Beheizung eines Stadtquartiers mit Grubenwasser - magis ...

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Beheizung eines Stadtquartiers
mit Grubenwasser
Nach dem Ende des Steinkohlenbergbaus im Ruhrgebiet entstehen auf den freiwer-
denden Flächen neue Möglichkeiten für Wohnquartiere oder Gewerbe. Gleichzeitig
kann das dort anfallende Grubenwasser in Verbindung mit Wärmepumpen für die
Beheizung der Liegenschaften genutzt werden. Zusammen mit vor Ort installierter
Photovoltaik ist eine autarke Wärmeversorgung möglich.

Mit der letzten Kohleförderung 2018
endete die Ära der Steinkohle im
Ruhrgebiet. Der Bergbau hinterlässt
einen Untergrund, der von einer
Vielzahl an Stollen und Schächten
durchzogen ist. Oberflächenwasser
sickert in die entstandenen Hohl-
räume und wird zu Grubenwasser.
Es musste im aktiven Bergbaube-
trieb abgepumpt werden, damit die
untertägigen Arbeiten nicht gefähr-
det wurden. Damit sich das Gruben-
wasser nicht mit den darüber lie-
genden      grundwasserführenden
Schichten vermischt, wird es weiter-
hin gefördert. Das Abpumpen wird
als Teil der Ewigkeitskosten von der
RAG Stiftung getragen. An sechs
aktiven Wasserhaltungsstandorten
im Ruhrgebiet wird Grubenwasser
zukünftig gehoben und in nahe ge-
legene Flüsse geleitet.                Bild 1. Im neuen Stadteil Essen 51 sollen Wohnhäuser, Bürogebäude und
                                       Mischgebäude mit Gewerbe, Gastronomie und Büros entstehen

6/2020          www.ehp-magazin.de
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2      FACHTHEMA         DEZENTRALE ERZEUGUNG

       Das Landesamt für Natur, Umwelt          Neben den sechs aktiven Wasser-       daraus eine Wärmeleistung von et-
    und Verbraucherschutz Nordrhein-          haltungsstandorten gibt es über das     wa 2 MW auf einem konstanten
    Westfalen (Lanuv) hat in einer Poten­­-   Ruhrgebiet verteilt eine Vielzahl an    Temperaturniveau von 20 °C bereit-
    zialstudie ermittelt, dass rd. 150 000    Sicherungsstandorten. Diese wer-        stellen.
    Haushalte mit der im Gruben­-             den von der RAG so ausgebaut, dass
    wasser enthaltenen geothermische          sie zu aktiven Pumpstandorten um-       Energiesystem
    Wärme versorgt werden könnten [1].        gebaut werden können. Der Schacht
    Das Verbundvorhaben Gru­ben-              Marie in Essen ist ein solcher zu-      Derzeit wird ein Energiekonzept er-
    ­wasser-Ruhr [2], das vom Bundes-         künftiger Sicherungsstandort.           stellt und untersucht, wie das Quar-
     wirtschaftsministerium im 6. Ener-                                               tier innovativ und effizient versorgt
     gieforschungsprogramm der Bun-           Standort Marie: Essen 51                werden kann. Dazu werden Wärme
     desregierung gefördert wurde, hat                                                aus Abwasser und Wärme aus Gru-
     Konzepte entwickelt, mit denen           Rund um diesen Schacht entsteht         benwasser in dem Netz verwendet.
     diese Potenziale in einer konkreten      auf dem ehemaligen Kruppgürtel          Primäre Wärmequelle ist ein Ab-
     Umsetzung genutzt werden können.         ein neuer Stadtteil mit dem Namen       wasserkanal, aus dem eine Leistung
                                              Essen 51. Auf 52 ha Entwicklungs-       von rd. 8 MW erschlossen werden
                                              fläche entstehen Gewerbeflächen,        kann. Ab­hängig von der Jahreszeit
                                              Bürogebäude, urbanes Wohnen und         beträgt die Temperatur rd. 8 bis
                                              Gastronomiebetriebe. Standorteig-       12 °C. In Kombination mit der Wär-
                                              ner, Entwickler und zukünftiger         me aus Grubenwasser können so im
                                              Energieversorger ist die Thelen Grup-   jahreszeitlichen Verlauf Vorlauf-
                                              pe. Es sollen nach aktuellem Stand      temperaturen zwischen 10 und 15 °C
                                              der Planungen 46 mehrgeschossige        erreicht werden. Um die für eine
                                              Häuser entstehen. Sie lassen sich       Flächenheizung notwendige Tem-
                                              hinsichtlich ihrer Nutzung in Wohn-     peratur von etwa 35 °C zu erreichen,
                                              häuser, Bürogebäude und Mischge-        müssen Wärmepumpen (WP) ein-
                                              bäude mit Gewerbe, Gastronomie          gesetzt werden. Diese nutzen Strom
                                              und Büros unterteilen (Bild 1).         als Hilfsenergie, um das Tempera-
                                                 Aus dem Schacht Marie kann           turniveau entsprechend der Bedarfe
                                              Wärme aus Grubenwasser über ei-         anzuheben
                                              nen geschlossenen Wärmesonden-             Untersuchungen im Projekt Gru-
                                              kreislauf gewonnen werden (Bild 2).     benwasser-Ruhr haben gezeigt,
    Bild 2. Sondenkonzept: Eine Wärme-        Aufgrund der untertägigen Gruben-       dass Konzepte mit einer dezentra-
    sonde stellt aus dem Grubenwasser         wasserströmung ist ein permanen-        len Erwärmung die Niedertempera-
    eine Wärmeleistung von etwa 2 MW          ter Wärmenachfluss von 25 °C ge-        turwärmequellen unter 20 °C opti-
    bereit                                    währleistet. Die Wärmesonde soll        mal nutzen. Im Gegensatz zu einer
                                                                                      zentralen Erwärmung können die
                                                                                      WP bessere Leistungszahlen (COP)
                                                                                      erreichen. Bereitschaftsverluste
                                                                                      werden minimiert und das Wärme-
                                                                                      netz kann ohne Isolierung verlegt
                                                                                      werden. Aus dieser Kombination
                                                                                      ergeben sich sehr niedrige Primär-
                                                                                      energiefaktoren zur Gebäudebehei-
                                                                                      zung. Darüber hinaus ermöglichen
                                                                                      es die WP, mit dem Versorgungs-
                                                                                      konzept in den Sommermonaten
                                                                                      die Gebäude zu klimatisieren.

                                                                                      Wärmebedarfe

    Bild 3. Erstellung der Lastgänge mit dem Online-Simulationswerkzeug „TDA          Nach derzeitigen Berechnungen
    thermal demand analysis“                                                          haben in dem Quartier alle Gebäude

                                                                                      www.ehp-magazin.de           6/2020
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                                                                                                                        Strom-       Elektro-
                                                                                                                       speicher      mobilität
   Solarstrahlung
                          Photovoltaik
                                                                                 Brennstoff- Brennstoff-
                                                    Power-to-Gas   Brennstoff-      tarif      bedarf Einschalt-
                                                                    speicher                             reihenfolge

                         Stromtarif DE
  Stadtwerk (Strom)

                                                                                                     source
                                                                                                      Heat
                               Wärmeaufnahme                                                      Wärmepumpen                        Wohngebäude
                                  Wasser                                                           Wohnquartier

  Grubenwasser HT
                       Wärmeabgabe                                 Wärmenetz
                         Wasser          Abwasser

                                                                                         source
                                                                                          Heat
                                                                                                                         Büro &         Büro &
                                                                                    Wärmepumpen                        Gastronomie     Gewerbe
                                                                                      Gewerbe

Bild 4. Mit der Simulationssoftware TOP-Energy können verschiedene Versorgungsalternativen untersucht werden

zusammen einen Wärmebedarf von                  Simulationssoftware TOP-Energy                            Strombedarf für die WP von etwa
rd. 16 GWh/a mit einer Spitzen-leis-            der Magis Consult GmbH verwendet                          3,1 GWh(el)/a.
tung von rd. 12 MW auf etwa                     (Bild 4) [4]. Die Software wird zur                         In einer Simulationsstudie, die
38 000 m 2 Geschossfläche. Um zu                Optimierung von Energiesystemen                           über das konkret geplante Projekt
untersuchen, wie die WP mit Strom,              und zur Zeitreihenanalyse einge-                          hinausgeht, wurde untersucht, zu
der in Photovoltaikanlagen erzeugt              setzt.                                                    welchem Anteil der Strombedarf
wird, versorgt werden können, ist                 Manche Aspekte werden im Sinne                          über Photovoltaik-(PV-)Anlagen
ein stündlich aufgelöster Lastgang              einer besseren Übersichtlichkeit                          gedeckt werden könnte. Dazu wer-
notwendig.                                      vereinfacht. So werden die einzel-                        den PV-Module in das Modell ein-
   Zur Erstellung des Lastgangs wird            nen Gebäude zu Nutzungsgruppen                            gepflegt, die in etwa die Hälfte der
das Online-Simulationswerkzeug                  mit ähnlichen Nutzungsmustern                             zur Verfügung stehenden Dachflä-
„TDA thermal demand analysis“ der               zusammengefasst. Es entstehen so                          che ausnutzen sollten. Es bleiben
Aachener TLK Energy GmbH einge-                 Bedarfskomponenten für Büro und                           daher 39 900 m 2 , auf denen mit
setzt (Bild 3) [3]. Das Simulations-            Gewerbe (11,4 GWh(th)), Büro und                          heute marktüblichen 9 kWpeak /m 2
werkzeug berücksichtigt bei der Be-             Gastronomie (4,5 GWh(th)) und Woh-                        also rd. 3,9 MWpeak installiert wer-
rechnung von Wärme-, Kälte- und                 nen (2,5 GWh(th)).                                        den. Mit der lokalen Globalstrah-
Stromlastgängen typische Gebäude-                 Auch wenn im Konzept lokale,                            lung von max. 900 W/m 2 werden
parameter wie Mauern und Fenster-               dezentrale WP für jedes Gebäude                           damit insgesamt 3 700 MWh Strom
flächen, Lage und Ausrichtung.                  vorgesehen sind, werden sie in der                        erzeugt. Die erzeugte Spitzenleis-
Ebenso können das Nutzerverhal-                 Simulation zu zwei ausmodellier-                          tung beträgt bei einer angenomme-
ten, wie eine Nachttemperaturab-                ten Anlagen zusammengefasst.                              nen Performance Ratio von 0,8 et-
senkung, und innere Lasten durch                Die eingesetzten Flächenheizun-                           wa 3,1 MW.
Beleuchtung, Geräte, Personen,                  gen in den Gebäuden benötigen                               Die jährlich erzeugte elektrische
Luftwechselrate usw. berücksichtigt             35 °C Heizungsvorlauftemperatur.                          Energie reicht theoretisch aus, um
werden. Mit diesen Parametern                   Bei einer Temperatur im Netz von                          den Strombedarf der WP in Höhe
kann der stündlich aufgelöste Last-             8 bis 10 °C im Winter muss die WP                         von 3,1 MWh(el)/a zu decken. Ohne
gang der Heizwärme mit einem                    einen Temperaturhub von etwa                              den Einsatz eines Speichers kön-
Testreferenzjahr des Deutschen                  25 K leisten. In diesem Tempera-                          nen allerdings nur 526 MWh(el)/a
Wetter­dienstes erzeugt werden.                 turbereich arbeiten die WP sehr                           direkt genutzt werden, da Wärme
   Zur Untersuchung verschiedener               effizient mit einem COP-Wert von                          und Strom nicht gleichzeitig benö-
Versorgungsalternativen wird die                über sechs. Daraus ergibt sich ein                        tigt werden. Dies ergibt einen Autar-

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4     FACHTHEMA                DEZENTRALE ERZEUGUNG

                              PV-Erzeugung        Strombedarfe        Stromspeicherentladung          Stromspeicherbeladung
                   2000
                    kW
                   1500
                   1250
                   1000
        Leistung

                    750
                    500
                    250
                      0
                          0                  Fr. 12.01.2018              So. 14.01.2018                Di. 16.01.2018

    Bild 5. Stromspeichernutzung für Heizung im Winter

    kiegrad von rd. 17 % und entspricht             mit kann ein Teil der in der Nacht         80 % Wirkungsgrad integriert. Im
    einer Eigenverbrauchsquote von                  notwendigen Heizlast bedient wer-          Zusammenspiel mit dem 800-kWh-
    14 %.                                           den. In den Simulationen weist der         Batteriespeicher können damit
      In einem nächsten Schritt wird                Speicher in einem Jahr bis zu 200          32 % Autarkiegrad (1 170 MWh) er-
    untersucht, ob sich der Autarkie-               Be- und Entladezyklen auf.                 reicht werden und 35 % Autarkie-
    grad zur Selbstversorgung des                     Mit der Implementierung eines            grad (1 188 MWh) mit einem
    Quartiers über den Einsatz von                  Speichermanagements berechnet              1,6-MWh-Stromspeicher. Die Eigen-
    elektrischen Speichern erhöhen                  die Simulation einen Eigenver-             verbrauchsquoten steigen entspre-
    lässt. Die Betrachtung von Wärme-               brauch von 643 MWh(el)/a, was ei-          chend auch auf rd. 31 % bzw. 35 %.
    speichern wird nicht durchgeführt,              nem Autarkiegrad von 21 % ent-             Die Ergebnisse sind in Tafel 1 dar-
    da für Niedertemperaturwärme-                   spricht. Die Eigenverbrauchsquote          gestellt.
    quellen ein großes Volumen zur                  steigt entsprechend auf 17 %. Bei
    Speicherung relevanter Wärme-                   Verdopplung der Speicherkapazität          Zusammenfassung:
    mengen notwendig wird.                          auf 1 600 kWh(el) lässt sich der Ei-
      Mit den Batteriespeichern soll in             genverbrauch auf 784 MWh/a bzw.            Für die Wärmeversorgung in Es-
    erster Linie eine Möglichkeit zur               20 % erhöhen, der Autarkiegrad             sen 51 liegt der Fokus auf der Mög-
    tagesinternen Speicherung – also                steigt auf 24 %. Somit ließe sich ein      lichkeit, die Wärmepotenziale aus
    der Nutzung tagsüber zu viel er-                Viertel des für die Wärmepumpen            Abwasser und Grubenwasser zu
    zeugten Stroms in der Nacht – ge-               benötigten Stroms lokal durch              nutzen. Hier zeigen die Simulatio-
    schaffen werden. Für eine erste                 Photovoltaik erzeugen.                     nen, dass durch ein intelligentes
    Rechnung wird ein Stromspeicher                   Als Langzeitspeicher sind Batte-         Energiekonzept, bei dem lokale
    mit einer nutzbaren Kapazität von               rien nicht geeignet. Es sind zu hohe       geothermische und solare Quellen
    800 kWh gewählt. Durch den guten                Speicherkapazitäten erforderlich,          einbezogen werden, eine äußerst
    COP-Wert der WP von 6 können                    was zu sehr hohen Investitions­            emissionsarme Versorgung mit
    damit rd. 4,8 MWh thermisch je                  kosten führen würde. Der über-             Heiz­wärme möglich ist. Da alleine
    Entladevorgang erzeugt werden.                  schüssige Strom könnte aber mit            im Ruhrgebiet 99 weitere Siche-
      Das Speichermanagement wird in                einer Power-to-Gas-(P2G-)Anlage in         rungsstandorte für die Grubenwas-
    der Simulation über eine Priorisie-             Wasserstoff verwandelt und somit           serhaltung existieren, könnte Es-
    rung gestaltet. Bei Stromerzeugung              gespeichert oder für andere An-            sen 51 auch als Vorzeigeprojekt für
    aus der Photovoltaikanalage werden              wendungen, z. B. in der Mobilität,         weitere Konversionsflächen aus
    zuerst die Wärmepumpen betrie-                  verwendet werden. Der stromba-             dem Bergbau stehen.
    ben. Steht mehr Leistung zur Ver-               siert erzeugte Brennstoff kann zu-
    fügung wird der Speicher beladen,               dem zurückverstromt und für                Ausblick
    und erst dann wird ins Netz einge-              Heizzwecke verwertet werden.
    speist. Der Speicher wird so täglich              Als Beispiel sei hier eine Simula-       Bisher wurde die Klimatisierung
    geladen und – sofern geheizt wird               tion mit einer P2G-Anlage mit einer        der großen Büro- und Gewerbeflä-
    – auch wieder entleert (Bild 5). Da-            Maximalleistung von 500 kW bei             chen auf dem Gelände in den Si-

                                                                                               www.ehp-magazin.de             6/2020
Beheizung eines Stadtquartiers mit Grubenwasser - magis ...
5

 Variante                              PV-                   Gesamt-               Eigen-             Eigenver-           Autarkie-
                                 Erzeugung                  verbrauch           verbrauch         brauchsquote                grad
                                      MWh                        MWh                 MWh                     %                   %

 Referenz                                       0               3 107,9                  0,0                    0                    0

 PV                                    3 738,1                 3 108,0              526,1                      14                 17

 PV – Batterie                          3 738                   3 107,8             643,0                      17                 21

 PV – 2 x Batterie                      3 738                   3 107,8             748,6                     20                  24

 PV – Batterie-P2G                      3 738                   3 691,8            1 169,4                    31                  32

 PV – 2 x Batterie-P2G                  3 738                   3 749,9           1 302,3                     35                  35

Tafel 1. Auswertung der Simulationen

mulationen noch nicht berücksich-         doch tagsüber, z. B. an ihrem Ar-
tigt. In einer Betrachtung des            beitsplatz laden, könnte noch mehr                   Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner,
Gesamtenergieverbrauchs         des       des lokal erzeugten Stroms genutzt                   bis Herbst 2019 Leiter des Lehrstuhls,
Standorts spielt sie jedoch eine          werden. Geeignete Tarifstrukturen                    jetzt Seniorprofessor
                                                                                               wagner@lee.rub.de
wichtige Rolle. Die Kombination           könnten dies befördern.
                                                                                               Lisa Altieri, Michel Gross,
aus Niedertemperatur-Wärmenetz,             Insgesamt ergibt sich so eine Viel-
                                                                                               Tobias Reiners,
zur Kühlung geeigneter Wärme-             zahl von Chancen für eine emissi-                    wissenschaftliche Mitarbeiter,
pumpen und dem Einsatz von So-            onsarme, nachhaltige und sektor-                     Lehrstuhl für Energiesysteme und
                                                                                               Energiewirtschaft, Ruhr-Universität
larstrom scheint hier jedoch ein          übergreifende Energieversorgung
                                                                                               Bochum
sehr vorteilhaftes Szenario zu sein.      auf den ehemaligen Bergbaustand-                     altieri@lee.rub.de
Schließlich überlappen sich Son-          orten. Aus den Energieflächen der                    michel.gross@rub.de
neneinstrahlung und Kältebedarf           Vergangenheit werden so solche der                   tobias.reiners@rub.de
                                                                                               www.lee.rub.de
stark.                                    Zukunft.                                             www.gw-ruhr.rub.de
  Darüber hinaus gibt es Überle-
gungen, auch Elektromobilität in          Literatur                                            Dr. Johannes Schliesser,
das Quartierskonzept zu integrie-                                                              Gründer und Geschäftsführer,
ren. Inwiefern dazu lokal erzeugter       [1]       Landesamt für Natur, Umwelt und            johannes.schliesser@
                                                    Verbraucherschutz Nordrhein-               magis-consult.com
Strom genutzt werden kann, ist in
                                                    Westfalen (Hrsg.): Potenzialstudie
erster Linie abhängig von der Nut-                                                             Salah Dishneh,
                                                    Warmes Grubenwasser. Lanuv-
                                                                                               Vertriebsingenieur,
zung bzw. dem Lademanagement.                       Fachbericht 90, 2018.
                                                                                               Magis Consult GmbH, Berlin
Aufladen über Nacht (wie es bei           [2]       www.gw-ruhr.rub.de                         salah.dishneh@magis-consult.com
Anwohnern wohl üblich sein würde)         [3]       https://tda.tlk-energy.de                  www.magis-consult.com

würde den Strombezug aus dem              [4]       www.magis-consult.com
Netz erhöhen. Sollten die Nutzer je-

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