergrund der steigenden Energiepreise und der notwendigen Dekarbonisierung aufrecht zu erhalten.

Hochtemperatur-Wärmepumpen können auf einem Temperaturniveau zwischen 100 bis ca. 200°C Wärme zur Verfügung stellen. Dabei wird in vielen industriellen Prozessen auf Prozessdampf als Wärmeträger zurückgegriffen. Für diese Anwendungsfelder können Hochtemperatur-Wärmepumpen in Betracht gezogen werden, die quellenseitig verschiedene Abwärmepotentiale verwerten können. Dabei können sowohl Industrieabwärme als auch die tiefe Geothermie als aussichtsreiche Kapazitäten genutzt werden. Bedingt durch die hohen Bedarfe diverser Industrien haben sich viele Hersteller und Forschungsprojekte auf dieses Anwendungsfeld ausgerichtet.

In dem öffentlich geförderten Projekt SteamScrew wird eine mit Wasser (R718) als Kältemittel betriebene Hochtemperatur-Wärmepumpe entwickelt. Kern des Projekts ist die Auslegung und Realisierung der Wärmepumpe und die Ertüchtigung des wassereingespritzten Schraubenverdichters. Da es sich bei dem Arbeitsmedium um ein klimafreundliches Kältemittel handelt, kommen viele Anwendungsfelder in Betracht – eine direkte Nutzung des verdichteten Wasserdampfes ohne geschlossenen Wärmepumpenkreislauf ist ebenfalls möglich. Das Modell der Hochtemperatur-Wärmepumpe wird in der Sprache Modelica definiert und mit Dymola umgesetzt und simuliert.

Stellvertretend für die jeweiligen Industrien werden verschiedene Szenarien ausgewählt und deren Prozessbedingungen beschrieben. Im nächsten Schritt wird das Modell der Hochtemperatur-Wärmepumpe in den Prozess integriert und der Betrieb simuliert. Ziel dabei ist es, die Energieeffizienz des Gesamtprozesses zu steigern.

Die Speicherung von Energie ist eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende. Dies gilt insbesondere für die Wärmeenergie, deren Bedarf starken saisonalen Schwankungen unterliegt und für die eine effiziente Speicherung eine Herausforderung darstellt. Die Wärmespeicherung ist entscheidend für die Ausweitung der geothermischen Nutzung von der Grundlast auf die Mittel -und Spitzenlast in Ballungsräumen. Das Projekt VESTA Malm befasst sich mit den Herausforderungen der Wärmespeicherung bei sehr hohen Temperaturen (>100 °C) in einem reaktiven Karbonatreservoir. Ziel des Projektes ist es, die technischen Hürden eines Demonstrationsprojektes im Großraum München aufzuzeigen und zu senken. Die zentralen Herausforderungen des Projektes sind (1) Geeignete Behandlungsmethoden zur Vermeidung von Formationsschäden durch Ausfällung von Karbonatmineralien aus dem injizierten Thermalwasser zu finden. (2) Verbesserung der Rückgewinnung der gespeicherten Wärme in einem verkarsteten Aquifer mit unregelmäßiger Porositätsverteilung. (3) Bereitstellung einer wirtschaftlich optimierten Bohrungskonfiguration, die die Anforderungen der Produktionstechnik (z.B. häufige Pumpenwechsel) berücksichtigt. (4) Integration des Speichers in das bestehende Fernwärmenetz unter Berücksichtigung der Wärmequellenverfügbarkeit.

Aufgrund der angestiegenen Energiepreise sowie der voranschreitenden Klimakrise zeigt sich ein zunehmendes Interesse an weiteren regenerativen Energiequellen wie Aquiferspeichern. Die sogenannten Hochtemperatur-Aquiferspeicher (HT-ATES) sind durch die Möglichkeit der Einspeicherung von Temperaturen von >50°C gekennzeichnet. Der Vorteil ist hierbei, dass die ausgespeicherte Wärme direkt, ohne den Einsatz von Wärmepumpen, in ein Wärmenetz eingebunden werden kann. HT-ATES können die Lücke zwischen konstanter Wärmeproduktion für die Heiz-/Kühlzwecke und saisonal schwankendem Wärmebedarf nach dieser abdecken und stellen somit eine denkwürdige Alternative insbesondere für die Regionen mit einer eingeschränkten oder ausgeschlossenen Umsetzung tiefer Geothermie dar. Eine ähnliche Situation tritt in der Niederrheinischen Bucht im Bereich der Städte Düren und Kreuzau auf. Im Rahmen einer vom Land NRW geförderten Studie des Wettbewerbs „Wärme aus Tiefengeothermie für NRW“ wurde für die Region Düren/Kreuzau das geothermische Potential untersucht. Durch die jahrelange Tagebau-Tätigkeit in der Region ist eine solide Datenbasis sowie Kenntnisse der geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse tertiärer Lockersedimente geschaffen. Somit sind gute Voraussetzungen für die Aquiferspeichernutzung gegeben. Düren/Kreuzau zeichnet sich durch zahlreiche Unternehmen aus der Papierherstellung/-verarbeitung aus, welche eine gute Abwärmequelle für die Einspeicherung im Untergrund darstellen. Das Potential der HT-ATES wird am Beispiel der Nutzung von sandigen Einheiten des Tertiär untersucht. Die Ermittlung des thermischen Potentials sowie der erwarteten Wärmerückgewinnungsgrade erfolgt durch eine gekoppelte thermohydraulische Simulation mittels DoubletCalc und FEFLOW für drei Standorte in je drei übereinanderliegenden potentiellen Aquifere für eine Einspeicherung von 50°C. Mit Modellen vorhergesagte thermische Leistung werden in diesem Beitrag vorgestellt und hinsichtlich der Eignung der untersuchten Standorte für die Umsetzung eines HT-ATES eingeordnet.

Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicherung (HT-ATES) im geologischen Untergrund kann dabei helfen das zeitliche Missverhältnis zwischen Produktion und Bedarf von Energie aus erneuerbaren Quellen zu überbrücken. Trotz großer Bedeutung für die Energiesystemtransformation im Wärmeversorgungsbereich ist HT-ATES mit einigen Herausforderungen und Risiken wie z.B. genehmigungsrechtlicher Hürden konfrontiert. Die Wärmeeintragsexperimente am TestUM-Aquifer-Testgelände bieten eine Grundlage für die Charakterisierung und Überprüfung des hydraulischen, thermischen, geophysikalischen, mikrobiologischen und geochemischen Prozessverständnisses. Ein HT-ATES-System wurde auf dem Gelände experimentell simuliert, wobei drei Phasen mit unterschiedlichen Be- und Entladezyklen bei Einspeisetemperaturen von 80°C dargestellt wurden. Mehr als 500 Thermoelemente wurden verwendet, um Temperaturdaten über einen Zeitraum von 579 Tagen zwischen Juli 2021 und Februar 2023 aufzuzeichnen. Insgesamt wurden elf Betriebszyklen, unterteilt in zwei Phasen, durchgeführt, was einem Gesamtwärmeeintrag von 155 MWh entspricht. Die Temperaturaufzeichnungen sind räumlich hoch aufgelöst, insbesondere in der Nähe der Injektionsbohrung, mit Intervallen von nur 0,5 m in vertikaler und horizontaler Richtung und einer zeitlichen Auflösung von 10 min. Somit sind die Temperaturverteilung im Untergrund und die Position der Wärmefahne zu jedem Zeitpunkt gut charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperaturverteilung durch dichtegetriebene Konvektion, die durch die Temperaturunterschiede verursacht wird, sowie durch Wärmeverluste an die hangende Stauschicht beeinflusst wird. Die Speichereffizienz wurde durch die Messung von Rückflussraten und Temperaturen bestimmt, wobei sich zeigte, dass die Speichereffizienz mit der Zykluslänge und mit den Stillstandszeiten zwischen Ladung und Entladung abnimmt.

Saisonale ATES-Systeme ermöglichen die effiziente Integration klimaneutraler Wärmequellen in urbane Wärmeversorgungssysteme. Ein sicherer und effizienter Betrieb setzt jedoch sowohl die Erfassung, als auch die realistische Bewertung und Prognose induzierter hydraulischer, thermischer, geochemischer und mikrobiologischer Effekte, sowie deren Auswirkungen auf Betrieb und Umwelt voraus.

Um eine Datenbasis für eine Erweiterung des Prozessverständnisses auf der Feldskala und die Ableitung geeigneter Monitoringstrategien bereitzustellen wurde ein zyklischer HT-ATES Feldversuch durchgeführt. In sechs 14-tägigen Beladungsperioden wurden ~300 m³ Wasser in den Speicherhorizont (6-15 m u. GOK) infiltriert (~15 L/min; ~80 °C) und direkt oder nach 21 Tagen Speicherung wieder extrahiert. Dabei überwachte ein räumlich und zeitlich hochaufgelöstes Monitoring an ~90 Messpunkten induzierte hydrogeochemische Effekte, sowie deren Reversibilität.

Innerhalb von ~7 m um den „warmen Brunnen“ deutet die Überlagerung zuvor stratifizierter Kalzium- und Sulfatkonzentrationen in Kombination mit dem Ausbreitungsmuster erhöhter Siliziumkonzentrationen auf die Ausbildung einer dichtegetriebenen Konvektionszelle hin, welche auch von begleitenden numerischen thermo-hydraulischen Simulationen prognostiziert wurde. In Speicherperioden, aber umso mehr im Postbetrieb, gehen Temperaturrückgänge auch mit dem Rückgang zuvor erhöhter Konzentrationen von bspw. Silizium, Kalium, Selen und Vanadium einher. Nach den ersten ATES-Zyklen zeigen mit Kalium und Selen erste Komponenten abnehmende Konzentrationsmaxima, was auf eine Erschöpfung ihrer mobilisierbaren Pools hinweist. Zudem zeigte das Monitoring 30 m abstromig des warmen Brunnens bisher keine Hinweise auf induzierte Temperatur- oder Konzentrationsänderungen, obwohl simulierte Tracerausbreitungen bereits auf den Durchgang infiltrierten Wassers hinweisen.

Insgesamt dominieren hochdynamische Strömungsbedingungen den Nahbereich des heißen Brunnens und trotz skalenbedingt geringer Wärmerückgewinnungsraten hält die Reversibilität der induzierten Effekte das weitere Umfeld geochemisch unbeeinflusst.

Die Nutzung von thermischen Untergrundspeichern ist essentiell für die Dekarbonisierung von Wärmenetzen. Um diese optimal in Verbindung mit dem Gesamtsystem zu betrieben, sind einerseits umfangreiche Finite Elemente Modelle für die Speicher erforderlich und andererseits muss die Finite-Elemente Software mit Netzsimulations-Software gekoppelt werden.

In unserem Beitrag stellen wir eine Methode vor, um einfache dynamische Gleichungen für die Speicher basierend auf Daten aus Finite Elemente Simulationen abzuleiten, welche dann für einen anschließende Betriebsoptimierung mit Python eingesetzt werden.

Bei der Betriebskostenoptimierung fokussieren wir uns auf die Wärmeerzeugerseite, welche aus verschiedenen Wärmequellen wie Prozessabwärme, Solarthermie oder einem konventionellen Heizkraftwerk besteht. Die Wärme wird hierbei über eine Wärmepumpe in ein Fernwärmenetz eingespeist.

Anschließend verwenden wir unsere Methode, um den optimalen Betrieb eines geplanten Grubenspeicher (MTES) für die Fernwärmeerzeugung am Campus der Ruhr-Universität Bochum zu berechnen.

Ziel des IEA Annex 52 war es, eine große Anzahl von erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen in verschiedenen Ländern (Schweden, Niederlande, Großbritannien, Finnland, Deutschland, Norwegen und USA) unter dem Gesichtspunkt der Langzeitperformance zu monitoren, zu analysieren und zu bewerten. Die bis zu 40 untersuchten Beispielanlagen decken eine Reihe von Gebäudetypen, Systemanwendungen und Erdwärmequellen ab. Mit all diesen unterschiedlichen Systemanwendungen, internationaler Erfahrungen und Informationen als Grundlage konnten Leitlinien für die Messtechnik und das Monitoring, zur Unsicherheitsanalyse, zur Daten- und Performanceanalyse und geeignete Performanceindizes erarbeitet und zur Verfügung gestellt werden.

Die SPFs der Systeme sind von System zu System sehr unterschiedlich, wobei bisher größtenteils keine klaren Beziehungen zwischen SPF und anderen Faktoren besteht. Im Annex wurden die Ergebnisse zur Systematisierung von Feldmessungen herangezogen, indem neue Grenzschemata für die Bewertung der Arbeitszahl eingeführt wurden (Basis SEPEMO), sodass eine breite Palette an Systemmerkmalen Berücksichtigung finden, die über typische Haussysteme hinausgehen.

Der Vortrag soll einen Überblick über den IEA HPT Annex 52 – „Longterm performance measurement of GSHP systems serving commercial, institutional and multi-family buildings“ geben, einschließlich der Monitoringprojekte und deren Ergebnisse. Der Fokus liegt dabei auf der Darstellung der Monitoring Ergebnisse und Performance der untersuchten Wärmepumpenanlagen.

Steigende Preise für fossile Energieträger beschleunigen den Einsatz einer sicheren, wirtschaftlichen und umweltschonenden Energieversorgung im Gebäudesektor. Im Bereich der Niedertemperaturwärmeversorgung (Raumheizung, Warmwasserbereitung) ist der Einsatz von Wärmepumpen (WP) in Kombination mit Erdwärmesonden (EWS) insbesondere für größere Gebäude eine etablierte Technologie. Voraussetzung für einen nachhaltigen Betrieb der EWS-Anlagen ist allerdings, dass das im Winter infolge des Wärmeentzugs abgekühlte Erdreich über den Sommer wieder regeneriert. In dieser Studie werden zuerst die Betriebsweise und das thermische Verhalten von zwei EWS-Feldern für die Wärme- und Kälteversorgung eines Bürogebäudes anhand von mehrjährigen Messdaten untersucht. Es zeigt sich, dass die gemessene Kälteleistung der EWS-Felder von den Planungswerten deutlich abweicht und bei einer andauernden, unausgeglichenen Wärmebilanz das Erdreich im Laufe der Jahre erwärmt bzw. abgekühlt wird. Die Temperaturentwicklungen des Wärmeträgermediums und im Untergrund werden mit numerischen Berechnungsansätzen in TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation tool) und FEFLOW (Finite Element sub-surface FLOW system) abgebildet und über die gesamte Nutzungsdauer der EWS-Felder von 50 Jahren extrapoliert. Die mit beiden Simulationsprogrammen simulierte Temperatur des Wärmeträgermediums stimmt gut mit den Messdaten aus über 10 Jahren überein. Basierend auf den Ergebnissen der Temperaturprognose wird die Betriebsweise der EWS-Felder durch den Einsatz unterschiedlicher Regerationsoptionen, beispielsweise mit Hilfe der Einspeisung von Solar-, Umwelt- und Abwärme in das Erdreich, optimiert. Neben der Energiebilanzzahl und des Netto-Wärmeentzugs spielt beim nachhaltigen Betrieb der EWS-Felder auch die zeitliche Verfügbarkeit der Regenerationswärme eine wichtige Rolle. Der Einfluss der aktiven Regeneration wird verringert, wenn ein starker Grundwasserfluss bereits für eine natürliche Regeneration sorgt.

Die Dimensionierungstabellen für Erdwärmekollektoren in der Richtlinie VDI 4640 Blatt 2 basieren auf Simulationen mit fest definierten Randbedingungen und je Klimazone vorgegebenen Lastverläufen. Entsprechend der Zielrichtung eines Tabellenverfahrens sind die resultierenden Entzugsleistungen und Entzugsenergien tendenziell konservativ, um Unterdimensionierungen von Anlagen zu vermeiden. Bei günstigeren Randbedingungen und Lastverläufen (z. B. Wärmerückspeisung im Sommer) als in der Richtlinie angegeben, können demzufolge u. U. höhere Leistungswerte erzielt werden. Dies zu quantifizieren erfordert i. d. R. Simulationen, die naturgemäß zu anderen Ergebnissen führen, was mitunter kritisiert wird.

Demgegenüber existieren für Erdwärmesonden dynamische und flexible Rechenverfahren und Auslegungsprogramme wie EED u. a. m., die einen leistungsfähigen Zwischenweg zwischen Tabellen und aufwändigen numerischen Simulationen darstellen. So können die Dimensionierungstabellen für Erdwärmesonden in VDI 4640 Blatt 2 z. B. mit der Web-Anwendung GEO-HAND^light for BWP auf anderen Randbedingungen umgerechnet werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens QEWSplus „Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (FKZ: 03EE4020A-H, www.qewsplus.de) wird ein Energie- und Leistungsbilanzverfahren für Erdwärmekollektoren entwickelt, mit dem Erdwärmekollektoren einfach für von der VDI 4640 Blatt 2 abweichende Randbedingungen dimensioniert werden können. Dieses Rechenverfahren und seine Anwendung werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt.

Im Zuge der Verdichtung oberflächennaher geothermischer Anlagen wird die Bedeutung potentieller gegenseitiger Beeinflussung von Erdwärmesonden (EWS) in Zukunft zunehmen. Bislang werden die thermischen Auswirkungen einzelner Erdwärmesondenanlagen mit geringer Leistung (< 30 KW) im Allgemeinen jedoch nicht explizit numerisch simuliert. In dieser Studie wurde ein für das Norddeutsche Becken typisches vereinfachtes 3-Schichtenmodell quartärer und tertiärer Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer in Verbindung mit einer Vielzahl von EWS-Einzelanlagen und EWS-Feldern in COMSOL Multiphysics sowie in FEFLOW erstellt. Das Ziel der thermisch-hydraulischen 3D-Simulationen liegt zum einen in der Quantifizierung der Temperatur- und Druckänderungen unter verschiedenen thermischen und hydrodynamischen Lastzuständen und zum anderen in der Abgrenzung des thermisch-hydraulisch beeinflussten Bereiches der EWS-Gesamtanordnung. Darüber hinaus werden Kurz- und Langzeitperformance unter verschiedenen hydrogeologischen Charakteristika (Fließgeschwindigkeit, hydraulische Durchlässigkeit) von Lockergesteinsgrundwasserleitern untersucht. Zur Entwicklung der statischen und dynamischen Modelle wird ein effizienter Workflow präsentiert, der unter anderem die optimale räumliche Diskretisierung sowie die Erarbeitung des Geschwindigkeitsfeldes in den Doppel-U-Rohren beinhaltet. Besondere Beachtung erfahren vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Betriebsweise die thermischen Interaktionen. In dieser Studie präsentieren wir die letzten Modell- und Simulationsergebnisse.

Im Verbundvorhaben QEWSplus (FKZ: 03EE4020A-H) werden Methoden zur Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme untersucht. Ein Teilprojekt befasst sich mit der Entwicklung innovativer geophysikalischer Messsonden. Hierbei wird unter anderem eine Ultraschallsonde zur Überprüfung der Verfüllqualität von Erdwärmesonden entwickelt.

Sedimentation, Penetration und Filtration können in Verfüllungen von Erdwärmesonden Fehlstellen verursachen, die sich nachteilig auf den Grundwasserschutz, die Effizienz der Geothermieanlage auswirken sowie zu Hebungen und Setzungen des Untergrunds führen können. Um diese Defekte in der Verfüllung gezielt detektieren zu können wurde eine Ultraschallsonde entwickelt. Hierbei beeinflussen die Defekte in der Verfüllung die Reflektion und Transmission des Signals und können so durch Veränderungen des Empfängersignals erkannt werden.

In Laborversuchen konnten wassergefüllte simulierte Fehlstellen mit etwa 4 cm Durchmesser detektiert werden. Dabei wurden verschiedene Verfüllmaterialien und Defektpositionen in der Verfüllung gemessen. Experimente wurden mit Puls-Echo-Anordnung, bei der das reflektierte Signal vom Sender gemessen wird, sowie mit Sender-Empfänger-Anordnung, bei der das transmittierte Signal von einem baugleichen Empfänger gemessen wird, durchgeführt. Es wurden unterschiedliche Reflektoren für gerichtete und ungerichtete Messungen verwendet. Mit dem Sender-Empfänger-Verfahren sind auch Messungen mit Sender und Empfänger in unterschiedlichen Rohren möglich um Erdwärmesonden mit komplizierterem Querschnitt zu untersuchen. Diese Verfahren wurden unter realitätsnahen Bedingungen in einer Erdwärmesonde getestet.