AQVA HEAT III Demonstration und wissenschaftliche Begleitung einer ganzjährigen thermischen Nutzung von Oberflächengewässern als Wärmequelle durch Einsatz der Vakuum-Flüssigeistechnologie in Nah- und Fernwärmenetzen

Projektziele

Das übergeordnete Ziel des geplanten Verbundvorhabens ist die gemeinsame Weiterentwicklung, Demonstration und umfassende Erprobung sowie Optimierung eines innovativen Energiesystems zur ganzjährigen (monovalenten), leistungsfähigen Wärmeerzeugung durch thermische Nutzung von Oberflächengewässern. Mit der Nutzung des Tripelpunktverfahrens (Vakuum-Flüssigeis) als Teil einer Wärmepumpen-Kaskade sollen die beschriebenen Einschränkungen der Nutzung von Oberflächengewässern als Wärmequelle überwunden werden.

Bei der Vakuum-Flüssigeistechnologie erfolgt der Wärmeentzug durch das teilweise Ausfrieren des Wassers mittels Tripelpunktverfahren. Damit ist Wasser bis 0 °C als Wärmequelle effizient nutzbar, da die Wärme primär aus dem Gefrierprozess und nicht bzw. nur teilweise aus der Temperaturabsenkung gewonnen wird. Je Kubikmeter Wasser kann dadurch deutlich mehr Wärme gewonnen werden. Die zu entnehmende Wassermenge kann um den Faktor 5-8 und damit auch der Pump-aufwand sowie die Kosten / Gebühren für die Wasserentnahme reduziert werden. Da der Wärme-entzug durch Verdampfung von Wasser und nicht durch Wärmeübertragung an einem Wärmeübertrager erfolgt, werden große Wärmeübertragerflächen und Füllmengen wassergefährdender Stoffe vermieden. Durch den einfachen Aufbau des Direktverdampfers sind Verschmutzungsprobleme (hohe Wartungskosten / Ausfallzeiten) ausgeschlossen.

Die mit dem Projekt aufgestellten Zielstellungen reichen von einzelnen Fragestellungen auf Komponentenebene bis hin zur vollständigen Erprobung, Demonstration und Optimierung der gesamten Systemkette in einer Realumgebung (untersch. Gewässertypen, Aufstellungsbedingungen & Wärmenetztopologien). Ausgehend von den erfolgreichen Entwicklungen zur Anwendung von Vakuum-Flüssigeis zur Kältespeicherung (Power2Cold) sowie den Erfahrungen aus dem aktuell in der Umsetzung befindlichen Kurzzeitfunktionstest soll nunmehr die Anwendung zur thermischen Gewässernutzung innerhalb eines Gesamtsystems vollständig erprobt und demonstriert werden. Die Bearbeitung übergreifender Fragestellungen (Fragen zur allgemeinen Akzeptanz; Genehmigungsprozess & Energie- / Versorgungswirtschaft) vervollständigen die Untersuchungsziele der ganzjährigen Nutzbarmachung von Gewässern als Wärmequelle. Im Folgenden sind die wichtigsten Projektziele den geplanten Arbeitsschwerpunkten zugeordnet:

Gewässer als Wärmequelle

• Demonstration der technischen Machbarkeit, insbesondere des ganzjährigen Einsatzes (unabhängig von der Luft- und Gewässertemperatur) → monovalent einsetzbares System
• Experimentelle Untersuchungen verschiedener Entnahme- & Wiedereinleitungskonfigurationen mit dem Ziel eines technisch-ökologischen Optimums (je Gewässertyp)
• Nachweis der gewässerökologischen Unbedenklichkeit und Bewertung von Risiken
• Untersuchungen zur Übertragbarkeit auf andere Gewässer (Skaleneffekte)

Vakuum-Flüssigeiserzeuger

• Erprobung und Optimierung von Einrichtungen zur langzeitstabilen Wasservorbehandlung (Filterkonzepte, Vorentgasung, alternative Verfahren)
• Maximierung des Eisanteils bei weiterer Reduktion des Entnahmevolumenstromes durch Maßnahmen der Eisabscheidung / Separation (x_s,max > 0.25%)
• Erreichung eines effizienten Dauerbetriebs (24h/7d)

Großwärmepumpen im Kaskadenbetrieb

• Entwicklung des mehrstufigen Betriebes zur Bereitstellung von Wärme auf einem Temperaturniveau von 60 – 85 °C im Sommerbetrieb und bis zu 95 °C (105 °C) im Winterbetrieb
• Identifikation von möglichen Optimierungspotentialen während des Betriebs der Großwärmepumpe auf Grundlage der erfassten Betriebsdaten und der Inspektion der Anlage (Minimierung von Druckverlusten und Förderleistungen, Minimierung der Teillast-Betriebszeiten, Optimierung des Ein-Aus- und Regelverhaltens etc.)  
• Ableiten von Maßnahmen zur Betriebsoptimierung hinsichtlich standortspezifisch schwankender Senkentemperaturen (Anpassen der Steuer- und Regelparameter / Betriebsstrategie, Anpassen von Massenströmen und Dimensionierungen, Optimierung des hydraulischen Abgleichs etc.)
• Umsetzung der abgeleiteten Maßnahmen und Dokumentation der erzielten Effizienzsteigerungen

Systemintegration / Gesamtsystem

• Konzeption und Entwicklung eines Mess-, Steuer- und Regelungskonzeptes je Gewerk sowie für die Einbindung der Wärmepumpenkaskade in verschiedene Netzstrukturen (u.a. städtische Nah- / Fernwärme, Quartierskonzepte)
• Entwicklung eines übergeordneten Regelkonzeptes zur Optimierung des gekoppelten Betriebes zwischen Wärmepumpe und Flüssigeiserzeuger in Abhängigkeit spezifischer Betriebsszenarien des Wärmenetzes
• Untersuchungen zum dynamischen Verhalten der Einzelkomponenten sowie der Gesamtanlage (An- / Abfahrprozess, Teillastverhalten, etc.)
• Umsetzung eines Datenmanagement- / Monitoringkonzepts für die Gesamtanlage
• Konzept und Realisierung eines virtuellen Leitstandes zur zentralen Überwachung der Forschungsanlagen (Demonstrationscharakter, „virtuell-begehbarer Ort“)

Systemanalyse („Technologiebegleitende“ Betrachtungen)

Genehmigungsprozess

• projektspezifische Durchführung und Darstellung des Genehmigungsprozesses an zwei Standorten / Gewässertypen für den Langzeitbetrieb
• Vertiefung genehmigungsrechtlicher Grundlagen, Ermittlung und Reduzierung von Hemmschwellen für potentielle Anwender (u.a. Erstellung eines Leitfadens)

Technisches Systemmodell

• Modellbildung und Überführung erstellter Einzelmodelle in ein übergeordnetes Systemmodell
• Saisonale Vermessung / Ermittlung der temperaturabhängigen Gesamtsystemeffizienz und Abgleich mit theoretischen Parameterstudien

Energiewirtschaftliche Betrachtungen

• Untersuchungen zur Transformation bestehender Nah- und Fernwärmenetzstrukturen auf kommunaler und Quartiersebene durch eine ganzjährige Einbindung von Gewässern als Wärmequelle (Potentialanalyse)
• Untersuchung der Wirtschaftlichkeit der AQVA-HEAT Technologie gegenüber dezentralen Luft-Wärmepumpen (als Referenz ohne Gasbezug) sowie zentralen Großwärmepumpen auf Basis von konventioneller Gewässerthermie (ohne Flüssigeisbildung mit Großvolumenumwälzung) vor dem Hintergrund der ganzjährigen Wärmebereitstellung im typischen Leistungsbereich von Quartieren zwischen 500 und 2000 kW und typische Nieder- und Hochtemperaturnetze (40 – 90 °C).
• Darstellung der Bedingungen für die Wirtschaftlichkeit (z.B. zentrale oder dezentrale WP) auf Kommunal- und Quartiersebene zur Transformation konventioneller Hochtemperatur-Fernwärmenetze und Anwendung in nachhaltigen Niedertemperatur-Nahwärmenetzen ggü. Konkurrenztechnologien.
• Ableitung von Maßnahmen und erweiterten Nutzungskonzepten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit (z.B. Kältenutzung)
• Qualitative Gegenüberstellung volkswirtschaftlicher Aspekte von AQVA-HEAT im Vergleich mit Konkurrenztechnologien (z.B. Anforderungen an Stromnetze für Bivalenz bei flächendeckendem Einsatz von dezentralen Wärmepumpen und damit Verbundene sozialisierte Kosten)

Übergreifende Zielstellungen und Effekte

• Wirksame Öffentlichkeitsarbeit und gemeinsamer Auftritt als Verbund (Webseite, Publikationen / Vorträge, Einbindung in die Lehre, Planer-Workshop, etc.)
• Demonstration eines signifikanten Beitrags zur zukünftigen Dekarbonisierung von Wärmeversorgungssystemen in den Strukturwandelregionen und darüber hinaus
• Interdisziplinäre Zusammenarbeit (Industrie / Versorgungsunternehmen / Forschung / Behörden) und nachhaltige Bündelung regionaler Kompetenzen
• Aufbau einer Forschungskooperation auf dem Gebiet „Wasser als Kältemittel“ / Wärme- und Kälteversorgung / vernetzte Energiesysteme
• Schaffung eines neuen regionalen Kompetenzfeldes und Vorbereitung weiterer Nutzungsansätze / Industrialisierungsmaßnahmen
  1. Allgemeiner Ablauf & Arbeitsorganisation

Die Kernaufgabe des geplanten Verbundprojektes stellt die gemeinsame Entwicklung und umfassende Erprobung eines innovativen Energiesystems zur ganzjährigen (monovalenten) Wärmeversorgung durch thermische Nutzung von Oberflächengewässern an zwei Standorten dar.

Das Projekt setzt sich demnach aus fünf Themenschwerpunkten zusammen, welche über die Laufzeit miteinander verknüpft werden. 

Gewässerzugang & Gewässerökologie

Wasserentnahme und Wiedereinleitung

Unter Berücksichtigung einer zuverlässigen Erschließung der Wärmequelle Gewässer besteht die Herausforderung, geeignete (kosteneffiziente, im Idealfall allgemeingültige) Einrichtungen zur Wasserentnahme und Wiedereinleitung zu konzipieren und zu betreiben. Dabei spielen neben der frostsicheren hydraulischen Gestaltung besonders das hydrologische Zusammenspiel mit dem Gewässer und die daraus resultierenden Einflüsse auf Wassertemperatur eine wichtige Rolle, da hieraus unmittelbare Auswirkungen auf die Gewässerökologie resultieren können. Die Durchführung physischer bzw. experimenteller Arbeiten und Untersuchungen soll an zwei Standorten mit unterschiedlichen Gewässertypen in Zittau und Weißwasser erfolgen.

Die baulichen Maßnahmen, vorrangig Erd- bzw. Wasserbau zur Wasserentnahme als auch zur Wiedereinleitung, werden über das Vorhaben „AQVA HEAT II“ realisiert. Während des Experimental- bzw. Langzeitbetriebes sollen Veränderungen an der Konfiguration der Versuchseinrichtungen vorgenommen werden, um die Auswirkungen auf die Betriebssicherheit als auch auf das Gewässer bewerten (Bilanzierung) zu können. Die Erprobungsphase dient außerdem zur Identifikation und Umsetzung von Optimierungspotentialen in Abstimmung mit der UWB des Landkreises Görlitz.

Gewässerökologische Untersuchungen

Im Rahmen der gewässerökologischen Untersuchungen soll ermittelt werden, inwieweit die thermische Nutzung Auswirkungen auf die Besiedlung der Gewässer hat. Dabei sollen schwerpunktmäßig Phytoplankton bzw. Phytobenthos, Makrophyten, Makrozoobenthos und Fische als Schlüsselgruppen untersucht werden. Die Untersuchungen werden begleitet von einem limnophysikalischen Monitoring. Grundlage der Ermittlung der Veränderungen durch die thermische Nutzung der Gewässer stellt ein Vergleich unbeeinflusster Referenzbedingungen mit dem Bereich im Gewässer dar, der einer Abkühlung unterliegt (Fließgewässer: Vergleich ober- mit unterhalb Rückleitung, Standgewässer: Teilung des Gewässers in unbeeinflusste und beeinflusste Hälfte). Die Ergebnisse dienen als Basis für die Modellierung und Abschätzung gewässerökologischer Auswirkungen unterschiedlicher Anlagenskalierungen und –betriebsfahrweisen an Gewässern variabler Größe, um zu allgemein gültigen Empfehlungen für eine gewässerökologisch verträgliche Nutzung der eingesetzten Technologie zur thermischen Nutzung von Gewässern zu kommen.

Flüssigeiserzeuger & Großwärmepumpe

Vakuum-Flüssigeiserzeuger

Innerhalb der Erprobungsphase sind am installierten Vakuum-Flüssigeiserzeuger (Versuchsanlage) verschiedene Umbaumaßnahmen und Modifikationen vorgesehen. Die Herausforderungen liegen besonders in der Realisierung und Demonstration einer langzeitstabilen, additivfreien Flüssigeiserzeugung. Folgende Maßnahmen und Untersuchungsschwerpunkte sind hierfür u.a. geplant:

• Untersuchung verschiedener Varianten zur Vorentgasung des einströmenden Wassers
• Optimierung der Verdampferkonfiguration (Wasserverteilung, Eisentnahme, geometrische Gestaltung)
• Untersuchung verschiedener Separationsmethoden (Behälter, Strömungsseparation)
• Modifizierung Wellendichtungssystem (zyklischer Betrieb → Dauerbetrieb)
• Untersuchungen an der Schnittstelle Wärmepumpe / Eiserzeuger
• Strömungsverhalten und Wiedereinleitung in das jeweilige Gewässer

Die Maßnahmen werden mit den Verbundpartnern im Rahmen der Versuchsplanung kontinuierlich abgestimmt und umgesetzt.

Im Projekt AQVA HEAT 1 (Kurzzeitdemonstration) wurde TRL 5 (Versuchsaufbau in Einsatzumgebung) erreicht. Dabei wurden einige Herausforderungen für einen kontinuierlichen Betrieb des Eiserzeugers mit additivfreiem Wasser deutlich. Ziel der Arbeiten im Projekt ist es, einen Technologiereifegrad von 7 (Prototyp im Einsatz) zu erreichen.

Betriebsoptimierung von Großwärmepumpen

In Vorbereitung auf die Versuchsphase müssen in Abstimmung mit dem jeweiligen Hersteller die Randbedingungen an die saisonal bedingten Differenzen für die Bereitstellung der Wärmequelle ausgehend von der Betriebsweise des Vakuum-Flüssigeiserzeugers ausgerichtet werden. Dabei sind die saisonalen Unterschiede nicht nur auf Seiten der Wärmequelle, sondern besonders auch im Hinblick auf das Bedarfsprofil auf der Wärmesenke zu berücksichtigen. Daraus ergeben sich weite Bereiche hinsichtlich der Flexibilität für Teillastbetrieb und Lastdynamik. Dabei ist der Beitrag der Komponenten des WP-Kreislaufes hinsichtlich des eigesetzten Verdichters, Expansionsorganen und Wärmeübertragern parallel zum Versuchsbetrieb in Simulationen zu untersuchen. Daraus können Handlungsempfehlungen zum Einsatz optimierter Komponenten sowie zur Auswahl alternativer Kältemittel abgeleitet werden. Die Erkenntnisse und Empfehlungen können zusammen mit dem Hersteller innerhalb der Versuchsanlage umgesetzt und in möglichen Anschlussvorhaben tiefer untersucht werden.

Systemintegration

Der errichtete Systemaufbau muss im Rahmen des Teilprojektes „AQVA HEAT II“ an die Infrastrukturen des jeweiligen Stadtwerkes angeschlossen werden. Während der Betriebsphase im dritten Teilvorhaben sind dazu Maßnahmen für einen reibungslosen Betrieb zu entwickeln und umzusetzen (→ Leitstand).

Physische Integration

Die Physische Integration der Versuchsinfrastruktur in die jeweiligen Strom- und Wärmenetze wird durch Mittel des zweiten Teilprojektes abgedeckt, wobei hydraulische Modifikationen und Anpassungen an der Schaltungstechnik ggf. im Rahmen der Langzeituntersuchungen zu berücksichtigen sind.

Funktionale Integration

Eine Herausforderung bei der vollautomatisierten Betriebsführung von kaskadierten Großwärmepumpensystemen stellt häufig die Umsetzung eines auf die Einzelkomponenten abgestimmten Steuer-, Mess- und Regelkonzeptes dar. Das Zusammenspiel zwischen Gewässer, Vakuum-Flüssigeiserzeuger, Wärmepumpen und der nachgeschalteten Verteil- und Abnehmerstruktur muss dabei vollständig abgebildet werden. Über den stationären Betrieb unter Nennlast (Handbetrieb/Teilautomatik → Automatikbetrieb) hinaus gilt es, das Teillast- als auch das flexible Anfahr- und Abfahrverhalten zu verstehen und zu optimieren. Individuelle Anforderungen seitens des Netzbetriebes (Lastprofile, Zusammenspiel mit weiteren Erzeugereinheiten, u.a.) sind dabei zu berücksichtigen. Die Integration in die jeweiligen Netzstrukturen (Wärme- und Strom) soll zudem den Anforderungen an flexibel einsetzbare Power2Heat-Systeme erfüllen. Die Erkenntnisse der Konzeptentwicklung sollen mit Blick auf die vorbereitende Ergebnisverwertung auf weitere Anwendungsfälle übertragbar gestaltet werden.

Virtueller Leitstand & Datenmanagement

Ausgehend von einem abgestimmten Messkonzept für einzelne Anlagenbausteine sollen alle Informationen (Mess-, Steuer-, Bild- & Videoinformationen) auf einem virtuellen Leitstand zusammengeführt werden. Dieser Leitstand soll als Monitoring-Plattform zur Abholung und Auswertung von Messdaten als auch zur dezentralen Visualisierung für die einzelnen Projektpartner aufgebaut werden. Die geplante Einbindung in öffentlich zugängliche Seminarräume, wie bspw. das CELSIUZ-Labor der Hochschule Zittau/Görlitz ermöglicht zudem die Vermittlung der Projektergebnisse im Rahmen von Seminar- und Lehrveranstaltungen.

Technologiebegleitende Betrachtungen

Genehmigungsprozess

Sowohl für Fließgewässer als auch für Standgewässer sind die genehmigungsrelevanten hydrologischen und gewässerökologischen Fragestellungen für die Errichtung und den Betrieb einer Anlage auf Basis der Vakuum-Flüssigeistechnologie gemeinsam mit dem Landratsamt des Landkreises Görlitz als Genehmigungsbehörde beispielhaft zu bearbeiten. Dabei kann auf die bereits vorliegenden Erkenntnisse aus dem Verfahren zur Einholung einer Kurzzeitgenehmigung im Rahmen des ersten Teilprojektes zurückgegriffen werden. Am Beispiel der geplanten Erprobungsstandorte wird anschließend der Genehmigungsprozess gemeinsam durchlaufen und mit Realdaten dokumentiert. Neben der allgemeinen Genehmigungsfähigkeit der Anlagen soll zudem die gesellschaftliche Akzeptanz gefördert werden. Zur Unterstützung zukünftiger Investitionsvorhaben ist geplant, einen öffentlich verfügbaren Leitfaden zur thermischen Gewässernutzung auf Basis der Vakuum-Flüssigeistechnologie unter rechtlichen und gewässerökologischen Gesichtspunkten zu initiieren, mit einer Risikoanalyse zu untersetzen und der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen.

Systemmodell

Ziel des Arbeitsschwerpunktes ist die Zusammenführung aufgebauter Einzelmodelle (je Anlagenbestandteil) in einem übergreifenden Systemmodell. Die von der Anlagentechnik zurückgegebenen Realdaten liefern die Grundlage zur Validierung des Einzel- als auch des Gesamtmodells.

Energiewirtschaftliche Betrachtungen

Das Gesamtsystem soll unter (primär-) energetischen und wirtschaftlichen Effizienzkriterien unter Berücksichtigung von Auswirkungen auf die Umwelt bewertet und verglichen werden.

Mit den Projektergebnissen sollen der planerischen Praxis erste Ansätze zur Systemgestaltung und -betriebsweise sowie zur Bewertung des Anlagenkonzeptes aufgezeigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt sind energiewirtschaftliche Aspekte. Sie umfassen Potentialanalysen und Umsetzungsszenarien für eine breite Anwendung unter nationalen Randbedingungen.

Dabei werden folgend Randbedingungen für eine Gegenüberstellung zugrunde gelegt:

• Systemleistung der Anlage von 500 kW und 2000 kW (typische Quartiersleistung)
• Integration in ein konventionelles Wärmenetz mit Vorlauftemperaturen bis 90 °C und nachhaltiges Niedertemperatur-Nahwärmenetz mit 40 °C
• Betrachtung zweier Standorte in Sachsen für stehende und fliegende Gewässer mit hinreichendem Quellenpotential und entsprechendem Abnehmerpotential aus der Senkenseite (z.B. Zittau und Görlitz)

Als Referenz zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit werden zum einem jeweils eine dezentrale Wärmeversorgung mit Luft-Wärmepumpen sowie mit zentraler Großwärmepumpe mit konventioneller Gewässerthermie als Quelle herangezogen.

Bzgl. Quellenpotential erfolgt eine simulative Bilanzierung der Wärmeentnahme unter Berücksichtigung saisonaler Schwankungen über ein Jahr.

Mit den Ergebnissen sollen Oberflächengewässerpotenziale für Hochtemperaturnetze und Verbraucher mit einem hohen Wärmebedarf sowie Niedertemperaturnetze und Verbraucher mit einem signifikanten niedrigeren Wärmebedarf aufgezeigt werden.

Mittels Parametervariationen kann die Entscheidungsfindung für eine optimale Anlagenkonfiguration, z.B. bei gegebener Lastsituation, auf eine systematische Grundlage gestellt und auf Basis von Beispielberechnungen mit Kosten- und Technologieentwicklungsabschätzungen durchgeführt werden.