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Zur Umsetzung von Niedrigstenergiehäuser müssen Konzepte entwickelt werden, die erneuerbare Energien optimal und effizient nutzen. Daher rücken Wärmepumpenkonzepte zur Beheizung und Bereitung von Trinkwarmwasser weiter in den Vordergrund, die jedoch nur durch gute Wärmequellen auch hohe Arbeitszahlen erzielen. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Herzo Base“ und „Herzo Opt“ wurde ein Reihenhaus-Komplex mit gemeinsamer Energieversorgung errichtet. Die Reihenhäuser, die als "KfW-Effizienzhaus 40 Plus" errichtet wurden, werden seit drei Jahren von April 2018 bis März 2021 energetisch gemonitort. Das vollelektrische Gebäude ist mit zwei geothermischen 17-kW-Wärmepumpen (B0/W35), acht dezentralen Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung, einer 40 kWh-Batterie und einer 88-kWp-PV-Anlage ausgestattet. Die frequenzgeregelten Wärmepumpen sind im Parallelbetrieb installiert, um hauptsächlich im Teillastbereich zu arbeiten und den hohen COP zu nutzen sowie das Erdreich gleichmäßig zu belasten. Sieben Bohrungen mit je 100 m Tiefe liefern die Wärmequelle und bieten im Sommer passive Kühlung.

Ein Ziel dieser Arbeit ist es, die geothermische Wärmequelle während der Monitoringphase sowohl energetisch als auch deren Temperaturverhalten zu untersuchen. Zwei der sieben Erdsonden sind mit jeweils sechs Temperatursensoren im Abstand von 20 m ausgerüstet. Da die Erdsonden in Reihe angelegt sind, kann eine mittlere mit einer zu Beginn gelegenen Bohrung verglichen werden. Des Weiteren wird der Einfluss des passiven Kühlens auf die Regeneration der Erdsonden zu untersucht. In einer thermischen-energetischen Simulation mit der Software TRNSYS werden der Betrieb der Wärmepumpen mit passiver und ohne passiver Kühlung abgebildet und der Einfluss auf die Erdreichtemperaturen bewertet.

Während der Monitoringphase erreicht das Wärmepumpensystem eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 4,8 bis 5,6 und die Warmwasser-Wärmepumpen eine JAZ von 4,0 bis 4,3. Höhere Speichertemperaturen aufgrund einer PV-optimierten Beladung im zweiten und dritten Monitoringjahr reduzieren die JAZ, erhöhen jedoch den PV-Eigenverbrauch von 32 % auf 37 %. Aufgrund von hoher Hilfsenergie, z.B. Umwälzpumpen und Zirkulation, liegt die JAZ des Gesamtsystems jedoch nur bei 3,4.

Die Nutzung oberflächennaher Geothermie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden im Bausektor hat in den letzten Jahren zunehmendes Interesse gefunden. Unter anderem ist die Anwendung von Erdwärmesondenfelder weit verbreitet, um verschiedene Arten von Gebäuden und Quartieren mit Wärme zu versorgen. Innerhalb der verschiedenen Bundesländer in Deutschland gibt es unterschiedliche gesetzliche Beschränkungen für zulässige Temperaturänderungen im Untergrund durch den Betrieb von Erdwärmepumpen. Daher muss der technische Planer des Systems ein umfassendes numerisches 3D-Modell erstellen und simulieren, welches inhomogene Sedimentschichten mit unterschiedlichen hydraulischen und thermischen Parametern beinhaltet. Vor kurzem wurde ein Feld mit 16 Sonden gebaut, um die oberflächennahe Geothermie für ein öffentliches Gebäude in Berlin zu nutzen. Um die Qualität des numerischen Modells zu gewährleisten und seine Sensitivität gegenüber unterschiedlichen Untergrundparametern aufzuzeigen, wurden 25 Jahre lang Modellsimulationen mit zwei Finite-Elemente-Simulationsprogrammen durchgeführt; dem Open-Source-Code OpenGeoSys und der weit verbreiteten kommerziellen Software FEFLOW. Die numerischen Experimente zeigen, dass das Grundwasserfeld den stärksten Einfluss auf die Temperaturverteilung im Untergrund hat. Berücksichtigt man die thermische Dispersivität des Grundwasserleiters in der Simulation, führt der Mischeffekt im Grundwasserleiter zu einer höheren Fluidtemperatur in den Sonden, was auf einen besseren thermischen Erholungseffekt des Untergrunds hinweist. Obwohl sich die Implementierung von Parametern in den beiden Programmen voneinander unterscheidet, zeigt das Vergleichsergebnis, dass sowohl die Resultate OpenGeoSys als auch von FEFLOW gut miteinander übereinstimmen. Grundlegend verwendet FEFLOW die Rücklauftemperatur aus dem vorherigen Zeitschritt, um die aktuelle Vorlauftemperatur in den Sonden zu bestimmen, wodurch FEFLOW in der Lage ist, das zugrundeliegende Gleichungssystem deutlich schneller zu lösen, indem Iterationen innerhalb eines einzigen Zeitschritts vermieden werden. Im Vergleich dazu passt OpenGeoSys die aktuelle Sondenrücklauftemperatur nach jeder Iteration an die Berechnungsergebnisse an, wodurch die Simulationszeit verlängert wird, aber genauere Ergebnisse generiert werden. Basierend auf dieser Studie präsentiert sich OpenGeoSys als eine valide Alternative zu FEFLOW für die Modellierung und Simulation von Erdwärmepumpensystemen.

Die Umsetzung einer erfolgreichen Energiewende erfordert Anstrengungen in allen Bereichen und insbesondere dort, wo Energie derzeit noch sehr ineffizient eingesetzt wird. Ein Beispiel dafür sind Systeme zur Eisfreihaltung im Außenbereich. Diese werden an kritischen Stellen verwendet, um Unfälle zu verhindern bzw. wichtige Infrastruktur sicher betreiben zu können. Beispiele dafür sind Zugänge zu öffentlichen Verkehrsmitteln wie Treppen und Rampen, Haltestellen, Bahnsteige, Auf- und Abfahrten in Parkgaragen, Straßenkreuzungen und auch sensible Bereiche in Fußgängerzonen. Leider wird der weit überwiegende Anteil dieser Systeme mit konventioneller Energie betrieben, sehr oft über elektrische Widerstandsheizungen. Da es sich bei dieser Technik um eine reine Niedertemperaturanwendung handelt, bei der die Oberflächen nur knapp über dem Gefrierpunkt gehalten werden müssen, ist sie eine ideale Anwendung für die oberflächennahe Geothermie. Mit ihr könnten diese Systeme bis zu 100% regenerativ versorgt und zudem noch Lastspitzen im Stromnetz reduziert bzw. vermieden werden.

Nach einer aktuellen globalen Marktstudie werden bei Schnee- und Eisfreihaltungssystemen jährliche Wachstumsraten von 5,4% erwartet. Das weltweite Marktvolumen dieser Technik beträgt nach dieser Studie aktuell etwa 5 Mrd. US$/Jahr. Geht man von einer durchschnittlichen Heizleistung der Systeme von ca. 300 W/m2 aus, so bedeutet das eine jährlich verbaute Heizleistung von rund 10-15 GW pro Jahr bei Preisen von ca. 100-150 US$/m² verbauter Heizfläche.

Im Projekt GERDI „Energieeffiziente Beheizung von Oberflächen mit CO2-Erdwärmesonden“ wird derzeit ein Heizsystem entwickelt, mit dem solche Flächen vollkommen regenerativ mit Umweltwärme aus dem Untergrund versorgt werden können. Das System besteht aus CO2-Erdwärmesonden die direkt mit speziell für diesen Anwendungsfall entwickelten Oberflächenheizelementen verbunden werden in denen ein CO2-Kondensator integriert ist. Der so entstehende Zweiphasen-Thermosiphon ist selbstregelnd und transportiert die Wärme vom Boden an die Oberfläche sobald der Kondensator in den Oberflächenheizelementen kälter als die Erdwärmesonde im Boden wird.

Ziel des Vorhabens ist es die für diese Technik erforderlichen Grundlagen zu erarbeiten und sie auf ein wesentlich breiteres Anwendungsfeld als bisher zu erweitern. So soll der Wärmetransport in den Oberflächenheizelementen, in den Zuleitungen und in der Sonde sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht werden und daraus Auslegungsrichtlinien für derartige Systeme erarbeiten werden. Für die Erdwärmesonde soll unter anderem die Wechselwirkungsgrenze experimentell für unterschiedliche Durchmesser ermittelt werden. Bei den Verbindungsleitungen soll der Einfluss des Gefälles und des Durchmessers auf die maximal übertragbare Leistung untersucht werden. Insgesamt soll so ein tieferes Verständnis der physikalischen Abläufe in einem CO2-Thermosiphon für diese Anwendung erarbeitet werden. Darüber hinaus sollen die für die Auslegung erforderlichen Lastprofile erarbeitet und im Laborexperiment validiert werden.

In diesem Beitrag wird ein Überblick über das Gesamtprojekt gegeben, sowie Ergebnisse aus den Labortests an den inzwischen gefertigten Heizelementen vorgestellt. Zudem werden experimentelle Ergebnisse zur Wechselwirkungsgrenze in den Zuleitungen (Verbindung der CO2-Erdwärmesonde mit den Heizelementen) präsentiert. Schließlich wird noch ein Ausblick über die weiteren Aktivitäten im Projekt gegeben, unter anderen die Anwendung der Technik am Beispiel eines geplanten Demonstrators.

Niedertemperatur-Wärme-/Kältenetze (NT-WK-Netze) sind innovative Ansätze zur Deckung des Wärme- und Kältebedarfs insbesondere in städtischen Gebieten. Fernwärmesysteme stehen vor einem Übergang zu sinkenden Netztemperaturen parallel zum Übergang zu einem Anstieg der Nutzung erneuerbarer Energien auf bis zu 100 %. Das Thema NT-WK-Netze gewinnt vor allem in urbanen Gebieten in Österreich zunehmend an Aufmerksamkeit, bedingt durch (I) den zunehmend niedrigeren Temperaturbedarf von Wärmeverteilsystemen in Neubauten, die oft einen hohen Gebäudestandard (Passivhaus o.ä.) haben; (II) Energieeffizienzmaßnahmen in Altbauten (Wärmedämmung, neue Fenster etc.); und (III) den Trend zu dezentralen Wärme- und Kältenetzen mit einem erhöhten Anteil an erneuerbaren Energien, die lokale oder nationale Klima- und Energieziele unterstützen. Die Zahl der sogenannten lokalen Energiegemeinschaften, insbesondere in städtischen und suburbanen Gebieten, in denen keine Hochtemperatur-Fernwärme zur Verfügung steht oder in denen die Gebäude- und Nutzungsstruktur Niedertemperatur-Wärme und Kälte zulässt, wird in den nächsten Jahren voraussichtlich deutlich zunehmen.

NT-WK-Netze sind, technisch gesehen, Rohrnetze, die Wasser mit Temperaturen im Bereich von 8 und 22°C zwischen einzelnen Gebäuden und/oder Gebäudegruppen verteilen. Das Wasser kann sowohl zur freien Kühlung als auch zur Kühlung oder Heizung mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt werden. Üblicherweise sind die Netze an saisonale Speicher für thermische Energie angeschlossen. Im Vergleich zu üblichen Fernwärmenetzen ist die Strömungsrichtung bidirektional. Somit kann die Wärme je nach Jahreszeit und Heiz-/Kühlbedarf zum und vom Verbraucher transportiert werden. Der Erdwärmespeicher muss das Residuum des tatsächlichen Energiebedarfs aller Nutzer ausgleichen und sollte mit ausgeglichener jährlicher Wärmelast und -abgabe ausgelegt sein. Schließlich muss bei der Systemauslegung ein komplexes Netzwerk mit dem Zusammenspiel vieler Nutzer und unterschiedlicher Lastfunktionen und Randbedingungen berücksichtigt werden. Zusätzlich muss der mögliche Wechsel von Nutzern oder Stromlasten berücksichtigt und Konzepte zur Ausfallsicherheit ausgearbeitet werden. Neben der saisonalen geothermischen Speicherung können auch technische thermische Speicher eine wichtige Rolle spielen, wenn ein kurzfristiger Ausgleich von Heizen und Kühlen erforderlich ist oder um die Betriebszeit der Wärmepumpe zu optimieren. Darüber hinaus ist es von Vorteil, Photovoltaik (PV)-Anlagen für den Betrieb der Wärmepumpen zu nutzen, weshalb deren Auswirkungen in diesem Projekt untersucht wurden.

Im Oktober 2018 starteten die Autor*innen ein interdisziplinäres angewandtes Forschungsprojekt, mit dem Ziel, ein NT-WK-Netz für die stillgelegte "Martinek-Kaserne" in der Stadt Baden südlich von Wien zu entwickeln, für die ein neues urbanes Mischnutzungsquartier geplant ist. Wesentliche Elemente sind die Nutzung von industrieller Niedertemperatur-Abwärme aus Prozessen der benachbarten NÖM-Molkerei sowie die Entwicklung von Sanierungs- und Umnutzungskonzepten für die denkmalgeschützten Gebäude.

Für die Entwicklung des NT-WK-Netzes wurden ein neues Simulationstool entwickelt, um der komplexen Situation des Gebietes gerecht zu werden, die aus unterschiedlichen Wärmequellen, geschützten und potenziellen neuen Gebäuden, unterschiedlichen Temperaturniveaus und Zeiten des Energiebedarfs, unterschiedlichen Nutzungen der Gebäude usw. besteht. Die Simulationen umfassen:

(I) die Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser, den Kühlaggregaten und der Druckluft der benachbarten NÖM-Molkerei,

(II) die Integration von lokal verfügbaren erneuerbaren Energiequellen,

(III) Erdsondenspeicher als saisonaler thermischer Speicher,

(IV) die besondere Herausforderung der unterschiedlichen Baustandards der denkmalgeschützten Altbauten vs. Neubauten mit unterschiedlichen Nutzungen (Wohnen, Gewerbe, Bildung) und damit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen und Bedarfscharakteristiken, und

(V) die moderate Kühlung über Freie Kühlung.

Die Projektergebnisse zeigten eindeutig für den Standort ein hohes Realisierungspotenzial für ein NT-WK-Netz am Standort mit der Abwärme der NÖM sowie geothermischer Speicherung in Erdsondenfelder. Die Ergebnisse des Projekts sind ein wichtiger erster Schritt, der zur breiteren Umsetzung von NT-WK-Netzen in Österreich beiträgt. Es wird sowohl das Screening von Standorten als auch die Planung von Netzdesigns ermöglichen. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, potentielle Entwickler bei der Realisierung des NT-WK-Netzes in der "Martinek-Kaserne" in naher Zukunft zu unterstützen.

Darüber hinaus kann ein positiver Nachweis der Machbarkeit von NT-WK-Netzen für geschützte und/oder sanierungsbedürftige Gebäude zu einer weiteren Anwendung dieser Konzepte in anderen Kasernen führen.

Die deutsche Antarktisstation Neumayer III wurde am 20. Februar 2009 in Betrieb gekommen. Die seit ihrer Projektierung unverändert laufende Energieversorgungstechnik soll in den kommenden Jahren grundlegend modernisiert werden. Ziel ist es unter Beibehaltung eines hohen Maßes an Redundanz, in großem Umfang regenerative Energiequellen zu nutzen. Neben Windkraft- und Photovoltaikanlagen wird auch der Einsatz von Wärmepumpentechnik in Erwägung gezogen, wobei die zugehörigen Wärmetauscher im antarktischen Schelfeis eingebracht werden sollen.

Im Zuge einer Machbarkeitsstudie, die vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Auftrag gegeben wurde, wurde die technische Umsetzbarkeit und die mögliche Leistungsfähigkeit solcher Eissonden untersucht. Hierbei wurden alle relevanten Umgebungsbedingungen des 250 m mächtigen Schelfeiskörpers unter der Neumayer III Station berücksichtigt sowie die technischen Limits, die sich für die Anlagenkomponenten aus den extremen Rahmenbedingungen des Standortes ergeben.

In der Präsentation werden die besonderen Bedingungen und thermophysikalischen Eigenschaften des Schelfeises erläutert und Ergebnisse von Simulationsrechnungen zur Temperatur- und Leistungsprognose für Eissonden verschiedenere Geometrien und Materialen vorgestellt. Weiterhin werden Konzepte zum Einbau und zur Anbindung eines möglichen Eissonden-Feldes gezeigt, mit denen die standortspezifischen Besonderheiten berücksichtigt werden. Zu nennen sind z.B. hier die extremen Temperaturbedingungen und die hohen Schneeakkumulationen, die jedes Jahr ein Anheben der gesamten Neumayer III Station im ca. 1 Meter erforderlich machen.