Ein kaltes Nahwärmenetz – das klingt 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 – was zum Heizen und Warmwasserbereiten mit Wärmepumpen immer noch ausreicht.
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. Dass sogar einfrierende Böden noch Wärme liefern können, soll nun das im März 2019 gestartete Projekt ErdEis II in der Praxis zeigen.
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 beteiligten Energie PLUS Concept GmbH. 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 zunutze.«
Platzsparende Geothermie für Städte
Bei der oberflächennahen Geothermie werden Kollektoren bei der klassischen Verlegung in etwa anderthalb Metern Tiefe in den Boden eingebracht. Das ist günstiger als die Einbringung von Sonden, die deutlich tiefer ins Erdreich geführt werden. Bei ErdEis II werden nun in einem Neubaugebiet im norddeutschen Schleswig allerdings gleich mehrere Kollektorlagen untereinander eingebaut. 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 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 Solarenergie zurück, wie es bei ErdEis II in Schleswig mithilfe von PVT-Modulen passieren wird.
Umsetzung in norddeutschem Neubaugebiet
Bis 2022 sollen die 3,7 Hektar Neubaugebiet in Schleswig voll erschlossen und zusammen mit einer ebenfalls neu gebauten Feuerwache durch oberflächennahe Geothermie mit Wärme versorgt werden. Mit an Bord des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhabens sind drei Hochschulen 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.
Auch wenn das Projekt gerade erst angelaufen ist: Stockinger hat schon im Blick, wo sich Erdeisspeicher künftig rentieren dürften. Nämlich im städtischen Raum, 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.«
