Geothermie: Erdeisspeicher liefert Kälte und Wärme für ein Nahwärmenetz

„Vor einem Jahr war das noch eine hügelige, zugewucherte Wiese“, sagt Björn Ohlsen über das Baugrundstück „An den Wichelkoppeln“ in Schleswig, unter dem Teile des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsprojekts ErdEis II liegen. Inzwischen ist das Gelände eben und der Projektingenieur der Energie PLUS Concept GmbH (kurz EPC) weiß, was bereits unter dem kurzgeschnittenen Rasen liegt: ein Wärmekollektor mitsamt Messgeräten.

Kalte Nahwärme: Sogar einfrierende Böden können noch Wärme liefern

ErdEis II zeigt, dass sogar einfrierende Böden noch Wärme liefern können. Grundlage dafür ist ein sogenanntes kaltes Nahwärmenetz. Normalerweise liegt die Vorlauftemperatur von Wärmenetzen bei über 70 Grad Celsius. Kalte Nahwärmenetze hingegen kommen mit Temperaturen von unter 20 Grad Celsius aus. Im Verbundvorhaben „ErdEis II“ haben die Beteiligten dafür einen systemischen Ansatz unter Einbindung von zwei Erdeisspeichern, zwei Großkollektoranlagen sowie Photovoltaik-Solarthermie-Hybridmodulen (PVT-Module) umgesetzt.

Solche kalten Nahwärmenetze brauchen keine Dämmung, denn es gibt keine Verluste, sondern Gewinne, da der Boden um die Leitungen bei Wärmeentzug wärmer als die Wärmeträger-Flüssigkeit im Nahwärmenetz ist. Bei Bedarf können zudem verschiedenste Wärmeverbraucher und Wärmequellen eingebunden werden. Die klassische Wärmequelle ist die oberflächennahe Geothermie.

Beim Phasenübergang von flüssig zu fest, also während der Vereisung, kann dem Boden besonders viel Energie entnommen werden. Die Forscher sprechen von freiwerdender Latentwärme (PCM) oder auch Umwandlungsenthalpie. Beispielsweise wird beim Gefrieren von Wasser so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen derselben Menge Wasser von null Grad Celsius auf 80 Grad Celsius nötig wäre. Diese Latentwärme können Wärmepumpen dann nutzen, um Wohnungen zu beheizen. In den Kollektoren des Erdeisspeichers selbst steckt ein Gemisch aus Wasser und Glykolen, die einen niedrigeren Gefrierpunkt haben.

Vereist der Boden zwischen mehreren Kollektor-Ebenen, nimmt die Sole die dabei freiwerdende Wärmeenergie auf. „Im Vorgänger-Projekt ErdEis hatten wir uns die technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit und Einsatzszenarien angeschaut“, erklärt Volker Stockinger, Professor für energiegerechtes Bauen und Gebäudetechnik an der TH Nürnberg und gleichzeitig Geschäftsführer der EPC. Die Projektpartner modellierten das Konzept eines Erdeisspeichers, der im Winter als Wärmequelle für Wärmepumpen und im Sommer als Kältelieferant dient. „Feuchtes Erdreich hat eine sehr hohe volumetrische Wärmespeicherkapazität und Vereisungspotenzial“, erklärt Stockinger. „Das machen wir uns zunutze.“

Oberflächennahe Geothermie: Platzsparende Lösung für Städte

Die Kollektoren werden in etwa anderthalb Meter Tiefe in den Boden eingebracht und liegen damit im Bereich der oberflächennahen Geothermie. Das ist günstiger als die Einbringung von Sonden, die deutlich tiefer ins Erdreich geführt werden. Bei ErdEis II wurden zwei Erdeisspeicher mit einer Kollektorfläche von jeweils rund 1.000 Quadratmetern sowie zwei Großkollektoranlagen mit jeweils rund 1.250 Quadratmetern Kollektorfläche errichtet. Dass mehrere Ebenen übereinander liegen, reduziert den Flächenbedarf zusätzlich und ermöglicht die Nutzung von Geothermie in dichter bebauten urbanen Gebieten. Das kalte Nahwärmenetz in Schleswig versorgt nun 61 Baugrundstücke und eine Feuerwache vollständig erneuerbar mit Wärme und Kälte.

„So ein Kollektor erschließt wärmetechnisch in etwa einen Meter Erdreich in alle Richtungen“, beschreibt Stockinger. Dem ersten Meter könne man massiv Energie entziehen. Wenn die Kollektoren in mehreren Lagen untereinander liegen, wird mehr Erdvolumen in der Tiefe bei gleichem Oberflächenbedarf erschlossen – aber sie verhindern die Regeneration der unteren Kollektorschichten. Denn bei mehreren Lagen kommt die Regenerationswärme aus natürlichen Prozessen wie Sonnenschein und Regen in den unteren Lagen kaum mehr an.

Erdeisspeicher nutzt Jahreszeiten

Deshalb nutzt der Erdeisspeicher die Jahreszeiten. Wenn die Oberfläche im Winter (bis maximal 80 cm Tiefe) zufriert, heißt das nicht, dass auch die tieferen Erdschichten ebenfalls vereisen. Umgekehrt kann sich im Sommer die Oberfläche erwärmen, während die unteren Schichten noch kalt bleiben und so helfen, Wohnungen im Sommer zu klimatisieren. Somit liefert der Erdeisspeicher immer zur richtigen Zeit das, was gebraucht wird: Wärme im Winter und Kälte im Sommer. 

Auch im Frühling kommt es zu einem Phasenwechsel: Das Eis verflüssigt sich, die dafür aufgewandte Energie führt allerdings in diesem Moment nicht direkt zu einer Temperaturänderung. Der Wärmespeicher lädt sich sozusagen wieder auf. Bei weiterem Wärmeüberschuss kann das Erdreich bis zu einer Erdtemperatur von 16 Grad Celsius weiterhin als Wärmesenke dienen.

Man kann die Abschirmung durch die obere Ebene aber auch umgehen und selbst Wärme einbringen, etwa um den Erdeisspeicher als Wärmesenke für Abwärme zu nutzen, wie sie beispielsweise bei der Kühlung in Supermärkten oder Industrieanlagen entsteht. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Regeneration des Bodens über die PVT-Module.

Erdeisspeicher versorgen Quartiere ohne Auswirkungen auf Flora und Fauna

Rückenwind gab es für das Projekt während seiner Laufzeit von 2019 bis 2022 unter anderem bei der Sustainability Challenge 2020 der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen: In der Kategorie Start-up konnte EPC nämlich den Sieg erringen. „Wir hatten uns für den Preis beworben, weil die Fachwelt die kalte Nahwärme gerade entdeckt, die Allgemeinheit aber noch nicht. So wollten wir für das Konzept noch etwas mehr Aufmerksamkeit schaffen“, erklärt Ohlsen. Zudem wurde ErdEis II für den Ruggero Bertani European Geothermal Innovation Award 2023 als einziges Projekt zum Thema oberflächennaheste Geothermie nominiert.

Vergangenes Jahr ist nun der Abschlussbericht erschienen. Die Forschenden konnten nicht nur zeigen, dass Erdeisspeicher grundsätzlich zur Wärme- und Kälteversorgung von Quartieren geeignet sind. Das Projekt zeigte auch, dass solche Speicher ohne Auswirkungen auf Flora und Fauna betrieben werden können, da die verbauten Elemente robust genug für einen störungsfreien Betrieb sind. Der Bericht schildert auch die Herausforderungen, die bei der erstmaligen Umsetzung eines solchen Erdeisspeichers aufgetreten sind. Dazu zählt etwa der aufwendige Einbau bei hohem Grundwasserstand. Interessierte finden den Abschlussbericht unter diesem Link: https://www.researchgate.net/publication/370769566_Abschlussbericht_Erd…

Mit an Bord des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Vorhabens waren neben EPC die drei Hochschulen TU Dresden, FAU Erlangen und RWTH Aachen sowie die Schleswiger Stadtwerke. „Die Schleswiger Stadtwerke sind führend in der kalten Nahwärme in Deutschland“, erklärt Stockinger. Denn der Versorger hat bereits einige kalte Nahwärmenetze erfolgreich umgesetzt. Und so wundert es nicht, dass viele der Beteiligten inzwischen im Nachfolgeprojekt ErdEis III weiter an der Einbindung von Erdeisspeichern in Quartiere forschen, etwa an optimalen Betriebsstrategien oder möglichen Geschäftsmodellen.

Stockinger sieht Erdeisspeicher überall dort, wo wenig Fläche zur Verfügung steht und idealerweise gleichzeitig Wärme- und Kältebedarfe vorherrschen: 

„Ab 30 bis 40 Wohneinheiten, etwa am Stadtrand oder in der Nähe von unverbaubaren Grünflächen wie Parks, sind kalte Nahwärmenetze eine geeignete klimafreundliche Lösung.“

Info zur Förderung

Mit insgesamt rund 2,08 Millionen Euro hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) das Vorhaben ErdEis II im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert. Weitere Informationen zur BMWK-Förderung in der angewandten Energieforschung liefert die vom Projektträger Jülich betreute Webseite energieforschung.de.

Zur Seite des aktuellen Forschungs- und Umsetzungsprojekts ErdEisIII geht es hier: https://www.stadtwerke-sh.de/forschungsprojekte/projekt-erdeis-iii

Autor Peter Jung ist Wissenschaftsjournalist beim Projektträger Jülich.