66 1· 2016 TR ANSFORMING CITIES FORSCHUNG + WISSENSCHAFT Energie Im Jahr 2010 präsentierte die Bundesregierung ihr neu ausgearbeitetes Energiekonzept und legte damit verbindliche Ziele für die Energiewende fest. Bis zum Jahr 2020 ist vorgesehen, die Treibhausgasemissionen im Vergleich zum Basisjahr 1990 um 40 % zu senken. Des Weiteren sollen 20 % der Primärenergie eingespart und 18 % des Bruttoenergieverbrauchs aus erneuerbaren Energiequellen bereitgestellt werden [1]. Über die Hälfte der Endenergie wird im Wärmesektor benötigt Die heute viel zitierte Energiewende umfasst die Sektoren Strom, Wärme und Kraftstoffe. Allerdings fokussieren sich Medienberichterstattungen und politische Diskussionen über die Energiewende oftmals ausschließlich auf die Erzeugung und den Verbrauch von Elektrizität. Die Realität zeigt jedoch, dass in Deutschland über die Hälfte der Endenergie im Wärmebereich benötigt wird. In Fachkreisen wird deshalb immer häufiger die Notwendigkeit einer „Wärmewende“ hervorgehoben. In der Roadmap Wärmewende wurde untersucht, welche Wärmetechnologie die volkswirtschaftlich effizienteste ist, um die größte Treibhausgaseinsparung zu erzielen [2]. Im Ergebnis nimmt die Powerto-Heat-Technologie eine herausragende Stellung ein. Dies beinhaltet, dass eine Wärmeerzeugung insbesondere bei einem Stromüberangebot erfolgen sollte. Wärmepumpen können hierbei eine zentrale Seewassernutzung zu Heiz- und Kühlzwecken Ungenutzte Potentiale und Hemmnisse einer sinnvollen Nutzung Wärmepumpe, Potentiale, Heizen, Kühlen, Seewasser Benno Rothstein, Henriette Kammer, Gerald Steil Die Seewassernutzung weist ein beachtliches Potential für Kühl- und Heizzwecke auf. Bereits seit längerem eingesetzte seewasserbetriebene Wärmepumpen in der Schweiz beweisen fortwährend ihre Praxistauglichkeit. In Deutschland wird diese Technik jedoch bislang kaum genutzt. Mit Hilfe eines interdisziplinären geowissenschaftlichen Ansatzes werden derzeit das bestehende Potential in Deutschland quantifiziert und dessen Nutzungshemmnisse identifiziert, um in einem weiteren Schritt Handlungsoptionen für einen verstärkten Einsatz dieser Technologie zu erarbeiten. Rolle einnehmen, so dass sie inzwischen sogar als Schlüsseltechnologie zur Realisierung der Energiewende angesehen werden. Das Prinzip der Wärmepumpe Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe ist mit dem eines Kühlschranks vergleichbar. Der Hauptunterschied besteht darin, dass dem Kühlschrankinneren Wärme entzogen und an die Umwelt abgegeben wird, während die Wärmepumpe der Umwelt Wärme entnimmt, diese auf ein höheres Temperaturniveau bringt („pumpt“) und anschließend an ein Heizungssystem abgibt. Dort wird die Wärme dann (evtl. nach Zwischenspeicherung) von den Wärmeverbrauchern genutzt. Der in der Praxis am häufigsten anzutreffende - und daher hier etwas näher beschriebene - Maschinentyp ist die Kompressionswärmepumpe. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Kältemittelkreislauf, einem Verdichter, einem Verdampfer, einem Verflüssiger (Kondensator) und einem Expansionsventil (Drossel) [3]. Im ersten Schritt wird die Umweltwärme am Verdampfer auf das Kältemittel übertragen, das die Eigenschaft hat, bei niedrigen Temperaturen zu sieden. Das dampfförmig gewordene Kältemittel wird im zweiten Schritt verdichtet. Durch diese Druckerhöhung wird gleichzeitig ein Temperaturanstieg erreicht. Das erwärmte Kältemittel gelangt daraufhin zum Verflüssiger, der die (um die für die Verdichtung erforderliche Energie 67 1· 2016 TR ANSFORMING CITIES FORSCHUNG + WISSENSCHAFT Energie In Deutschland werden bislang hauptsächlich die natürlichen Wärmequellen Luft, Erdreich oder Grundwasser genutzt. Luftwärmepumpen weisen den Vorteil auf, dass sie in der Anschaffung günstig sind und ohne großen Aufwand installiert werden können. Allerdings ist die Außentemperatur im Winter, wenn also die Wärme am meisten benötigt wird, ebenfalls recht gering. Dies zeigt sich an der Jahresarbeitszahl, die die Effizienz der Anlage beschreibt. Grundwasserwärmepumpen können dagegen eher größere Jahresarbeitszahlen erreichen, da ein konstantes und hohes Temperaturniveau im Jahresverlauf zur Verfügung steht und die Wärmekapazität von Wasser ausgesprochen hoch ist. Jedoch ist die Grundwassererschließung aufwändig und teuer. Zudem wird eine wasserrechtliche Erlaubnis benötigt, mit entsprechend hohem bürokratischem Aufwand. Für die Erschließung von Erdwärme bestehen im Wesentlichen zwei technische Möglichkeiten: Entweder kann oberflächennah - durch das Auslegen von Kollektoren - die Wärme aufgenommen werden oder aber durch Erdwärmesonden, die mittels Bohrungen in das Erdreich eingebracht werden. Auch hier sind äußerst umfangreiche Baumaßnahmen und behördliche Genehmigungen notwendig. Eine besondere Art des Wärmepumpeneinsatzes stellt die Abwärmenutzung aus der Industrie oder dem Siedlungsabwasser dar. Diese Variante sollte stets, wenn realisierbar, ebenso in Betracht gezogen werden. vermehrte) Wärme auf ein Heizungssystem überträgt. Durch ein Expansionsventil wird der immer noch hohe Druck des flüssigen Kältemittels abgesenkt, es beginnt zu verdampfen. Nun kann es im Verdampfer erneut Umweltwärme aufnehmen. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Quelltemperatur (Umwelt) und Wärmesenke (Wärmeverbraucher) ist, umso effizienter arbeitet die Wärmepumpe. Als Faustzahl gilt: Mit 1 kWh elektrischer Energie können 3 kWh Umweltwärme nutzbar gemacht werden. Insgesamt stehen dann dem Heizungssystem 4 kWh Wärme zur Verfügung [4]. Ob eine Wärmepumpe kühlt oder heizt, ist somit im einfachsten Fall allein von der Kreislaufrichtung des Kältemittels, bei komplexeren Anlagen von der Kreislaufrichtung des Heizmediums (meist Wasser) abhängig. Kombianlagen können sowohl zu Heizzwecken im Winter als auch zur Kühlung im Sommer genutzt werden [5]. Die Nutzungsarten der Wärmepumpe Im Jahre 1936 ging weltweit erstmals eine größere Wärmepumpe in Zürich in Betrieb, die das Flusswasser der Limmat als Wärmequelle nutzbar machte. Erst ab den 1960er Jahren wurde die Wärmepumpe schließlich auch in Deutschland eingesetzt. Seitdem wurde die Technologie ständig weiter entwickelt, so dass die Wärmepumpe heute als umweltfreundliches Energiesystem standardmäßig verwendet wird. Bodensee. © pixabay.com 68 1· 2016 TR ANSFORMING CITIES FORSCHUNG + WISSENSCHAFT Energie Seewasserbetriebene Wärmepumpen Ein bis dato in Deutschland nahezu unerschlossenes Potential liegt in der Wärmequelle Seewasser. Der Vorteil der Seewassernutzung besteht darin, dass das Wasser im Jahresverlauf eine relativ konstante Temperatur aufweist. Diese sinkt aufgrund der Dichteanomalie des Wassers nicht unter 4 °C. Großen Seen können zudem erhebliche Energiemengen entzogen werden, so dass die Möglichkeit bestünde, ganze Energieverbünde zu versorgen. Dass diese Technologie funktionsfähig und einsatzbereit ist, wird an zahlreichen Beispielen aus der Schweiz ersichtlich (siehe Hintergrund). Nicht nur in der Schweiz - auch in Deutschland stehen große Seen prinzipiell zur thermischen Nutzung zur Verfügung; so etwa der Bodensee, der Chiemsee und die Müritz. An diesen Seen ist die Tourismusinfrastruktur stark ausgeprägt, die wiederum einen ganzjährig hohen Wärme- und Kältebedarf aufweist. Hotels, Restaurants, Schwimmbäder oder Einkaufszentren liegen meist in unmittelbarer Ufernähe. Trotz des großen Potentials wird die Umweltwärmequelle Seewasser bislang kaum genutzt. Untersuchung möglicher Umweltauswirkungen Ob und in welcher Weise die thermische Seewassernutzung Auswirkungen auf den Wärmehaushalt hat, wurde im Jahr 2014 von Wissenschaftlern der Eawag, einem Schweizer Institut für Wasser- und Gewässerforschung, am Beispiel des Bodensees dargestellt [8]. In einem Modell wurden realistische Bedarfsszenarien angenommen, die sich zum einen auf die Wasserentnahme- und Rückgabetiefe beziehen und zum anderen auf die jahreszeitliche Nutzung der Kühlungsbzw. Wärmeentzugsmengen. Die Simulation zeigt, dass sich die Oberflächentemperatur im See um nicht mehr als ±0,2 °C ändert, wenn Wasser für Heizzwecke entnommen wird (bei einer Wärmeentzugsleistung von ±1 GW). Bei einer zusätzlichen Nutzung des Seewassers im Sommer zu Kühlzwecken wird lediglich eine Temperaturschwankung von ±0,1 °C verursacht, da sich hierdurch die Auswirkungen der winterlichen Wärmeentnahme zum Teil kompensieren lassen. Die angenommene zusätzlich für Heizzwecke abgeführte Wärmeleistung von 1 GW beträgt gemäß [8] lediglich ca. 0,5 % der natürlichen Wärmeflüsse im See (zugeführte bzw. abgeführte Leistung von jeweils rund 203 GW). Daher sind keine bedeutsamen Auswirkungen auf das Ökosystem zu erwarten. Zusätzlich wurde ein Szenario mit einer vom Weltklimarat der Vereinten Nationen IPCC projizierten (Szenario A1B) möglichen Wärmebelastung durch den Klimawandel modelliert und die notwendige Wärmeentzugsleistung für eine Kompensation durch Wärmepumpen beziffert. Das Ergebnis: Rund 14 GW Wärmeentzugsleistung müssten bis zum Jahr 2049 installiert werden, um die Klimaerwärmung auszugleichen. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist unter den gewählten Randbedingungen eine Wärmebelastung sogar bis auf 40 GW möglich. Hemmnisse der thermischen Seewassernutzung in Deutschland Die Umweltwärmequelle Seewasser wird in Deutschland bislang kaum genutzt, obwohl das Wasser von Binnenseen gewichtige Vorteile gegenüber anderen Wärmequellen aufweist und die Technik in der Schweiz seit vielen Jahren erfolgreich angewendet wird. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes an der Hochschule Konstanz werden Hemmnisse in Deutschland gegenüber der thermischen Seewassernutzung ermittelt. Darüber hinaus wird das natürliche Potential an deutschen Seen sowie der Kälte- und Wärmebedarf der angrenzenden Siedlungs-, Industrie- und Gewerbeflächen quantifiziert. Beispielfall 1: Seewasserwärme in St. Moritz Die Wärmepumpe am St. Moritzersee wurde im Jahr 2006 in Betrieb genommen und deckt den Wärmebedarf des Badrutt´s Palace Hotels zu 80 % sowie den des Schulhauses Grevas zu 70 %. Die Besonderheit der Anlage besteht darin, dass sogar am St. Moritzersee (der sich auf 1750 m ü. M. befindet und daher im Winter immer zugefroren ist) mit einer Wassertemperatur von 4 °C ausreichend Wärme verfügbar ist, um eine Wärmepumpe zu betreiben. Das Seewasser wird in 50 m Uferentfernung in einer Tiefe von 10 m entnommen, über den Verdampfer geleitet und anschließend in einer Distanz von 300 m zum Ufer und 35 m Wassertiefe zurückgegeben. Dabei wird das Wasser lediglich etwas kühler, bleibt jedoch ansonsten unverändert. Mit insgesamt rund 4700 MWh im Jahr werden durch die Seewasserwärmepumpe in St. Moritz etwa 470 000 l Heizöl und hierdurch rund 1200 t CO 2 -Emissionen eingespart [6]. Beispielfall 2: Wärmeverbünde Zürichsee Die Energieverbünde „Escherwiese“, „Fraumünster“ und „Falkenstraße“ am Zürichsee versorgen rund 22 Kunden. Zu ihnen zählen unter anderem das Kongresshaus, das Park Hyatt Hotel, das Hochhaus zur Palme, das Fraumünster und die Neue Zürcher Zeitung. Die Wärmepumpen der Baujahre 2004, 2007 und 2008 verfügen insgesamt über 3,8 MW Heizleistung. Zusätzlich erfolgt durch Freecooling eine Stromeinsparung. Dies bedeutet, dass das kalte Wasser direkt an die Kältenutzer abgegeben wird und nicht über die Wärmepumpe laufen muss. Insgesamt können durch die Energieverbünde 442 900 l Heizöl jährlich eingespart werden, was einer Reduktion von 1115 t CO 2 entspricht [7]. HINTERGRUND 69 1· 2016 TR ANSFORMING CITIES FORSCHUNG + WISSENSCHAFT Energie Ergebnisse einer Umfrage unter den Ausstellern der GeoTHERM 2015 - Europas größter Geothermiemesse - bestätigen, dass die thermische Nutzung von Seewasser in Deutschland bislang kaum eingesetzt wird. Um die Hemmnisse der Verwendung und Lösungsansätze zum stärkeren Einsatz seewasserbetriebener Wärmepumpen genauer zu identifizieren, wurden - basierend auf einem halbstrukturierten Interviewleitfaden - nach dem Schneeballprinzip insgesamt 15 ausgewählte Experten (aus den Bereichen Wissenschaft, Genehmigungsbehörden, Planer & Betreiber, Hersteller von Wärmepumpen und Kollektoren) in Deutschland und der Schweiz in einem qualitativen Interview befragt (Tabelle 1). Wichtig ist hierbei nicht die Häufigkeit der Nennung, sondern eine möglichst umfassende Sammlung sämtlicher Faktoren. Eine GIS-basierte Wärme- und Kältebedarfsanalyse an Seen in Deutschland (>50 ha) belegt eine räumliche Übereinstimmung von Siedlungsflächen an Seeufern (Tabelle 2; Bild 1 und Bild 2). So lassen sich in einem Umkreis von 1000 m um alle Seen (>50 ha) insgesamt 1184,5 km² Siedlungs-, Industrie- und Gewerbegebietsflächen in Deutschland finden. Dies entspricht einem Anteil von 4,43 % der oben genannten Flächen in Gesamtdeutschland. In einem nächsten Schritt gilt es nun, den Gebäudebestand und damit den Energieverbrauch der jeweiligen Siedlungsflächen zu berechnen. Hierdurch können anschließend die konkreten Einsatzmöglichkeiten seewasserbetriebener Wärmepumpen in Deutschland quantifiziert werden. Bereits jetzt ist jedoch klar, dass die vielfältigen Möglichkeiten seewasserbetriebener Wärmepumpen bei weitem noch nicht in Deutschland ausgenutzt werden. Wasserrechtliches Erlaubnisverfahren Wirtschaftlichkeit Technologie Sonstige − Keine einheitliche Regelung − Unterschiedliche Auslegung von Landesgesetzen − Fehlende Ansprechpartner − Kosten und Dauer − Vorprüfung: Einspruchsmöglichkeit anderer Interessengruppen − Vorschriften (Ausgleichsmaßnahmen, Nachweise und Prüfungen) − Schutzgebiete − Hohe Investitionen − Fehlende Investoren − Wirtschaftliches Risiko: • Gibt es genügend Kunden? • Wird die wasserrechtliche Erlaubnis verlängert? − Teure Bohrung/ Leitung − Wasserentnahmeentgelt − Hoher Strompreis − Fossile Energien günstig − Wasserqualität (Muscheln, Algen, ...) − Wassertemperatur < 4 °C (Vereisung des Wärmetauschers) − Verlegung und Befestigung der Leitung/ des Kollektors − Eigenschaften der Wärmepumpe (Effizienz bei niedriger Vorlauftemperatur) − Neue Technologie ist nicht im Bewusstsein von Betreibern, Planern und Behörden (Es liegen kaum Anträge vor.) − Fehlende Zugänglichkeit, fehlende Voraussetzungen (zu wenig Wärmenutzer in Seenähe) − Fehlende wissenschaftliche Untersuchungen − Alternativen: • Erdwärme • Luft • Grundwasser Tabelle 1: Mögliche Hemmnisse bei der Verwendung seewasserbetriebener Wärmepumpen. Quelle: Eigene Daten nach Experteninterviews (15 ausgewählte Experten aus Deutschland und der Schweiz aus den Bereichen Wissenschaft, Genehmigungsbehörden, Planer & Betreiber, Hersteller von Wärmepumpen & Kollektoren). Bild 1: Beispielhafte Darstellung einer Uferentfernung (Pufferzone) von 200, 600 und 1000 m am westlichen Bodensee. Quelle: eigene Darstellung Bild 2: Siedlungsfläche in Pufferzone (blau); Industrie- und Gewerbegebiete in Pufferzone (grün) Quelle: eigene Darstellung Handlungsempfehlungen Befinden sich Wärme- und Kälteverbraucher an einem See, wird zunächst ein Initiator benötigt, der die Seewassernutzung in Betracht zieht, prüft und anschließend die Technologie in der öffentlichen Wahrnehmung stärkt. Zielführend ist es, wenn hierbei die Gemeinden selbst die Initiative ergreifen. Um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen und den Eingriff in die Seeökologie durch die Bohrung gering zu halten, bietet sich ein Zusammenschluss der verschiedenen Wärme- und Kälteabnehmer an. Für die Umsetzung eines Energieverbundes werden nun Investoren benötigt. Als Finanzierungsmodell ist 70 1· 2016 TR ANSFORMING CITIES FORSCHUNG + WISSENSCHAFT Energie dabei das Energie-Contracting oftmals vorteilhaft. Erfahrungen zeigen, dass zu Beginn einer Planung sehr zügig die verantwortliche Verwaltung (i.d.R. die jeweilige Untere Wasserbehörde) mit einbezogen werden sollte. Häufig kann dann im Voraus schon abgeklärt werden, ob die Seewassernutzung prinzipiell erlaubnisfähig ist und welche Anforderungen an die Anlage gestellt werden (z.B. Berechnungen, ob das Seewasser über eine ausreichende Wärmekapazität verfügt). Für die konkrete weitere Planung können Exkursionen zu bestehenden Anlagen - beispielsweise in der Schweiz - durchgeführt werden, um von den dortigen Erfahrungen zu profitieren. Letztlich kann somit die thermische Seewassernutzung als schlummernder Energie-Riese oftmals in jeglicher Hinsicht vorteilhaft eingesetzt werden. LITERATUR [1] Bundesregierung (2010): Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. in: http: / / www.bundes regierung.de/ Content Archiv/ DE / Archiv17/ _ A nla gen/ 2012/ 02/ energiekonzept-final.pdf; jsessionid= 8A81BDCE367D7141D0CE AD6AE AC28981.s3t2? _ _ blob=publicationFile&v=5 (02.12.2015). [2] Rohrig, K. (2015): Interaktion EE - Strom, Wärme und Verkehr. Stakeholder-Workshop: Teil 1.Wärmemarkt in Berlin am 04. Mai 2015. in: http: / / w w w.energies ystemtechnik.iwes.fraunhofer.de/ content/ dam/ iwes-neu/ energiesystemtechnik/ de/ Dokumente/ work shops/ 2015 _ 05 _ 01%20 -%20Ab schlussworkshop_Waerme_1-Einf%C3%BChrung. pdf (02.12.2015) [3] Meyer, G.; Schiffner, E. (1989): Technische Thermodynamik. 4. Auflage. VEB Fachbuchverlag, Leipzig. [4] Miara, M.; Bongs, C.; Günther, D.; Helmling, S.; Kramer, T.; Oltersorf, T.; Wapler, J. (2013): Wärmepumpen. Heizen - Kühlen - Umweltenergie nutzen. Hrsg.: FIZ Karlsruhe, BINE Informationsdienst Bonn. Fraunhofer IRB. Stuttgart. [5] Krone, U. (o. J.): Wenn die Heizungsanlage auch die Kühlung übernimmt. in: http: / / www.baunetzwis sen.de/ standardartikel/ Gebaeudetechnik-Wenndann Anzahl Seen korrespondierende Siedlungsfläche [km²] Anzahl Seen korrespondierende Industrie- und Gewerbefläche [km²] ∑ [km²] prozentualer Anteil an der gesamten Siedlungs-, Industrie- und Gewerbefläche in Deutschland wenn maximale Distanz zum Seeufer 200 m 498 173,6 115 20,3 193,9 0,73 % 600 m 737 572,8 198 80,0 652,8 2,44 % 1000 m 867 1025,7 267 158,8 1184,5 4,43 % Tabelle 2: Anzahl der potentiell nutzbaren Seen in Deutschland bei unterschiedlichen Distanzen zum jeweiligen Ufer und korrespondierende Siedlungsbzw. Industrie- und Gewerbefläche. Quelle: eigene Berechnung nach Daten von CORINE 2006 Anmerkung: Bei der Anzahl der Seen gibt es bzgl. der korrespondierenden Siedlungsflächen bzw. Industrie- und Gewerbeflächen Doppelungen. Daher ist eine Addition nicht möglich. die - Heizung s anlage auch die - Kuehlungueber nimmt_2532375.html (14.12.2015) [6] ewz (2015): Badrutt ’s Palace Hotel und Schulhaus Grevas, St. Moritz. Wärme aus dem kalten See. in: https: / / w w w.ewz.ch/ content/ dam/ ewz / ser vices/ dokumentencenter/ heizen-und-kuehlen/ dokumente/ ewz-edl-success-story-badrutts.pdf (02.12.2015) [7] ewz (2014): Energieverbunde im Züricher Seebecken - Klimaschonend heizen und kühlen. Energiedienstleistungen. Zürich. [8] Fink, G.; Schmid, M.; Wüest, A. (2014), Large lakes as sources and sinks of anthropogenic heat: Capacities and limits, Water Resour. Res., 50, 7285-7301, doi: 10.1002/ 2014WR015509. Prof. Dr. habil. Benno Rothstein Geowissenschaftliches Ressourcenmanagement, Hochschule Konstanz Technik, Wirtschaft und Gestaltung (HTWG), Konstanz Kontakt: rothstein@htwg-konstanz.de Henriette Kammer, M.A. Geowissenschaftliches Ressourcenmanagement, Hochschule Konstanz Technik, Wirtschaft und Gestaltung (HTWG), Konstanz Kontakt: henriette.kammer@htwg-konstanz.de Prof. Dr.-Ing. Gerald Steil Professur Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Hochschule für Forstwirtschaft Rottenburg, Studiengang Erneuerbare Energien, Rottenburg a.N. Kontakt: steil@hs-rottenburg.de AUTOREN