Wohnquartier mit Sandwichkollektoren und kalter Nahwärme

Die Anwendbarkeit von Erdeisspeichern wurde und wird bisher in drei Projekten wissenschaftlich erforscht und in Landshut erstmals in kleinem Maßstab zu Testzwecken installiert. Beim vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Vorhaben „+EINS – Plusenergiesiedlung LudmillaWohnpark Landshut“ wurden 2010 dreizehn Einfamilienhäuser mit Wärmepumpen ausgestattet, zwei davon mit Messtechnik.

Die Versorgung erfolgt über so genannte oberflächennaheste Erdwärmekollektoren (EWK), die wegen Platzmangels in Sandwichbauweise übereinandergelegt sind. Im Projekt „ErdEis – Erdeisspeicher und oberflächennahe Geothermie (ErdEis I),“ schließlich wurde bis Ende März 2019 das Projekt komplett überwacht und ausgewertet. Das schloss auch Simulationen ein, mit deren Hilfe die Daten auf größere Projekte übertagen werden könnten. Dem folgte das Programm „Erdeisspeicher und oberflächennahe Geothermie“ (ErdEis II), das bis 2022 läuft und in dessen Rahmen auch das Projekt im Quartier Wichelkoppeln geplant, überwacht und ausgewertet wird. Das Projekt ist das bisher größte und in seiner Bauart erste in Deutschland. Das Forschungsvorhaben wird vom BMWi gefördert und von Energie Plus Concept aus Nürnberg, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der TU Dresden und der RWTH Aachen begleitet.

Die Schwerpunkte liegen unter anderem auf der Kombination des Erdeisspeichers mit Low-Ex-Fernwärmenetzen und der Regeneration des Speichers durch Solar-, Umwelt- oder Abwärme. Erforscht wird auch die Verknüpfung der oberflächennahen Geothermie und der Wärmespeicherung durch die Erdeisspeicher. Ein erstes Ergebnis: Es wurden hohe Speicherdichten bei geringem Flächenverbrauch und geringen Kosten erreicht.

Technologie

Eisspeicher sind nichts anderes als sehr große Behälter, in denen sich Sonden und Wasser befinden. Über eine Wärmepumpe entziehen die Sonden dem Wasser die Wärme. Die Wärmepumpe addiert diese für Heiz- und Trinkwarmwasserzwecke auf. Das Wasser im Speicher gefriert zu maximal 90 %, die dabei freiwerdende Kristallisationswärme wird ebenfalls mit genutzt. Und die hat es in sich: 300 m³ Wasservolumen, bei Eisspeichern keineswegs eine unübliche Größe, erzeugen beim Gefriervorgang die gleiche Energiemenge wie knapp 3.000 l Heizöl.

Das Eis muss aber auch wieder auftauen. Dafür wird im Sommer die Wärme aus dem Gebäude zurück in den Eisspeicher geführt. Das trägt fast zum Nulltarif zur Kühlung des Gebäudes bei, denn dazu muss die Wärmepumpe lediglich reversibel geschaltet werden. Sie verdichtet also nicht, sondern befördert nur das Kältemittel durch den Kreislauf. Der Auftauvorgang kann zudem von Solarkollektoren unterstützt werden – mit langen, schwarzen Kunststoffschläuchen, die meist auf dem Dach verlegt sind und die Umgebungswärme der Luft mittels eines Kältemittels nutzen. Einziger Wermutstropfen: Die Investition ist sehr hoch, im Vergleich mit leistungsähnlichen Technologien meist sogar die kostspieligste Variante.

Günstigere Alternative mit Platzbedarf

Deswegen suchten Planer:innen und Ingenieur:innen nach einer Alternative und fanden sie im Erdeisspeicher. Der nutzt keinen wassergefüllten Behälter, sondern das Erdreich. Die Fläche dafür muss allerdings im zu versorgenden Quartier zur Verfügung stehen und darf maximal mit Rasen oder niedrig wurzelnden Pflanzen begrünt werden. Hier werden in mehreren Schichten Erdkollektoren verlegt, die dem im Erdreich gebundenen Wasser die Wärme entziehen und so ebenfalls die Kristallisationswärme nutzen.

Quartier Wichelkoppeln

Für das Quartier Wichelkoppeln Am Kattenhunder Weg in Schleswig werden auf dem Gelände einer ehemaligen Kleingartenanlage 60 Baugrundstücke für Einfamilienhäuser, Doppelhaushälften und Reihenhäuser erschlossen. Platz findet hier auch eine Feuerwehrzentrale.

Unter einer parkähnlichen Rasenfläche am Rande des neuen Quartiers wurden mehrere Lagen Erdkollektoren als Erdeisspeicher verlegt. Als Referenzfläche wurde neben dem Erdeisspeicher ein einlagiger oberflächennaher Erdkollektor verlegt. Das gleiche Setup aus Erdeisspeicher und einlagigem Erdkollektor wird zudem unter dem Regenrückhaltebecken des Gebiets installiert.

Ein Erdeisspeicher umfasst eine Fläche von 23 x 23 m und ist in jeweils vier Lagen bis 5 m Tiefe verlegt, die einlagige Referenzfläche umfasst 50 x 25 m. Die aus der Erde gesammelte Wärme wird mittels eines kalten Wärmenetzes zu den Wohngebäuden und der auf dem Gelände geplanten zweiten Schleswiger Feuerwache transportiert.

Im Winter wird dem Erdreich Wärme entzogen, im Sommer wird die Temperatur mittels Solarkollektoren aus PET auf dem Dach der Feuerwache und aus der Kühlenergie der Wohnbebauung wieder angehoben. Die unteren Schichten der Erdeisspeicher werden im Sommer gezielt zur Kühlung der Gebäude genutzt, dadurch tauen sie auch wieder schneller auf. Denn gerade in den unteren Schichten bildet sich eine Eisschicht, während sich die oberen Lagen durch Sonneneinstrahlung und Regen auf natürliche Art regenerieren können. Die Verteilung erfolgt über ein kaltes Nahwärmenetz.

Kalte Nahwärme

Die Stadtwerke SH haben mit kalten Nahwärmenetzen bereits Erfahrung. Im Neubaugebiet Berender Redder, ebenfalls in Schleswig, wurde bereits ab 2014 ein entsprechendes Netz installiert. Mittlerweile betreiben die Stadtwerke SH sechs solcher kalten Nahwärmenetze mit insgesamt rund 400 angeschlossenen Wärmepumpen. Neben den Wichelkoppeln befinden sich zwei weitere kalte Nahwärmenetze im Bau.

Neu ist jedoch der Erdeisspeicher, für den sich die Stadtwerke SH auf Basis der wissenschaftlichen Erkenntnisse aus dem vorangegangenen Projekt und den Simulationen sowie der Begleitung durch die Forschung entschieden. „Ein Vorteil liegt darin, dass der Erdeisspeicher weniger Fläche benötigt als ein klassisch ausgelegter Flächenkollektor. Gerade in Neubaugebieten, wo das Platzangebot meist begrenzt ist, kommt es genau darauf an“, erklärt Björn Fritsche, Key Account Manager beim Wärmepumpenlieferanten Waterkotte.

Die Häuser werden voraussichtlich durchweg nach KfW55 gedämmt (nach neuem GEG: EE 55). So lässt sich auch das kalte Nahwärmenetz effizient betreiben. „Die Wärmeverluste in klassischen Wärmenetzen entstehen, weil das Wärmeträgermedium auf einem Temperaturniveau von oft deutlich über 70 °C verteilt wird. Im kalten Nahwärmenetz wird das Trägermedium auf dem Temperaturniveau des umgebenden Erdreiches, saisonal schwankend von leicht unter 0 °C bis maximal 20 °C, zum Endnutzer befördert. Dabei können sogar Wärmegewinne entstehen“, so Julia Jürgensen von den Stadtwerken SH, die das Gelände auch erschlossen haben.

In den künftigen Wohngebäuden wie auch der Feuerwache werden die Temperaturen des kalten Wärmenetzes von durchschnittlich 4 bis 5 °C auf die Betriebstemperaturen für Heizzwecke (30 bis 35 °C) und Trinkwarmwasser (über 60 °C) gebracht.

Sole/Wasser-Wärmepumpen heben Temperaturniveau

Dafür werden Sole/Wasser-Wärmepumpen eingesetzt. „Wir arbeiten dort mit langjährig erprobten Geräten aus den Baureihen Basic Line Ai1 Geo und EcoTouch 5029. Das Leistungsspektrum reicht von 5 bis 20 kW“, so Fritsche. Der Hersteller entwickelte für die Erdwärmepumpen eine Fernkontroll- und Steuermöglichkeit namens AreaControl.

Der Umweltnutzen ist eindeutig, da auf fossile Energien verzichtet wird. Nicht einmal ein Backup, etwa in Form eines Gasbrennwertkessels, wird benötigt, um im Winter Spitzen abzufangen oder bei Havarien einzuspringen. Eine kalte Nahwärmeversorgung bietet ohne fossile Brennstoffe größtmögliche Versorgungsicherheit für die Wärmekunden. Dadurch ergibt sich auch ein finanzieller Nutzen. „Je nach Verhältnis von Gas- und Strompreis kann die Einsparung im Vergleich zu einem konventionellen System zwischen 5 und 35 Prozent liegen“, schätzt Fritsche. In den nächsten Jahren werde die Schere durch die CO₂-Steuer noch deutlich größer. Der Umweltgedanke, KfW-Fördermittel, die Kühlfunktion und die Zukunftsfähigkeit ließen das Pendel sehr deutlich Richtung Wärmepumpe ausschlagen.