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 die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG, Cottbus/Bochum, jetzt als Prototypen in Bochum testet. Die leistungsstarke Wärmepumpe für den Temperaturbereich bis 120 °C hat jetzt ihren Platz im System eingenommen und wird zeigen, wie das lokale Wärmenetz davon profitieren kann.
Aus Sicht von Rolf Bracke, Leiter des Fraunhofer IEG, sind Fernwärmenetze die effizienteste Art viele Haushalte zu versorgen. Wenn mehr innovative Ideen umgesetzt und fossile Wärmequellen abgeschaltet werden, kann Fernwärme auch die Nachhaltigste werden. Das Projekt zeigt, 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, Grubenwärmespeicher und Wärmepumpe in einer Pilotanlage zur saisonalen Hoch-
temperatur-Wärmespeicherung. Während des Sommers erwärmt Solarthermie das Wasser in einem alten, bereits gefluteten Bergwerk in Bochum auf geplante 60 °C. Während der Heizperiode dient das Grubenwasser als Wärmequelle für die Hochtemperaturwärmepumpe, die jetzt ihren Betrieb aufgenommen hat. Mit relativ wenig Aufwand kann sie dann Wärme bei bis zu 120 °C 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.
Die komplexe Pilotanlage wurde laut Arianna Passamonti, leitende Projekt-Ingenieurin, schrittweise entwickelt und jetzt im Sommer alle Teile erfolgreich zusammengefügt. Sie ist 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 37.000 t Kohle gefördert. Der verbliebene Hohlraum ist heutzutage mit rund 20.000 cbm Grubenwasser zwischen 23 m und 64 m Tiefe gefüllt. Die Entnahmebohrung, die das Bohrgerät BO-REX des Fraunhofer IEG abgeteuft hat, erschließt das Bergwerk auf 64 m. Computersimulationen haben ergeben, dass sich die gefluteten Bereiche als Wärmespeicher für Temperaturen von rund 60 °C gut eignen. Das Fernwärmenetz des Bochumer Südens hat eine Leistung von rund 115 MW und liefert je nach Jahreszeit zwischen 80 °C und 120 °C an die Kunden und führt rund 60 °C warmes Wasser an das lokale Heizkraftwerk zurück.
Betriebsmodelle für Großwärmepumpen weiterentwickeln
A. 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 °C 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 zwei-
stufigen 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 außerdem auch dazu, Betriebsmodelle für Großwärmepumpen weiterzuentwickeln. In Folgeprojekten sollen in der Region weitere Bergwerke als Wärmespeicher und darüber hinaus Abwärme als Wärmequelle erschlossen werden.
Die Pilotanlage entstand in zwei EU-Projekten von 2018 bis 2023: Im „Geothermica HEATSTORE“ wurde die seit 65 Jahren stillgelegte Zeche mit drei Bohrungen erschlossen und die Solarthermieanlage angeschlossen. Im „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. An der Entwicklung mitgewirkt haben neben dem Team am Fraunhofer IEG auch der Gebäudeausrüster Johnson Controls Systems & Service GmbH, der Kraftwerksausrüster Mitsubishi Power Europe GmbH, der Wärmenetzbetreiber Stadtwerke Bochum unique Wärme GmbH & Co. KG sowie die Ruhruniversität Bochum als Hausherr einiger Infrastrukturteile.
