Fabian Böttcher
Technische Universität München, Germany
Die oberflächennahe Geothermie kann zur regenerativen Deckung der urbanen Heiz- und Kühllasten und so zur Primärenergieeinsparung und Dekarbonisierung der Städte beitragen. In München, das mit der Münchener Schotterebenen einen äußerst ergiebigen oberflächennahen Aquifers besitzt, hat hervorragende Bedingungen für die thermische Nutzung von Grundwasser. Daher ist auch dort bereits eine Vielzahl von oberflächennahen geothermischen Anlagen zum Heizen und Kühlen installiert. Der überwiegende Anteil der Heizlasten entfällt dabei auf kleinere Grundwasserwärmepumpen zur Gebäudetemperierung, wohingegen Systeme zur Kühlung überwiegend Großanlagen sind. Betrachtet man das Volumen der Grundwassernutzung, so hat sich ein Ungleichgewicht von 3:2 zu Gunsten der Kühllasten eingestellt. Damit wird momentan ein Überschuss an Energie in das Grundwasser eingetragen. Aufgrund der bereits dichten Nutzerstruktur, können durch einen vermehrten Ausbau der oberflächennahen geothermischen Systeme Konflikte, aber auch Synergien entstehen, die zum Ausgleich der Energiebilanz beitragen.
Um diese mögliche Synergien zu nutzen und Konflikte zu vermeiden, muss sowohl die Dynamik der umliegenden Anlagen, als auch die Dynamik der Ressource gemeinsam betrachtet werden. Aktuell fehlt diese Information auf Stadtebene als Entscheidungsgrundlage für einen gerichteten Ausbau der thermischen Grundwassernutzung. Dies erschwert die Beurteilung und führt dazu, dass Genehmigungen immer häufiger restriktiv gehandhabt werden. Notwendig ist daher ein Werkzeug für ein optimiertes thermisches Grundwassermanagement, dass nicht nur Genehmigungsbehörden unterstützen, sondern auch Stadtplanern und Versorgern zur Verfügung steht, um Energiestrategien auf dem Fundament von ganzheitlichen und dynamischen Optimierungsergebnissen aufzustellen und umzusetzen.
Das Projekt GEO.KW (2019-2021) hat sich daher zum Ziel gesetzt ein flexibles Management- und Optimierungs-Tool für die Nutzung der Energiequelle Grundwasser zu entwickeln. Diese Optimierung wird bei dem hochdynamischen Grundwassersystem und der hohen Diversität des Energiebedarfs, das die Stadt München bietet, in einer Pilotstudie umgesetzt. In einem interdisziplinären Ansatz, wird ein thermisches Grundwassertransportmodell mit einem linearen Modell zur verteilten Energiesystemoptimierung gekoppelt. Hierbei wird der Wärme- und Kältebedarf hochaufgelöst mit dem Potential der thermischen Grundwassernutzung verschnitten. In der Optimierung werden nicht nur die wasserwirtschaftlichen Rahmenbedingungen zur thermischen Bewirtschaftung der Anlagen betrachtet, sondern zudem der Einsatz komparativ mit konventionellen Heiz- und Kühlsystemen bewertet. Als Kostenfaktor für die Optimierung werden in erster Linie Treibhausgasemissionen herangezogen, aber auch Investitions- und Betriebskosten. Um den Datenaustausch zwischen den parallelisierten Softwarekomponenten zu ermöglichen, werden effiziente Kopplungs-Algorithmen verwendet, die es erlauben die Modellkopplung skalierbar auf Höchstleistungsrechnern einzusetzen. Für die numerische Grundwassersimulation wird der speziell auf Parallelisierbarkeit abgestimmte und frei verfügbare Simulationscode PFLOTRAN verwendet. Für die Modellierung des Energiebedarfs und der Energieinfrastruktur wird das lineare Optimierungsmodell urbs eingesetzt, mit dem die kostenminimale Dimensionierung und Einsatzplanung der Energieinfrastruktur durchgeführt wird. Für die technische Kommunikation der Modellcodes, die Verknüpfung unterschiedlicher räumlicher Diskretisierung und eine effiziente Realisierung der Kopplung wird die Bibliothek preCICE verwendet. Die benötigte Rechenleistung für die Komplexität einer gekoppelten, zeitabhängigen Simulation der Modelle wird durch den Einsatz des Höchstleistungsrechners SuperMUC-NG zur Verfügung stehen. Die Datenbasis und die Nutzeranforderungen an ein Management-Tool zur Optimierung der thermischen Grundwassernutzung in der Stadt werden im Projekt GEO.KW durch die Stadtwerke München und das Referat für Gesundheit und Umwelt der Stadt München eingebracht.
Die erarbeiteten Werkzeuge und Methoden werden nach Erweiterungen oder Modifikationen auch auf andere urbane Räume anwendbar sein, damit das Potenzial der thermischen Grundwassernutzung seinen optimalen Beitrag zu emissionsfreien, dekarbonisierten Städten leisten kann.
