26.09.2023

Großwärmepumpen für lokale Wärmenetze

Kombination von Solarthermie, Wärmepumpen und Grubenwasser als Wärmespeicher.

Auf dem Weg zur Klimaneutralität braucht es neue Ideen, wie Stadtwerke ganze Quartiere ohne Kohle und Gas mit Fernwärme versorgen. Die Kombination von Solarthermie, Wärmepumpen und Grubenwasser als Wärme­speicher ist ein weltweit einzigartiger Ansatz, den das Fraunhofer-Einrichtung für Energie­infrastrukturen und Geothermie IEG nun als Prototypen in Bochum testet. Die leistungs­starke Wärmepumpe für den Temperatur­bereich bis 120 Grad Celsius hat nun ihren Platz im System eingenommen und wird zeigen, wie das lokale Wärmenetz davon profitieren kann.

Die Aggregate der Wärmepumpen nutzen Ammoniak und Butan als Arbeitsmedien und...
Abb.: Die Aggregate der Wärmepumpen nutzen Ammoniak und Butan als Arbeitsmedien und erzeugen Endtemperaturen bis zu 120 Grad Celsius.
Quelle: Schinarakis, Fh.-IEG

„Fernwärmenetze sind die effizienteste Art viele Haushalte zu versorgen“, sagt Rolf Bracke, Leiter des Fraunhofer IEG. „Wenn wir mehr innovative Ideen umsetzen und fossile Wärme­quellen abschalten, kann Fernwärme auch die Nach­haltigste werden.“ Das Projekt zeige, wie vorhandene fossile Infrastrukturen wie Bergwerke und Fernwärmenetze eine nachhaltige Rolle für die Wärmewende spielen können. Der Ansatz vereint die Vorteile von Solarthermie, Gruben­wärmespeicher und Wärmepumpe in einer Pilotanlage zur saisonalen Hochtemperatur-Wärme­speicherung. 

Während des Sommers erwärmt Solarthermie das Wasser in einem alten, bereits gefluteten Bergwerk in Bochum auf geplante sechzig Grad Celsius. Während der Heizperiode dient das Grubenwasser als Wärmequelle für die Hoch­temperaturwärmepumpe, die nun ihren Betrieb aufgenommen hat. Mit relative wenig Aufwand kann sie dann Wärme bei bis zu 120 Grad Celsius in das lokale Fernwärmenetz einspeisen, welches die Haushalte im Bochumer Süden versorgt. An das Fernwärmenetz ist der Campus der Ruhr-Universität Bochum mit 5 600 Arbeitsplätzen angeschlossen, dazu 4.800 Mietwohnungen, 760 Häuser und 115 weitere Kunden des umliegenden Stadtteils Querenburg.

„Wir haben die komplexe Pilotanlage schrittweise entwickelt und nun im Sommer alle Teile erfolgreich zusammengefügt“, sagt Arianna Passamonti, die leitende Projekt-Ingenieurin. „Wir sind schon sehr gespannt, die Anlage im realen Betrieb der ersten Heizperiode zu sehen, und den Beweis anzutreten, dass Wärmepumpen die hohe Temperatur des Fernwärmenetzes zuverlässig erreicht.“ Die Solar­thermieanlage hat eine maximale Leistung von sechzig Kilowatt und nutzt Wasser als Arbeitsmedium. Im Volllast­betrieb soll sie 165 Megawattstunden Energie pro Jahr ins Grubenwasser einspeisen. 

Auch andere Wärmequellen könnten in Zukunft eingebunden werden. Das Steinkohlebergwerk war zwischen 1953 und 1958 in Betrieb. Es wurden rund 37 Tausend Tonnen Kohle gefördert. Der verbliebene Hohlraum ist heutzutage mit rund zwanzig Tausend Kubikmeter Grubenwasser zwischen 23 und 64 Metern Tiefe gefüllt. Die Entnahme­bohrung erschließt das Bergwerk auf 64 Meter. Computer­simulationen haben ergeben, dass sich die gefluteten Bereiche als Wärmespeicher für Temperaturen von rund sechzig Grad Celsius gut eignen. Das Fernwärmenetz des Bochumer Südens hat eine Leistung von rund 115 Megawatt und liefert je nach Jahreszeit zwischen achtzig und 120 Grad Celsius an die Kunden und führt rund sechzig Grad Celsius warmes Wasser an das lokale Heizkraftwerk zurück. 

Arianna Passamonti und ihr Team haben die Wärmepumpe auf diese Randbedingungen maßgeschneidert und berücksichtigten, dass in Zukunft auch lokale Abwärme-Quellen in das System integriert werden könnten. Noch ist der Markt für derartige Anlagen nicht entwickelt. Insbesondere die hohen Temperaturen bis 120 Grad Celsius und die hohe Leistungsklasse bis 500 Kilowatt zeichnet die Wärmepumpe aus. Um dies zu erreichen, hat das Entwicklungs­team neue Berechnungs­modelle für die Leistungen von Arbeitsmedien und Komponenten unter den verschiedensten Betriebsbedingungen entwickelt. Alle Ergebnisse führten zu einer zweistufigen Wärmepumpe, die im Niedertemperatur­bereich mit Ammoniak und im Hochtemperatur­bereich mit Butan als Arbeitsmedien einsetzt. 

Die erfolgreiche Gesamtinstallation zeigt, dass stillgelegte Bergwerke als Wärmespeicher mit Wärmepumpen sinnvoll an bestehende Fernwärmenetze angebunden werden können. Als Forschungs­infrastruktur dient sie zudem auch dazu, Betriebs­modelle für Großwärmepumpen weiterzuentwickeln. In Folgeprojekten sollen nun in der Region weitere Bergwerke als Wärme­speicher und zudem Abwärme als Wärmequelle erschlossen werden. Die Pilotanlage entstand in zwei EU-Projekten von 2018 bis 2023: In „Geothermica Heatstore“ wurde die seit 65 Jahren stillgelegte Zeche mit drei Bohrungen erschlossen und die Solarthermie­anlage angeschlossen. In „NWE-Interreg DGE-Rollout“ wurde die Wärmepumpe und die Teile, die der Wärme­einspeisung und der Wärme­auskopplung ins Fernwärmenetz dienen, im Detail geplant, projektiert, beschafft, installiert und in Betrieb genommen.

Fh.-IEG / JOL

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