Für die Fernwärmeverteilung aus hydrothermalen Tiefengeothermiequellen können Verbundleitungen zur Verbindung kleinerer Gemeinden im ländlichen Raum eine entscheidende Rolle darstellen. Aus diesem Grunde wird im Rahmen der Fortführung des Masterplans Geothermie Bayern, mit dem Ziel der Bewertung von Potentialen interkommunaler Geothermie-Projekte im ländlichen Raum, ein thermo-ökonomisches Optimierungsmodell für Fernwärmenetzverbundleitungen entwickelt. Anhand des Anwendungsfalles Kirchweidach in Südostbayern wird das wirtschaftliche Potential geothermischer Anlagen im ländlichen Raum unter Betrachtung von Verbundleitungen zwischen kleineren Gemeinden und Städten analysiert. Soweit möglich werden allgemeinere Aussagen über die Wirtschaftlichkeit und Möglichkeiten der Wärmeversorgung mit Verbundleitungen im ländlichen Raum abgeleitet. Grundlage für solche Analysen sind eine zuverlässige und möglichst detaillierte Datenlage. Deshalb wird im Rahmen des Vorhabens zusätzlich eine Analyse zur aktuellen Datenlage existierender Wärmenetze durchgeführt. Im Fokus des Vortrages liegt die Methodik der thermo-ökonomischen Optimierung von Wärmeverbundleitung sowie die ersten Ergebnisse des konkreten Anwendungsfalls Kirchweidach.

Kalte Nahwärmenetze (KNWN) sind eine effiziente, emissionsarme, dezentrale, grundlastfähige und flexible Technologie zur Wärmeversorgung. Um das Verständnis für und die Verbreitung von KNWN zu fördern, läuft seit Mai 2022 das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Verbundprojekt „GeoWaermeWende“. Als Projektpartner beteiligt sind die Stadtwerke Schifferstadt (SWS), die Transferstelle Bingen (TSB), die Internet Marketing Services GmbH (IMS), sowie die drei Institute gia, GUT und E3D (Koordination) der RWTH Aachen.

Übergeordnetes Ziel des interdisziplinären Projektes ist die Erarbeitung von Werkzeugen, die eine automatisierte Planung und Berechnung von KNWN ermöglichen. In einem webbasierten Geoportal können NutzerInnen ein Gebiet zur Wärmeversorgung definieren. Thermische Untergrundparameter werden, soweit verfügbar, aus öffentlich zugänglichen Geodatenquellen mittels offener Web-Dienste (OWS) abgerufen. Begleitend dazu wird ein bestehendes KNWN in Schifferstadt mit Messsensorik ausgerüstet.

Ein Teilaspekt des Projektes ist die Entwicklung analytischer Rechenansätze für KNWN. Diese ermöglichen eine effiziente, parametrisierte Berechnung der Fluidtemperaturen im System. Basierend auf der Methode der g-Funktionen werden Sonden und Leitungen komponentenweise berechnet. Die Temperaturen im Mehrkomponentensystem KNWN werden ultimativ durch das Lösen eines resultierenden Gleichungssystems bestimmt. Die analytische Methode eignet sich aufgrund ihrer Effizienz sehr gut zur Iteration verschiedener Systemvarianten und zur Optimierung der Fluidtemperaturen und Bohrmeter.

Die für die Systemauslegung benötigten Gebäudelastkurven sollen anhand bestehender Daten automatisch bestimmt werden. Weiterhin wird ein numerisches Modell entwickelt, um detaillierte Berechnungen zu ermöglichen. Die finalen, geoportal-basierten Planungswerkzeuge sollen hierbei nicht die Planung durch Fachplanungsbüros ersetzen, sondern FachplanerInnen und StakeholderInnen die Zugänglichkeit, Vordimensionierung und Machbarkeit einer KNWN-Installation erleichtern.

Um die Wärmewende in vor allem eng bebauten, städtischen Bestandsquartieren voranzutreiben sind Nahwärmenetze wichtig. In diesem Beitrag wird der Fokus auf Kalte Nahwärmenetze (Betriebstemperaturen von 3 – 20 °C) gelegt, welche eine Kopplung von dezentralen Wärmepumpen mit einem zentralen Erdwärmesondenfeld erlauben. Dadurch können geothermische Ressourcen in einem Quartier geteilt werden und Abwärme- oder Solarthermiepotentiale zur Regeneration erschlossen werden. Außerdem liegt die Jahresarbeitszahl bei Erdwärmepumpen höher als bei Luftwärmepumpen und diese führen nicht zu Schallemissionen, die vor allem in eng bebauten Räumen problematisch sind.

Verschiedene Open Source Lösungen in Python wurden verglichen und das Package Pandapipes ausgewählt. Mit Pandapipes werden verschiedene generische Netzkonzepte (normaler Strang Tichelmann, Ring) nachgebaut, thermohydraulisch ausgelegt und Jahressimulationen durchgeführt. Ein selbst entwickelter Auslegungsalgorithmus übernimmt die Auslegung der Rohrdurchmesser über die spezifischen Druckverluste und prüft ob die maximale Druckerhöhung der Pumpen nicht überschritten wird. Des Weiteren wird geprüft, ob zulässige Strömungsgeschwindigkeiten in den Leitungen eingehalten werden. Anhand einer Jahressimulation werden die Konzepte der generischen Netze miteinander verglichen und anhand technisch-ökonomischer Aspekte ein präferiertes Konzept ausgewählt.

Die großmaßstäbliche, innerstädtische Nutzung von Umweltwärme erreicht durch saisonale Wärmespeicherung hohe Deckungsgrade, da mit einer günstigen Kosten-Nutzen-Relation auf niedrigem Temperaturniveau zwischen 5 und 15°C nahezu verlustfrei Wärme im Untergrund gespeichert werden kann. Die enge Bebauung und hohe Wärme- oder Kältelasten sind eine Herausforderung für oberflächennahe Geothermie, der bei geeigneter Hydrogeologie mit Aquiferspeichern im öffentlichen Raum begegnet werden kann. Dazu können Brunnendoubletten und Grundwasserzirkulationsbrunnen mit Vertikalfiltern eingesetzt werden. Für höhere Leistungen und bei geringmächtigen Grundwasserleitern haben sich auch Horizontalfilterbrunnen etabliert. Wenn eine seitliche Verziehung und lokale Aufböschung oder Absenkung des Grundwassers unerwünscht ist, kann eine vertikal übereinander angeordnete Lage von Horizontalfiltern ebenfalls ein großräumiges Volumen thermisch erschließen. Ein solcher Horizontalfilter-Zirkulationsbrunnen kann Leistungen bis in den Megawatt-Bereich erreichen und damit für Quartiere über „kalte Umweltwärmenetze“ bzw. maschenförmige Netze der 5. Generation eine Infrastruktur darstellen, die auch im verdichteten Bestand eine Umweltwärmenutzung ermöglicht. Zugleich sind Grundwasserreinigungsmaßnahmen möglich, die sonst aus Kostengründen unterbleiben. Die Technologie und deren innerstädtische Integration werden in diesem Vortrag skizziert.

Die ehemaligen gefluteten Gruben sind ein attraktiver Asset zur erneuten Nutzung als geothermische Quelle und/oder saisonaler Speicher. Ewigkeitslasten werden transformiert in Ewigkeitsnutzen. Dabei spielt auch der sozial historische Kontext eine wichtige Rolle. Die Anwendung begeistert und fasziniert Viele was die Akzeptanz für die notwendigen Maßnahmen der Energiewende fördert.

Als Fraunhofer IEG mit ihrer Vorläuferinstitution GZB sind wir bereits mehr als 10 Jahren intensive mit der Erforschung der Bergbaufolgenutzung beschäftigt und einbezogen in die Umsetzung vieler Projekten. Für eine erfolgreiche Umsetzung ist die integrale Entwicklung der untertägigen und obertägigen Infrastruktur wichtig. Beide Expertisen sind im Competence Center Bergbaufolgenutzung zusammengebracht.

In diesem Vortrag möchten wir als Fallbeispiel die Entwicklung und Umsetzung des Wärme- und Kältenetzes der 5. Generation der Stadtwerke Bochum Holding GmbH am Industrie-, Technologie- und Forschungscampus Mark 51°7 besprechen. Das Projekt auf dem ehemaligen Areal der Zeche Dannenbaum und Opelfabrik in Bochum mit einer geplanten Gebäudenutzfläche von mehr als 210.000 m2 ist in Nachfolge des 5. Generationsnetzes mit Grubenwassernutzung in Heerlen, Niederlande entstanden. Die Erkenntnisse aus Heerlen sind über das EU INTERREG Nordwesteuropa Projekt D2Grids eingeflossen.

Das 5. Generationsnetz wird momentan umgesetzt und nach Plan Angang 2025 vollständig in Betrieb sein. Es umfasst drei bivalente dezentrale Energieanlagen die mit einander im Austausch stehen, wobei das Grubenwasser der Zeche Dannenbaum als Bilanzquelle und saisonaler Speicher eingesetzt wird.

In dem Vortrag wird eingegangen auf den heutigen Stand, den Entwurf, die Dimensionierung und die Funktionalität des Wärme- und Kältenetzes der 5. Generation und der Grubenwasseranlage.