Seit 2022 entsteht in Berlin das Quartier KOKONI ONE mit 84 Doppel- und Reihenhäusern. Die nachhaltige Gestaltung fällt durch hölzerne Fassaden, Grünflächen und dachintegrierte Photovoltaikmodule auf. Seit 2023 sind die Wärmeerzeugungsanlagen in Betrieb und die ersten Bewohner:innen eingezogen. Entwickelt wird das Quartier vom Projektentwickler INCEPT GmbH, einem Teil der ZIEGERT Group. Das Energiekonzept verantwortet die naturstrom AG.

Einer der innovativsten Aspekte des Quartiers spielt sich unter der Erde ab. In 100 Metern Tiefe entziehen 68 Erdwärmesonden der Umgebung auf einem Temperaturniveau von 5 °C Wärmeenergie, die in die Energiezentrale des Quartiers geleitet wird. Dort heben zwei Sole-Wasser-Wärmepumpen mit einer elektrischen Eingangsleistung von 74 Kilowatt sowie einer thermischen Ausgangsleistung von 360 Kilowatt die Temperatur des Wassers auf 40 °C an. Das mehr als 1.200 Meter umfassende Niedertemperatur-Nahwärmenetz bringt die Heizenergie in die Gebäude. Die Trinkwarmwasserbereitung erfolgt dezentral in elektronischen Durchlauferhitzern.

Dank des hohen Baustandards nach BEG 55 und moderner Fußbodenheizungen reicht die niedrige Temperatur des Wärmenetzes aus, um ein komfortables Wohnklima zu schaffen. Das niedrige Temperaturniveau von maximal 40 °C sorgt für eine hohe Effizienz der Wärmepumpen und günstigere Wärmepreise.

Im Sommer werden die Energieflüsse zur passiven Kühlung umgedreht: Überschüssige Wärme wird den Gebäuden entzogen und ins Erdreich zurückgeführt. Ein Rückkühler mit 200 Kilowatt Leistung speichert zusätzliche Wärme aus der Luft im Erdreich. Der Rückkühler ermöglicht außerdem eine Reduktion der Sonden. Das senkt die Investitionskosten.

Die Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von 410 Kilowatt-Peak versorgen die Haushalte über das quartierseigene Stromnetz und betreiben die Wärmepumpen.

Zur Dekarbonisierung der Wärmenetze werden auch in Zukunft geothermische Energiequellen bei der Planung einbezogen. Stadtwerke stehen vor der Herausforderung wie sowohl technisch als auch finanziell diese Integration erfolgreich umgesetzt werden kann. Gerade in Ballungsgebieten, wo wenig Platz zur Erschließung erneuerbarer Energien steht können tiefe Erdwärmesonden ein wichtiges Standbein für die Wärmeversorgung bilden.

In diesem Beitrag stellen wir erstmalig eine gekoppelte Simulation einer tiefen geothermischen Anwendung mit einer Wärmenetzauslegung vor. Hierbei kombinieren wir eine detaillierte Wärmenetzsimulation basierend auf der Open-Source-Software pandapipes mit der Simulation einer tiefen Erdwärmesonde (TEWS) mit saisonaler Wärmespeicheroption unter Verwendung der Software Feflow. Diese direkte Kopplung beider Systemvorhersagen ermöglicht eine qualitativ hochwertige Netzsimulation unter Einbeziehung tiefer geothermischer Energiequellen. Die Interaktionen zwischen den beiden Systemen kann dann umfassend analysiert und in einem nächsten Schritt optimiert werden.

Unser Ansatz wird auf ein Wärmenetz in Bamberg angewendet, wobei eine Jahressimulation durchgeführt wird. Die Ergebnisse zeigen, wie die Modelle am besten miteinander interagieren und wie der Netzumbau ganzheitlich und effizient analysiert werden kann. Durch die Toolkopplung bieten wir Stadtwerken den ersten Ansatz einer wertvollen Methode, um die Integration von geothermischen Energiequellen in bestehende Wärmenetze zu planen und durchzuführen.

Die vorgestellten Ergebnisse und Methoden sollen dazu beitragen, das Verständnis und die Akzeptanz für geothermische Anwendungen in städtischen Wärmenetzen zu erhöhen und eine fundierte Entscheidungsgrundlage für zukünftige Infrastrukturprojekte zu schaffen.

Nachhaltige Nah- und Fernwärmenetze werden eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung des Wärmesektors in Deutschland und Nordwesteuropa spielen. Bei der Gestaltung dieser komplexen Systeme muss das Zusammenwirken von Erzeugern, Verbrauchern, Speichern und dem Netz optimiert werden. Erdsondenspeicher gehören zu den erfolgversprechendsten saisonalen Speicherlösungen, um der asynchronen Fluktuation von Wärmeangebot und -nachfrage zu begegnen.

Für die Optimierung solcher Fernwärmesysteme ist die gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung (MILP) ein vielversprechender Ansatz. In diesem Beitrag wird die automatisierte Verknüpfung eines nichtlinearen Erdsondenspeichermodells mit einem technoökonomischen MILP-Optimierungstool für Fernwärmesysteme demonstriert.

Für das Erdsondenspeichermodell wird das auf dem g-Funktionsansatzes basierende open-source Python-Tool GHEDesigner ausgewählt. Es ermöglicht, die optimale Anzahl von Bohrlöchern und deren optimale Bohrlänge für gegebene Bodenparameter zu finden, während die Temperaturen des Bodens und des Arbeitsmediums in den Sonden vordefinierte Grenzwerte nicht überschreiten.

Bisher wurden solche detaillierten Erdsondenspeichermodelle vor allem für isoliert betrachtete Dimensionierungen oder Betriebsoptimierungen einzelner Nahwärmesysteme oder Gebäudeenergiesysteme verwendet. In unserer Arbeit sind sie jedoch in ein Optimierungsschema für die Entwurfs- und Auslegungsphase eines gesamten Nah- oder Fernwärmesystems integriert.

In einer Fallstudie wird die automatisierte Erstellung des Modells eines Nahwärmesystem basierend auf öffentlich zugänglichen Daten (Open-Data) unter Verwendung der neu im Projekt ODH@Juelich entwickelten Open-District-Hub-Tools demonstriert. Dies umfasst auch die automatisierte Erstellung von Lastgängen der einzelnen Gebäude. Das System wird einschließlich eines Erdsondenspeichers dimensioniert, simuliert und optimiert. Die Untersuchung umfasst auch eine Sensitivitätsanalyse bezüglich wichtiger Parameter wie beispielsweise der Wärmeleitfähigkeit des Bodens oder der Bohr- und Stromkosten, die einen hohen Einfluss auf die Wärmegestehungskosten des Gesamtsystems haben.

Das geothermische Informationssystem GeotIS ist ein öffentlicher, digitaler Geothermie-Atlas im Internet, das vom LIAG-Institut für angewandte Geophysik betrieben wird. GeotIS nutzt moderne WEB-GIS- und Datenbanken-Technologien zur Bereitstellung von geowissenschaftlichen Karten, Explorationsdaten und weiteren Daten, die für eine erste Einschätzung von Geothermie-Potenzialen relevant sind. Spezielle Funktionen, wie z. B. der interaktive Profilschnitt ermöglichen einen detaillierten Blick in den geothermisch nutzbaren Untergrund. Darüber hinaus können die jährlich erhobenen Energiedaten der einzelnen tiefen Geothermie-Anlagen in Deutschland abgerufen werden. Neu ist, dass auch Daten für die kommunale Wärmeplanung, z. B. die räumliche Wärmebedarfsdichte und die maximal erforderliche Heizlast, in GeotIS abrufbar sind. Ursprünglich als System für Tiefengeothermie ausgelegt, wird GeotIS in den laufenden Forschungsprojekten ArtemIS und WärmeGut für die mitteltiefe und oberflächennahe Geothermie erweitert. Im Zuge dieser Erweiterung wird die zur Auslegung von Erdwärmesonden entwickelte Software GEOHAND^light der Hochschule Biberach in einer speziell angepassten Version in GeotIS integriert. Damit wird es möglich, für ein beliebiges Areal interaktiv den potenziellen Deckungsgrad von Erdwärmesondenfeldern am lokalen Wärmebedarf abzuschätzen. Dies stellt eine wichtige Informations- und Handlungsgrundlage für die kommunale Wärmeplanung dar. Zum ersten Mal entsteht ein Online-Werkzeug, mit dem relativ einfach und schnell abgeschätzt werden kann, ob eine bestimmte Siedlungsfläche besser durch oberflächennahe, mitteltiefe oder tiefe Geothermie mit Wärme versorgt werden kann.

Siehe Publikation Geothermische.Energie.Nr.108