© Jürgen Lemke, BEG Müsen
Mikroprojekte als Fallbeispiele
URBAN ARENA setzt Grundlagen für saisonale Wärmespeicher
Das heutige Projektetreffen in Berlin markiert die nächste Etappe des Formats URBAN ARENA Seasonal Heat Storage: Die letzten drei von insgesamt 23 hervorgegangenen Mikroprojekten haben im Juni mit den Arbeiten begonnen.
21 Wärmeversorger und 14 Forschungseinrichtungen beteiligen sich an den Forschungsprojekten. Neben der projektbezogenen Arbeit sind sie in Workshops, Exkursionen und Veranstaltungen wie dem Projektetreffen in regelmäßigem Austausch. Die Teilnehmenden gleichen Wissen, Bedarfe und Forschungsansätze untereinander ab, was wiederum für die eigenen Arbeiten genutzt werden kann: Es entsteht ein Mehrwert über die einzelnen Projekte hinaus. Die Durchführbarkeitsstudien anhand von Fallbeispielen sind in ganz Deutschland verteilt. Am Ende entstehen diverse Positivbeispiele für die Transformation der Wärmeversorgung in Städten und Gemeinden.
Allen Konzepten gemein ist, entsprechend dem Format, ein Ansatz zur Integration eines saisonalen Wärmespeichers. „Das ganze Thema der saisonalen Speicher in einer solchen Größenordnung für urbane Wärmenetze – mit stark eingeschränkter Flächenverfügbarkeit vor Ort – ist vollkommen neu und innovativ, die Aufgaben entsprechend herausfordernd“, sagt Christian Thommessen, der seitens des Lehrstuhls Energietechnik an der Universität Duisburg-Essen für das Projekt HANSE in Lübeck zuständig ist. Forschungsgegenstand des Projekts ist die Integration eines Erdbeckenspeichers in ein Fernwärmeverbundnetz, dessen Wärme zu großen Teilen aus erneuerbaren Energien stammen soll. Dazu planen die Stadtwerke dort, bis zu sechs bisher einzelne Wärmenetze zusammenzuschließen.
Erdbeckenspeicher als Teil der Lübecker Energieinfrastruktur
© Stadtwerke Lübeck energie
Die Aufgabe des Lehrstuhls Energietechnik setzt an zwei Punkten an. Zum einen geht es um das Zusammenspiel des saisonalen Speichers mit den Energieerzeugungsanlagen: Solarthermie, Großwärmepumpen, Elektrokessel, Blockheizkraftwerke sowie Back-up-Heizwerke. Zum anderen geht es um die Energieinfrastruktur, also das Wärmenetz selbst: „Wir müssen die Netzhydraulik und die Netzthermik überprüfen, also ob wir einen Erdbeckenspeicher an einem Standort integrieren können oder ob sich dadurch Restriktionen für den Betrieb des Wärmenetzes ergeben“, erklärt Thommessen, „oder wir leiten zusätzliche Maßnahmen ab. Zum Beispiel könnte es nötig sein, größere Rohrleitungen zu verlegen, um den Speicher anzuschließen.“ Aktuell sind die Forschenden unterstützt durch ein Planungsbüro auf Standortsuche – am zunächst angedachten Platz wären statt 300.000 Kubikmetern eher etwa 100.000 Kubikmeter Speicherplatz für das Becken möglich, was einem Flächenbedarf von gut zwei Fußballfeldern entspricht. „Das ist letztendlich aber ergebnisoffen, hier freuen wir uns auch, noch andere Standorte mit größerem Potenzial zu finden“, so Thommessen.
Am Beispiel Lübeck wird also aufgezeigt, welche Schritte notwendig sind, um Entscheidungsfindungen für saisonale Wärmespeicher anzugehen. Das Ergebnis von HANSE wird dabei eine Fallstudie über die Integration eines saisonalen Erdbeckenspeichers unter Berücksichtigung technischer, ökologischer und ökonomischer Aspekte sein, die im Anschluss einer Vielzahl von Stadtwerken als Positivbeispiel dienen kann.
Aquiferspeicher sichert Abwärme aus Bremerhavener Müllheizkraftwerk
© swb AG
Nachhaltigkeit bedeutet für wesernetz – dem örtlichen Wärmenetzbetreiber in Bremerhaven: „Wir nutzen das, was da ist, vollständig aus, ehe wir etwas Neues bauen. Insbesondere, wenn es seit Jahren gut und verlässlich funktioniert“, sagt Florian Klein, Ansprechpartner für das Mikroprojekt ATES-SystI bei wesernetz. Diese beiden Aspekte treffen auf ein Müllheizkraftwerk zu, das Wärme für das Fernwärmenetz bereitstellt. Der Netzbetreiber schließt hier ein bisher durch Gas versorgtes Nahwärmenetz an – die Mittel dafür stehen bereit. „Die Abwärme der Müllverbrennung reicht dafür zwar aktuell aus“, erklärt Klein, „aber die neue Leitung geht durch ein relevantes Ausbaugebiet. Einen saisonalen Speicher brauchen wir, um das Gebiet in Zukunft zu versorgen.“ Hier kommt das Mikroprojekt zum Zug: Forschende der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG prüfen die Bedingungen für die Integration eines Aquiferspeichers – dabei nimmt das Gestein in circa 600 bis 700 Metern Tiefe die Wärme auf, die dort auch wieder entnommen werden kann.
„In dieser Formation, den sogenannten Brüsseler Sanden, ist schon eine gewisse Temperatur vorhanden, so dass man auch hohe Temperaturen einspeichern kann“, erklärt Dr. Nora Koltzer vom Fraunhofer IEG. „Grundsätzlich gibt es verschiedene Faktoren, die in Bremerhaven vielversprechend aussehen – mit diesem Projekt sind wir innerhalb der URBAN ARENA vergleichsweise weit.“ Dass die Brüsseler Sande generell gut durchlässig und als Speicher geeignet sind, ist bereits untersucht. „Es wurde aber bisher noch nie genutzt“, sagt Olga Knaub vom Fraunhofer IEG. Die Forschenden prüfen nun sowohl die geologischen Voraussetzungen vor Ort in Bremerhaven als auch die Frage, wie und wo ein Aquiferspeicher am besten in das Netz verschaltet werden kann. Das Grundwasser wird durch so einen Speicher übrigens nicht beeinträchtigt – dieses befindet sich circa 5 Meter unter der Geländeoberkante und damit viel näher an der Oberfläche.
Solarthermie mit Erdsondenspeicher zwischen Anhöhen in Müsen
© Jürgen Lemke, BEG Müsen
Im nordrhein-westfälischen Hilchenbach, Stadtteil Müsen, ist das Fallbeispiel ganz anders geartet: Es bestehen keine geologischen Voruntersuchungen. Zudem handelt es sich um ein Dorf in hügeligem Gelände. „Wir haben rechts und links Anhöhen bis über 150 Meter und liegen in einer Art Sackgasse“, berichtet Jürgen Lemke von der Bürgerenergiegenossenschaft Müsen. Biomasse als Option ist ausgeschlossen, denn: „Die Menschen hier haben sich dagegen ausgesprochen, da die Abgase der Verbrennung je nach Wind bei uns im Dorf stehen blieben.“ Um CO2-neutral Wärme zu erzeugen, kommen daher Solarthermiekollektoren kombiniert mit einem Erdsondenspeicher infrage. Wie die Lösung am Ende ausgestaltet werden könnte, soll eine umfangreiche Simulationsstudie zeigen – als Forschungsziel des URBAN ARENA-Mikroprojekts MultiHeat. Als Vorbilder dienen Vorhaben wie das Wärmenetz mit Erdbeckenspeicher im dörflich gelegenen Bracht (Hessen) oder das solare Wärmenetz mit Erdsondenspeicher in Crailsheim (Baden-Württemberg). Die Forschungsarbeiten hat das Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) an der Universität Stuttgart übernommen, das unter anderem auf lange Betriebserfahrungen mit der Anlage in Crailsheim zurückblicken kann.
MultiHeat war das erste Projekt der URBAN ARENA, das bereits im Januar mit den Arbeiten starten konnte. Eine Probebohrung mit Thermal Response Test hat vor kurzem stattgefunden. Aus den Messwerten berechnen die Forschenden nun die Voraussetzungen des Erdbodens für die Art der eingesetzten Erdsonden. „In Abstimmung mit der Bürgerenergiegenossenschaft haben wir zuvor bereits einen zukünftigen Wärmebedarf von 7,2 Gigawattstunden pro Jahr identifiziert“, berichtet Dr. Harald Drück vom IGTE. „In einer Basiskonfiguration haben wir uns zudem angeschaut, wie viel Kollektorfläche und wie viel Speichervolumen man benötigen würde, um 60, 70, 80 Prozent des Wärmebedarfs mit Solarenergie zu decken.“ Eine Möglichkeit, den restlichen Wärmebedarf zu decken, ist Überschussstrom aus Windenergie zu nutzen. Die Voraussetzungen in der Region sind gut. Möglich wäre auch, mit einer Power-to-Heat-Anlage am Regelenergiemarkt teilzunehmen. Die Fallstudie wird im Anschluss veröffentlicht und damit ein innovativer Ansatz zur Dekarbonisierung ländlicher Räume zur Unterstützung vieler weiterer in Gründung befindlicher Bürgerenergiegenossenschaften bereitgestellt.
Die Ergebnisse aller 23 Mikroprojekte der URBAN ARENA werden im Frühjahr 2027 publiziert. (mb)
