Die Tiefengeothermie bietet großes Potential für eine erneuerbare Wärmebereitstellung. Dabei trifft die konstante Wärmebreitstellung auf schwankende Wärmenachfrage was Überschusswärme im Sommer und die Nutzung zusätzlicher Wärmequellen im Winter zur Folge hat. Dieser Problematik kann mithilfe von Absorptionstechnologien Abhilfe geschafft werden. Absorptionskältemaschinen erlauben die Nutzung von überschüssiger Geothermiewärme zur Kältebereitstellung im Sommer. Absorptionswärmepumpen und –transformatoren erhöhen die Wärmebereitstellung aus der Geothermie im Winter. Eine Anlage, die diese beiden Nutzungsmöglichkeiten verbindet, kann ganzjährig genutzt werden und bietet eine flexible Infrastruktur für ein sich änderndes Energiesystem. Die Versuchsanlage „GeoReACh“ demonstriert einen entsprechenden optimierten Betrieb für die Rahmenbedingungen der Geothermie. Ein Fokus der Untersuchungen liegt auf dem Kompromiss aus Leistungsfähigkeit der Anlage und Auskühlung der Geothermiequelle abhängig von der Desorbertemperatur. Mithilfe der Ergebnisse kann ein Einsatz dieser Anlagen für verschiedene Geothermiestandorte anhand der vorherrschenden Rahmenbedingungen bewertet werden. Im Rahmen des Vortrages werden die Inbetriebnahme sowie die ersten experimentellen Ergebnisse der Untersuchung im Hinblick auf die geothermischen Rahmenbedingungen dargelegt. Zusätzlich werden für verschiedene geothermische Anwendungsfälle thermo-ökonomische Ergebnisse präsentiert.

Mit Wärmepumpen lässt sich die Leistung einer Dublette der Tiefen oder Mitteltiefen Geothermie deutlich erhöhen. Der Rücklauf vieler mitteleuropäischer Fernwärmenetze liegt bei ca. 60 °C. Das Thermalwasser lässt sich somit lediglich auf ca. 65 °C direkt abkühlen. Mit Hilfe von Wärmepumpen ist es möglich den Rücklauf deutlich weiter abzukühlen wodurch die Geothermieleistung durchaus um 70 % erhöht werden kann.

Bei solchen Anwendungen werden auf der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite der Wärmepumpe Temperaturspreizungen von über 30 °C benötigt. Bei den meisten Wärmepumpenbauarten ist dies zumindest auf der Wärmequellenseite schwierig, weshalb die gesamte Leistung auf mehrere Wärmepumpen aufgeteilt werden muss, die in einer Kaskade das Wärmequellenwasser abkühlen.

In Wärmepumpen mit Lösungskreislauf erfolgt die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe natürlich mit einen großen Temperaturgleit und erreichen daher bei Anwendungen mit großen Temperaturspreizungen auf der Wärmequellen- und/oder Wärmesenkenseite eine merklich höhere Effizienz als Wärmepumpen bei denen das Kältemittel bei gleichbleibender Temperatur verdampft bzw. kondensiert.

Eine große Wärmepumpe mit Lösungskreislauf kann somit eine Kaskade von kleineren Wärmepumpen ersetzen und erreicht dabei durchaus einen genauso hohen COP.

Ein weiterer Vorteil von solchen Wärmepumpen mit dem natürlichen Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser ist, dass deutlich höhere Fernwärme-Temperaturen (bis zu 150 °C) erzielt werden können, was z. B. mit reinem Ammoniak als Kältemittel auf Grund zu hoher Betriebsdrücke nicht möglich ist. Wärmepumpen mit Lösungskreislauf eignen sich somit ideal für die Kopplung an Tiefe-Geothermieanlagen zur Versorgung von Fernwärmenetzen, auch wenn diese Temperaturen deutlich über 100 °C benötigen.

Mitteltiefe Geothermie in Kombination mit Großwärmepumpen bietet ein hohes Potenzial für die klimaneutrale Wärmeversorgung urbaner Räume. Gleichzeitig stellen die geologischen Unsicherheiten, komplexen thermisch-hydraulischen Prozesse sowie die Systemintegration in bestehende Wärmenetze erhebliche Herausforderungen dar. Der Einsatz eines Digitalen Zwillings eröffnet neue Möglichkeiten zur ganzheitlichen Planung, Überwachung und Optimierung solcher komplexen Energiesysteme.

Dieser Vortrag stellt ein integratives Konzept für die Entwicklung und Anwendung eines Digitalen Zwillings in mitteltiefen Geothermie-Projekten mit Großwärmepumpen vor. Im Fokus steht die digitale Abbildung des gesamten Obertagesystem – von der Produktions- bis zur Injektionsbohrung inklusive Förderhydraulik sowie der Einbindung der Wärmepumpe und deren Betriebsstrategien. Durch die kontinuierliche planerische Verknüpfung von Anlagendaten und physikalisch basierten Modellen entsteht ein Abbild des (zu erwartenden) realen Systems, das zukünftig eine vorausschauende Betriebsführung, Fehlervorhersage und Effizienzsteigerung ermöglicht.

Anhand eines aktuellen Demonstrationsprojekts werden die technischen Anforderungen, der Aufbau der Daten- und Modellarchitektur sowie konkrete Anwendungen des Digitalen Zwillings vorgestellt.

Der Vortrag zeigt, wie Digitale Zwillinge als Schlüsseltechnologie die technische und wirtschaftliche Machbarkeit mitteltiefer Geothermie mit Großwärmepumpen verbessern können – und welchen Beitrag sie zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung leisten.

Ein wesentlicher Treiber für den Ausbau der Geothermie ist ihre erneuerbare Natur als Energiequelle. Während tiefe Geothermie im Molassebecken bereits weit verbreitet ist, ist mitteltiefe Geothermie, deren Temperaturen nicht ausreichen, um direkt in Fernwärmenetze eingespeist zu werden, noch wenig verbreitet. Um die erforderlichen Temperaturen für ein konventionelles Fernwärmenetz zu erreichen, kommen Wärmepumpen zum Einsatz. Dies führt jedoch zu einem zusätzlichen Strombedarf und Materialaufwand. Diese Zusatzaufwände werfen – insbesondere vor dem Hintergrund des fossil dominierten Strommixes – die Frage auf, ob und unter welchen Bedingungen diese Systeme mit dem Pariser Klimaabkommen vereinbar sind. Als Untersuchungsraum wurde der Norden des süddeutschen Molassebeckens gewählt, wo die Thermalwassertemperaturen zwischen 30 und 80 °C liegen und Bohrtiefen von 650 bis 2500 m erreicht werden. Eine Lebenszyklusanalyse quantifiziert die Umweltbelastungen, indem sie die Phasen Bau, Betrieb und Rückbau der gesamten Anlage berücksichtigt, einschließlich Bohrungen, Tiefenpumpen und Wärmepumpen. Neben dem Treibhausgasausstoß werden auch andere Wirkungskategorien wie der Ressourcenverbrauch und die Ökotoxizität betrachtet. Im Basisfall mit einer Bohrtiefe von 1000 m, einer Temperatur von 45 °C und einer Schüttung von 100 kg/s werden pro kWh 103 g CO2-Äq./kWh emittiert. Die Lebensphase des Betriebs dominiert, insbesondere der Strombedarf der Wärmepumpen. Sensitivitätsanalysen zeigen, dass durch eine effizientere Anlage (hoher COP) das Treibhauspotenzial um 45 % reduziert werden kann. Der größte Hebel liegt jedoch im Strommix: Mit einem COP von 4,8 und einem Strommix von 50 g CO2-Äq./kWh kann der CO2-Ausstoß auf 15,5 g CO2-Äq./kWh sinken.

Die effiziente Aufbereitung von Thermalwasser stellt eine zentrale Herausforderung für den wirtschaftlichen und nachhaltigen Betrieb geothermischer Anlagen dar. Insbesondere bei hohen Temperaturen und mineralstoffreichen Wässern stoßen konventionelle Filtersysteme an ihre Grenzen. Wir präsentieren ein neu entwickeltes, rückspülbares Hochtemperatur-Filtersystem, das für Betriebstemperaturen bis 160 °C ausgelegt ist und über ein integriertes Rückspülwassermanagement verfügt.

Das System ermöglicht eine signifikante Reduktion der Betriebskosten durch minimierten Wartungsaufwand und eine drastische Senkung der Entsorgungskosten des Rückspülwassers. Ein zentrales Element ist die gezielte Wärmerückgewinnung aus dem Rückspülwasser, das in den sekundären Heizkreislauf eingespeist wird. Gleichzeitig wird durch das Rückspülwassermanagement sichergestellt, dass keine unkontrollierte Ableitung in die konventionelle Entwässerung erfolgt – ein häufiges regulatorisches und betriebliches Problem.

Die vorgestellte Lösung bietet ein vielversprechendes Konzept zur Effizienzsteigerung geothermischer Anlagen und damit zur Unterstützung der Energiewende. Aktuell stehen die ersten praktischen Umsetzungen in Pilotanlagen bevor, bei denen das System unter realen Betriebsbedingungen erprobt wird. Ziel ist es, die hohe Systemstabilität, die verlängerte Filterstandzeit sowie die erwartete wirtschaftliche Optimierung in der Praxis zu validieren. Der Vortrag stellt das technische Konzept, die Funktionsweise sowie die geplanten Einsatzszenarien vor und beleuchtet das Potenzial für eine breite Anwendung in der Geothermie.