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In Norddeutschland entsteht ein innovatives Kaltes Nahwärmenetz. Kalt, weil die Temperatur bei unter 20 Grad Celsius liegt. Doch zum Heizen mit Wärmepumpen reicht das immer noch, wie ein sogenannter Erdeisspeicher zeigt, der dort aktuell verbaut wird. Die Erbauer bekommen nun sogar einen Preis.

„Vor einem Jahr war das noch eine hügelige, zugewucherte Wiese“, sagt Björn Ohlsen über das Baugrundstück in Schleswig, auf (beziehungsweise unter) dem das Forschungsprojekt ErdEis II beheimatet ist. Keine Spur mehr davon: Das Gelände ist mittlerweile eben und der Projektingenieur der Energie PLUS Concept GmbH (kurz EPC) weiß, was bereits unter dem kurzgeschnittenen Rasen liegt: ein Wärmekollektor mitsamt Messgeräten.

ErdEis II will zeigen, dass sogar einfrierende Böden noch Wärme liefern können. Ein Kaltes Nahwärmenetz – das klingt zunächst seltsam. Denn normalerweise liegt die Vorlauftemperatur von Wärmenetzen bei über 70 Grad Celsius. Kalte Nahwärmenetze hingegen kommen mit Temperaturen von unter 20 Grad Celsius aus.

Solche Kalten Nahwärmenetze brauchen keine Dämmung, denn es gibt keine Verluste, sondern Gewinne, da der Boden um die Leitungen bei Wärmeentzug wärmer als das 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 0 Grad Celsius auf 80 Grad Celsius nötig wäre. Diese Latentwärme können Wärmepumpen dann nutzen, um Wohnungen zu beheizen.

Davon, dass der Boden bei der Wärmeentnahme vereist, erhält der Erdeisspeicher seinen Namen. „Im Vorgänger-Projekt ErdEis hatten wir uns die technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit und Einsatzszenarien angeschaut“, erklärt Professor Volker Stockinger, 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 zu Nutze.“

Skizze eines Erdeisspeichers wie er in Schleswig umgesetzt werden soll.

© Grafik: Energie PLUS Concept GmbH

Platzsparende Geothermie für Städte

Bei der oberflächennahen Geothermie werden Kollektoren bei der klassischen Verlegung in etwa anderthalb Meter Tiefe in den Boden eingebracht. Das ist günstiger als die Einbringung von Sonden, die deutlich tiefer ins Erdreich geführt werden. Beim seit März 2019 laufenden Nachfolgeprojekt ErdEis II sollen neben zwei klassischen einlagigen Kollektorfeldern auch zwei neuartige Erdeisspeicher eingebaut werden. Das reduziert den Flächenbedarf – und ermöglicht Geothermie so auch in dichter bebauten urbanen Gebieten.

„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.

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. Oder man greift zur Regeneration des Bodens gezielt auf Solarthermie zurück, wie es bei ErdEis II in Schleswig mit Hilfe von PVT-Modulen passieren wird.

„Wir sind gespannt, wie der konkrete Kältebedarf aussieht und wie weit wir die Lagen deshalb im Winter abkühlen müssen“, sagt Ohlsen. Dazu werden nicht nur die Abnehmer beobachtet, Temperatur- und Feuchtefühler wurden nun auch im Boden verlegt. Anfang 2021 soll der zweite Erdeisspeicher unter einem Regenrückhaltebecken gebaut werden. „Wir glauben, dass er dort wegen der höheren Feuchtigkeit noch effizienter funktioniert“, erklärt Ohlsen.

DGNB verleiht Nachhaltigkeitspreis

Rückenwind gab es für die Projektbeteiligten bei der Sustainability Challenge 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.

Bis 2022 sollen die 3,7 Hektar Neubaugebiet in Schleswig nun voll erschlossen und zusammen mit der ebenfalls neugebauten Feuerwache durch oberflächennahe Geothermie mit Wärme versorgt werden. Mit an Bord des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhabens sind 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.

Künftig sieht Stockinger 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.“

Förderkennzeichen: 03ET1634A, 03ET1634B, 03ET1634C, 03ET1634D, 03ET1634E
Schlagworte:

Letzte Aktualisierung: 22. Oktober 2020

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