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www.ehp-magazin.de 6/2020
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
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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
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3
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-
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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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