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.