Veranstaltungsprogramm

Die Wärmewende ist auf dem Sprung: Energieversorger und Stadtwerke können einen großen Teil dieses Wandels aktiv mitgestalten. Dazu brauchen sie konkrete Handlungsoptionen innerhalb und außerhalb ihrer Gas- und Fernwärmenetze, im Bestand und im Neubau. Eine zentrale Rolle spielen hierbei Erdwärmepumpen. Die Servicelösung "targeo" zeigt technisch machbare und wirtschaftlich geeignete Potenziale für Erdwärmepumpen in einer Region gebäudescharf in einem "Digital Twin" auf. Damit können nachhaltige Infrastrukturlösungen auf Basis von oberflächennaher Geothermie ermöglicht werden.

Zum Erreichen der Klimaziele muss die Wärmewende konsequent umgesetzt werden. Dafür ist in nahezu allen Szenarien zur Wende im Wärmemarkt, neben dem Ausbau von grüner Fernwärme, zum einen ein sehr hoher Zuwachs an Wärmepumpen notwendig und zum anderen eine deutliche Reduktion des Endenergieverbrauchs. Die Umsetzung dieser Rahmenbedingungen erfordern daher effiziente Anwendungen von Wärmepumpen. Die thermische Nutzung des Grundwassers, direkt zur Kühlung oder mit Wärmepumpen zum Heizen, mit relativ hohen Jahresarbeitszahlen stellen solche effiziente Systeme dar. München, wie viele andere Städte auch, besitzt ein hohes Dargebot an Grundwasser und daher ein großes Potenzial für die regenerative und klimafreundliche Deckung der Wärme und Kälte durch die thermische Nutzung dieser Ressource.

Zum jetzigen Zeitpunkt existieren ca. 2630 einzelne Anlagen in München die unstrukturiert in der Stadt nach dem Bedarf von Einzelnutzern verteilt sind. Dabei werden ca. 80 % zu Heizwecken benutzt, die jedoch meist Kleinanlagen darstellen mit einer gesamten thermischen Leistung von ca. 300 Gwh. Die thermische Grundwassernutzung zu Kühlzwecken sind meist Großanlagen, nutzen ca. 60% der genehmigten Grundwasser-Entnahmemenge und produzieren dabei eine thermische Leistung von ca. 700 GWh. Trotz dieser bereits bestehenden Anlagen und des großen vorhandenen Potenzials wurde diese regenerative Energiequelle kaum in die kommunale Strategie zur Wärmewende mit integriert. In München laufen derzeit verschieden Aktivitäten die hier vorgestellt werden sollen, um diese Lücke zu schließen und die thermische Grundwassernutzung besser in die kommunale Strategie zur klimafreundlichen Wärme- und Kälteabdeckung einzubinden. So entwickeln beispielsweise die Stadtwerke München, Fernkältenetze die mit Grundwasser betrieben werden. Dabei wird neben einer sommerlichen Kältebereitstellung auch zunehmend auf Grundwasserwärmepumpen zum Zwecke der winterlichen Wärmeversorgung gesetzt. Darüber hinaus entstand ein kommunaler Energienutzungsplan, der nun auch das Potenzial für die Nutzung von Grundwasserwärmepumpen integriert und mit anderen lokal zur Verfügung stehenden Energiequellen abgleicht (wie etwa die Fernwärme auf Basis der Tiefengeothermie). Auf dieser Basis entwickeln sich Maßnahmen z.B. für Quartierskonzepte, bei der die thermische Grundwassernutzung nun vorrangig eingebunden werden kann.

Durch eine hohe Nutzungsdichte des Grundwassers im urbanen Raum können auch vermehrt Nutzungskonflikte entstehen (negative gegenseitige Beeinflussung). Die isolierte Betrachtung der Anlagen, die Dynamik der Ressource und die Komplexität der gegenseitigen Interaktion erschweren dabei die Beurteilung, so dass Genehmigungen auch immer häufiger restriktiv gehandhabt werden. Daher bedarf es zur Vermeidung von Konflikte, zur Vereinfachung der Genehmigungspraxis und gleichzeitig zur besseren Ausnutzung des vorhandenen Potenzials einer Optimierung und einem Management. Dafür wird in München im Projekt GEO.KW gerade ein komplexes Optimierungs- und Management-Tool für die Stadt und die SWM Services GmbH entwickelt, dass auch direkt für die Energieplanung in der Stadt genutzt werden soll.

Das HEATSTORE Forschungsvorhaben dient der Entwicklung eines untertägigen Hochtemperaturwärmespeichers in Kombination mit einer hT-Wärmepumpe (DGE Rollout) zur Einbindung in bestehende Fernwärme-Infrastrukturen im Ruhrgebiet. Dazu werden die ehemalige und nicht mehr zugängliche Kleinzeche unter dem Bohrplatz des Fraunhofer IEG und zukünftig das FW-Netz Bochum-Süd genutzt.

Der Fokus der Pilotanlage liegt auf einer Test- und Betriebsphase des Grubenwärmespeichers sowie der hT-Wärmepumpe. Die gewonnenen Daten sollen für die Weiterentwicklung von tiefen Untergrundwärmespeichern im Ruhrgebiet genutzt werden. Die Konzeptidee sieht vor, saisonal solaranfallende Überschusswärme innerhalb des Grubengebäudes im Sommer einzuspeichern und für die CO2-neutrale Wärmeversorgung im Winter zu nutzen.

Für die Erschließung des Grubengebäudes wurde die institutseigene Bohranlage Bo.Rex (Bochum Research and Exploration Drilling Rig) für alle drei Bohrungen genutzt. Die Produktions- und Injektionsbohrungen sind in einer Teufe von 64 m GOK, in die tiefste Sohle der Kleinzeche gebohrt worden. Die bestehenden Grundwasser-Messstellen werden für ein dichtes Überwachungsnetzwerks während des Testbetriebs genutzt. Hier werden Druck- und Temperaturdaten seit Anfang 2020 gesammelt.

Die Nutzung von Bergbauwässern als regenerative Energiequelle zeigt eine wesentliche Möglichkeit der Nachnutzung von gefluteten Bergwerken auf. Besonders in Zeiten einer steigenden Anzahl an stillgelegten Bergwerken (z.B. Kohle) bieten die darin befindlichen Grubenwässer auch ein großes Potential für die Wärme- und Kälteversorgung. Zur Gewinnung der Wärme ist oft ein Wärmeübertrager zwischen Grubenwasser und Heizkreislauf notwendig. Dabei entstehen durch den standortspezifischen Chemismus des Grubenwassers Ablagerungen auf den Oberflächen im Wärmeübertrager (Fouling), woraus zusätzliche Wärmeleitwiderstände und folglich Verluste bei der Wärmeübertragung resultieren. Hierzu werden aktuell verschiedene Maßnahmen zur Reduktion der Ablagerungen untersucht, wobei auch eine Grubenwassergeothermieanlage in Laborgröße in der realen Anwendungsumgebung eingesetzt wird.

Durch die Bildung des Foulings auf der Oberfläche der Wärmeübertragerplatten steigt einerseits der Druckverlust im System und anderseits wird die übertragene Wärmemenge zwischen den Fluiden deutlich reduziert. Die Dicke der Biofilme kann dabei bis zu 1000 µm betragen. Ein Biofilm von ca. 250 µm führt bereits zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge um ca. 50 %. Die Effektivität einer solchen Anlage wird dadurch wesentlich beeinflusst. Zusätzlich entstehen für jede Reinigung Wartungs- und Stillstandskosten. Bei einer Anlage im Leistungsbereich von 500 bis 800 kW bedeutet das jährliche Verluste von etwa 250.000 €.

Zur Reduktion der durch das Fouling verursachten Kosten und folglich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit im Wettbewerb zu fossilen Energieträgern werden aktuell zur Verringerung bis hin zur Vermeidung dieser Verschmutzungen spezielle Oberflächenbeschichtungen entwickelt und erprobt. Anhand von verschiedenen Oberflächenkriterien wie Kontaktwinkel oder Zeta-Potenzial wurden verschiedene Materialien und Oberflächen ausgewählt die nun In-Situ an verschiedenen Grubenwasserstandorten untersucht und deren Ergebnisse präsentiert werden.