Nachhaltige Bewirtschaftung großer oberflächennaher Geothermieanlagen durch Regeneration mit Solar-, Umwelt- und Abwärme - "Geo-Resume"

Abstract

Das Forschungsprojekt „Geo-Resume“ widmet sich der nachhaltigen Optimierung und Bewirtschaftung großer Erdwärmesondenfelder (EWS) und -Cluster. Ziel ist die Entwicklung von Empfehlungen für den langfristigen, effizienten Betrieb solcher Anlagen, insbesondere unter Einbeziehung thermischer Regenerationsmaßnahmen durch die Einspeisung von Solar-, Umwelt- und Abwärme in den Untergrund. Die Motivation resultiert aus der zentralen Rolle von Wärmepumpen für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors und dem Bedarf an nachhaltigen Wärmequellen mit hoher Quellentemperatur, insbesondere im Winter. Methodik: Das Projekt basiert auf einem umfassenden Monitoring von Bestands- und Neuanlagen in Norddeutschland über mindestens ein Jahr. Die erhobenen Daten umfassen sowohl anlagentechnische als auch hydrogeologische Parameter. Mittels Modellierung und Simulation (TRNSYS, EED, FEFLOW) wurden die Energietransporte zwischen Anlagen und geologischem Untergrund analysiert und Optimierungsmaßnahmen bewertet. Besonderes Augenmerk lag auf der Wirkung von Regeneration (Solar, Umwelt, Abwärme) und dem Einfluss von Grundwasserströmung und Untergrundheterogenität. Ergebnisse:

Monitoring: Zehn Standorte mit insgesamt 14 EWS-Anlagen wurden detailliert überwacht. Die Analyse zeigt, dass die tatsächliche Betriebsweise oft von den Planungsannahmen abweicht. Die Energiebilanz ist in vielen Fällen unausgeglichen, was langfristig zu einer Abkühlung des Erdreichs führen kann. Die mittlere Fluidtemperatur liegt dennoch meist zwischen 4 und 17 °C, die Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpen variieren zwischen 2,8 und 5,2, abhängig von Betriebsbedingungen und Regenerationsmaßnahmen. Regeneration: Die Integration von PVT-Kollektoren und anderen regenerativen Wärmequellen ermöglicht eine signifikante Reduktion der erforderlichen Bohrmeter und steigert die Effizienz. Simulationen zeigen, dass durch solare Regeneration die Anzahl der benötigten Erdwärmesonden um bis zu 57 % gesenkt und die Systemeffizienz um ca. 8 % erhöht werden kann. Natürliche Regeneration durch Grundwasserströmung kann in Einzelfällen eine aktive Regeneration ersetzen. Hydrogeologische Modellierung: Die Sensitivitätsanalyse identifiziert den geothermischen Gradienten und die Darcy-Geschwindigkeit als entscheidende Parameter für die Wärmeproduktion. Die Berücksichtigung von Grundwasserströmung in der Modellierung ist essenziell für die Prognose der langfristigen Nachhaltigkeit und Effizienz von EWS-Systemen. Techno-ökonomische Optimierung: Surrogatmodellbasierte Optimierungsverfahren ermöglichen eine effiziente Verteilung der thermischen Lasten auf Subsysteme und steigern die geothermische Produktionskapazität um bis zu 60 %. Die wirtschaftliche Bewertung zeigt, dass die Kombination von EWS mit Regenerationsmaßnahmen die Wärmegestehungskosten minimiert und die Planungssicherheit erhöht. Empfehlungen: Für die Planung und Genehmigung von EWS-Anlagen mit Regeneration wird eine rechteckige Anordnung empfohlen. Die Einbindung von Monitoring und numerischer Modellierung ist für die Optimierung und den sicheren Betrieb unerlässlich. Genehmigungsbehörden sollten die Berücksichtigung von Grundwasserströmung und die Einrichtung von Messstellennetzen als Auflage vorsehen. Fazit: Das Projekt liefert grundlegende wissenschaftliche und technische Erkenntnisse für die nachhaltige Nutzung oberflächennaher Geothermie. Die Einbindung thermischer Regeneration erhöht die Betriebssicherheit und Effizienz, minimiert den Einfluss auf die Umgebung und ermöglicht eine passgenaue Dimensionierung der Anlagen. Die Ergebnisse sind auf viele Regionen mit sedimentärer Geologie übertragbar und fließen direkt in die Genehmigungspraxis und zukünftige Forschungsprojekte ein.