Die Aggregate der Wärmepumpen nutzen Ammoniak und Butan als Arbeitsmedien und erzeugen Endtemperaturen bis zu 120 Grad Celsius. (Bild: K. Schinarakis/Fraunhofer IEG)
Auf dem Weg zur Klimaneu- tralität braucht es neue Ideen, wie Stadtwerke ganze Quartiere ohne Kohle und Gas mit Fernwärme versorgen. Die Kombination von Solarthermie, Wärmepumpen und Gruben- wasser als Wärmespeicher ist ein Ansatz, den das Fraunhofer IEG nun als Prototypen in Bochum testet. Die leistungs- starke Wärmepumpe für den Temperaturbereich bis 120 Grad Celsius hat nun ihren Platz im System eingenommen und soll zeigen, wie das lokale Wärmenetz davon profitieren kann.
»Fernwärmenetze sind die effizienteste Art viele Haushalte zu versorgen«, unterstreicht 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.
Von Ewigkeitskosten zu ewigem Nutzen
Der innovative Ansatz des Fraunhofer IEG vereint die Vorteile von Solarthermie, Gruben- wärmespeicher 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 60 Grad Celsius. Während der Heizperiode dient das Grubenwasser als Wärmequelle für die Hochtemperaturwärme- pumpe, 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«, freut sich 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 60 kW und nutzt Wasser als Arbeitsmedium. Im Volllastbetrieb soll sie 165 MWh 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 20 Tausend Kubikmeter Grubenwasser zwischen 23 und 64 Metern Tiefe gefüllt. Die Entnahme- bohrung, die das Bohrgerät BO-REX des Fraunhofer IEG abgeteuft hat, erschließt das Bergwerk auf 64 Meter. Computersimulationen haben ergeben, dass sich die gefluteten Bereiche als Wärmespeicher für Temperaturen von rund 60 Grad Celsius gut eignen. Das Fernwärmenetz des Bochumer Südens hat eine Leistung von rund 115 MW und liefert je nach Jahreszeit zwischen 80 und 120 Grad Celsius an die Kunden und führt rund 60 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 kW 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 Großwärme- pumpen 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 Wärmeaus- kopplung ins Fernwärmenetz dienen, im Detail geplant, projektiert, beschafft, installiert und in Betrieb genommen. An der Entwicklung mitgewirkt haben neben dem Team am Fraunhofer IEG auch der Gebäudeausrüster Johnson Controls, der Kraftwerksausrüster Mitsubishi Power Europe, der Wärmenetzbetreiber Stadtwerke Bochum unique Wärme GmbH & Co. KG sowie die Ruhruniversität Bochum als Hausherr einiger Infrastrukturteile.