Ludwig Irrgang und Christopher Schifflechner bereiten derzeit die Großwärmepumpe vor, um den Realbetrieb zu simulieren. Im Test soll die Anlage 100 Kilowatt Kälte und 150 bis 200 Kilowatt Wärme generieren, übertragen auf reale Verhältnisse wird die Leistung circa 10- bis 20-mal höher sein, also ein bis zwei Megawatt. In seiner Promotionsarbeit analysiert Irrgang die auf die Rahmenbedingungen der Tiefengeothermie optimierte Kältemaschine. Darüber hinaus demonstriert er den Betrieb als Absorptionswärmepumpe und als Wärmetransformator.
„Eine Anlage, die diese drei Anwendungen miteinander vereint, ist in der Größe einzigartig: Nachhaltiges Kühlen im Sommer und zusätzliche Wärmebereitstellung im Winter ist besonders in Verbindung mit Erdwärme interessant, da er die saisonal schwankende Nachfrage nach Wärme und Kälte mit der konstanten Wärmebereitstellung der Geothermie kombiniert. Kälte- und Wärmenetze verbinden dabei Erzeuger und Verbraucher. Dadurch wird Geothermie-Wärme effizienter genutzt und der Verbrauch anderer, insbesondere fossiler Energieträger reduziert“, erklärt Irrgang.
Die Grundidee hinter Absorptionswärmepumpen und -kältemaschinen ist, den elektrischen Energieverbrauch für das Heizen und Kühlen zu reduzieren, indem sie Wärme auf einem hohen Temperaturniveau statt Strom zum Antrieb nutzen. Der dritte Betriebsmodus, der Wärmetransformator, funktioniert anders: Er wertet Wärme von einem mittleren Temperaturniveau auf ein höheres auf. Damit wird die bisher ungenutzte Geothermie-Restwärme auf ein nutzbares Niveau angehoben. Mit dem Prüfstand wird der Anlagenbetrieb mit allen Temperaturniveaus, die im Großraum München in der Tiefengeothermie vorkommen, simuliert. Das ermöglicht den Forschenden, Aussagen über die Standorte treffen zu können, die für einen Einsatz in Frage kommen.
Das innovative Projektdesign analysiert auch die Rahmenbedingungen für einen wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Anlage. „Die Effizienz einer Absorptionswärmepumpe wird im Gegensatz zu klassischen Kompressionswärmepumpen nicht durch den elektrischen Energieverbrauch, sondern durch die Menge der bereitgestellten Wärme bzw. Kälte im Verhältnis zur verbrauchten Antriebswärme definiert. Da die Erdwärme ohnehin zur Verfügung steht, ist die Frage der Effizienz für uns zweitrangig. Die primäre Frage ist, ab wann die Anschaffung einer solchen Anlage wirtschaftlich ist und der eingesparte Strom die erhöhten Anschaffungskosten deckt. Das ist stark von den Rahmenbedingungen der Geothermie-Bohrung sowie der Nachfrageszenarien abhängig. Eine reversible Anlage, die ganzjährig betrieben werden kann, wird die Wirtschaftlichkeit verbessern. Eine solche Anlage kann dann auch flexibel für verschiedene Entwicklungen des Energiemarkts eingesetzt werden. Unsere Simulationen zeigen hier bereits ein großes Potential“, sagt Schifflechner.
Geothermie wird die Nachhaltigkeit vorantreiben
Wärme- und Kälteerzeugung aus Geothermie ist eine umwelt- und klimafreundliche Alternative zur fossilen Energie, die Treibhausgasemissionen vermeidet. Im süddeutschen Molassebecken wird Erdwärme aus Tiefengeothermie durch Bohrungen in 2 bis 5,5 Kilometern gewonnen. Deshalb ist die geothermische Kälte- und Wärmebereitstellung eine nachhaltige Alternative zu Kompressionswärmepumpen und -kältemaschinen, solange unsere elektrische Energie zu einem großen Teil fossil erzeugt wird. Auch die genutzten Arbeitsmittel, Wasser und Lithium-Bromid, sind im Gegensatz zu den heutigen Kältemitteln in Kompressionsmaschinen weder giftig noch wirken sie sich negativ auf den Treibhauseffekt oder die Ozonschicht aus und setzen keine Ewigkeits-Chemikalien (englisch: Per- and PolyfluoroAlkyl Substances, abgekürzt: PFAS) frei.
Irrgang ist überzeugt vom Investment: „Die Elektrifizierung des deutschen Energiesystems stellt eine große Herausforderung für den deutschen Strommarkt in den nächsten Jahren dar. Jede technologische Entlastung ist deshalb eine gute Nachricht. Absorptionswärmepumpen sollten deshalb neben Kompressionsmaschinen überall dort eingesetzt werden, wo überschüssige Wärme zur Verfügung steht.“
Tiefengeothermie verbunden mit Fernwärme- bzw. Fernkältenetzen ermöglicht zuverlässiges Heizen und Kühlen mit berechenbaren Kosten und sehr geringem elektrischen Energieverbrauch. Gerade die Unabhängigkeit vom Strom- und Gasmarkt erzeugt eine hohe Nachfrage und sorgt für den verstärkten Ausbau im Großraum München. „Die größte Herausforderung für die zentrale Kälte- und Wärmebereitstellung ist der Ausbau hydraulischer Netze, die es für die Verteilung braucht. Große Verbraucher am Ort der Bereitstellung, beispielsweise Industrieunternehmen, benötigen diese Netze nicht und sind deshalb vielleicht Early Adopter. Zwar amortisiert sich eine Anlage recht schnell im Betrieb, dennoch könnten der hohe Materialeinsatz und die hohen Investitionskosten der Anschaffung potenzielle Investoren abschrecken. Wir wollen das Einsatzpotenzial untersuchen und herausfinden, wie Wärmepumpen zur Dekarbonisierung beitragen kann und welche Kosten auf die Bürgerschaft zukommen“, so Schifflechner.
Ludwig Irrgang M.Sc.Bachelor Ingenieurwissenschaften und Master Energie- und Prozesstechnik an der TUM, seit 2022 Promotion
Cristopher Schifflechner M.Sc.
Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen an der Uni Bayreuth und Master Mechanical Engineering/Sustainable Process and Energy Technology an der TU Delft
Forschungsgruppenleiter Geothermie-Allianz Bayern, Abteilungsleiter Thermodynamische Kreisprozesse und Wärmeübergang am Lehrstuhl für Energiesysteme