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IW3 - Forschungsvorhaben

Warmwasserspeicher mit Photovoltaikanlage. Quelle: energate-messenger.

Eine nahezu CO2-freie dezentrale Wärmeversorgung für Bestands- und Neubauten etablieren, die ohne fossile Energieträger auskommt, diesem Ziel ist das Konsortium rund um den städtischen Ökostromversorger HAMBURG ENERGIE mit dem Rallabor IW3 einen entscheidenden Schritt nähergekommen.

Steckbrief

Programm/ Zuschussgeber

BMWi Reallabore

Akronym

IW3

Titel/ Thema

Integrierte WärmeWende Wilhelmsburg

Identifikation/ Zuwendungsnummer

03EWR006S

Durchführungszeitraum

2020-08-01  –  2024-07-31

Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag

22,5 Mio EURO

Sonstiges

 

Wesentliche Forschungschwerpunkte

Zentraler Bestandteil des Projektes IW³ - Integrierte WärmeWende Wilhelmsburg ist die regenerative Wärmeversorgung. Neben bereits vorhandenen Erzeugern wie Windkraft oder Solarthermie bildet die Nutzung von Erdwärme eine Basis der Erzeugung. So sieht das Konzept die Errichtung einer Geothermieanlage vor, die heißes Thermalwasser aus dem Untergrund - genauer aus 3.500 Metern Tiefe - nach oben holt. Über Wärmetauscher wird die Energie dem Wasser entzogen und in das Wärmenetz eingespeist, das neu errichtet wird. Das abgekühlte Wasser wird zurück in den Entnahmehorizont geleitet.

Mittels zusätzlicher Einbindung sektorenübergreifender Technologien wie Wärmepumpen und Power-to-Heat-Anlagen sowie der Verwendung selbst erzeugten erneuerbaren Stroms, ist perspektivisch eine CO2-neutrale Versorgung möglich. Um Wärmeüberschüsse des Sommers im Winter nutzen zu können, ist die Errichtung eines saisonalen Speichers, eines
sogenannten Aquiferspeichers, vorgesehen. So können unterschiedliche Energiebedarfe mit unterschiedlichen Energieverfügbarkeiten effizient miteinander in Einklang gebracht werden. Ein digitaler Wärme-Marktplatz bündelt alle lokalen Energieerzeuger und Verbraucher und ermöglicht so eine kosteneffiziente wie klimafreundliche Versorgung von Gebäuden.

Koopertionspartner, Teilvorhaben

Innerhalb städtischer Bebauungsstrukturen kann ein großes Speichervolumen für Wärme nur im geologischen Untergrund durch einen Aquifer-Wärmespeicher bereitgestellt werden. Konkrete Ziele des Teilvorhabens sind (u.a. in Zusammenarbeit mit IWS-CAH): ' Bau eines Aquifer-Wärmespeichers (= ATES: Aquifer Thermal Energy Storage) am Standort Wilhelmsburg einschl. Messnetz zur Erfassung der Betriebsbedingungen u. Umweltauswirkungen ' Inbetriebnahme des ATES-Speichers einschl. Integration des Speichers in das Wärmeversorgungssystem (Systemintegration) ' Etablierung einer nach verschiedenen Kriterien optimierbaren Fahrweise ' Sammlung von Betriebsdaten und Betriebserfahrungen ' Erfassung der Umweltauswirkungen ' Unterstützung bei der Ableitung eines regulatorischen Rahmens für ATES-Systeme Im Teilvorhaben IW3-IWS-CAU sind folgende Bearbeitungsschritte zur Entwicklung eines regulatorischen Rahmens zur Realisierung von ATES-Anlagen in urbanen unterirdischen Räumen vorgesehen:

  1. Konzepterstellung für Bau und Betrieb von ATES-Anlagen im Rahmen einer quantifizierenden Raumplanung für den geologischen Untergrund in urbanen Gebieten mit besonderer Berücksichtigung bestehender Schutzgüter.
  2. Technische Umsetzung der Kriterien zum Bau und Betrieb von ATES-Anlagen im Rahmen einer Raumplanung des geologischen Untergrundes. Dazu gehören: Numerische und experimentelle Dimensionierungsanalysen zu den zeitlich dynami-schen thermischen sowie hydraulischen und hydrochemischen Raumauswirkungen , Prognose und Monitoring des Wärmefeldes im Umfeld der ATES-Anlage sowie der hydrochemischen Veränderungen in der Grundwasserzusammensetzung u. der mikrobiologische Veränderungen, Monitoring bzgl. Hebungs- u. Setzungsprozessen an der Geländeoberfläche.
  3. Ableitung technischer Optimierungspotentiale für den zukünftigen Bau und Betrieb von ATES-Anlagen im Kontext einer Raumplanung des geologischen Untergrundes in urbanen Gebieten
  4. Ableitung rechtl. Problemstellungen u. -lösungsoptionen

Das Vorhaben IWs ('Integriertes Wärmesystem') ist eines von drei Gesamtvorhaben des Reallabors IW3 ('Integrierte WärmeWende Wilhelmsburg'). In Zusammenarbeit mit den beteiligten Partnern werden Konzepte zur hydraulischen Einbindung eines Aquifer-Wärmespeichers sowie einer Tiefengeothermie-Anlage in das lokale Wärmesystem entwickelt. Die Hauptaufgabe der HAW Hamburg besteht darin, dass Wärmesystem zu modellieren, Regelungs- und Netzausbaukonzepte simulativ zu prüfen und ein Systemmodell an das Teilvorhaben IW³-IWM-HAW ' Marktplatz zu übergeben. Gleichzeitig sollen alle neuen Anlagen über IKT in den Gesamtsystemverbund integriert werden um auf einem Wärmemarktplatz (IW³-IWM-HAW) agieren zu können. Die dafür notwendigen technischen Schnittstellen werden in Zusammenarbeit mit den Partnern erarbeitet und umgesetzt.

Um den Gesamtsystemverbund detailliert berechnen zu können, bedarf es einer Weiterentwicklung der in der Arbeitsgruppe Wärme entwickelten Simulationsarchitektur. Beispielsweise sind neue Modelle und eine Optimierung der Berechnungsgeschwindigkeit notwendig. Perspektivisch sollen auch Flexibilitäten von dezentralen Speichern und Verbrauchern flächendeckend genutzt werden. Dazu werden Lastprognosen und Regelalgorithmen zur Verfügbarmachung dieser Flexibilität entwickelt. Diese werden als Input für die Planung im Wärmemarkt im Teilvorhaben IW³-IWM'HAW Wärmemarktplatz dienen. Um den Netzbetrieb, mit Hinblick auf einen Marktplatz, effizient überwachen und steuern zu können, bedarf es der Kenntnis von Netzzuständen. Um diese zu ermitteln, werden bekannte Netzüberwachungsverfahren analysiert und für eine Nutzung im Wilhelmsburger Wärmesystem ausgewählt und umgesetzt. Fehlende Sensorik soll dabei durch Simulationsmodelle und Zustandsschätzung ausgeglichen werden.  

Das Gesamtvorhaben Integrierter Wärmemarkt - IWM - ist Teil des Verbundprojektes Integrierte WärmeWende Wilhelmsburg - IW³. Ziel von IWM ist es, einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Fernwärme durch neuartige Handels- und Vermarktungsmechanismen zu leisten. Dazu werden unterschiedliche Nachweisverfahren für die Herkunft und Nutzung von Wärme untersucht als auch deren Handel auf einer offenen Marktplattform mit dem Ziel Anreize für erneuerbare Wärmeerzeugung zu schaffen. Das Teilvorhaben Wärmemarktplatz zielt auf die Entwicklung und Umsetzung einer Plattform für den Handel von Wärmemengen (und Temperaturen) ab. Ein Grundkonzept für diesen Wärmemarktplatz wurde im Vorhaben Smart Heat Grid Hamburg und einer laufenden Promotion entwickelt. Dieses basiert auf einem kaskadierten Markt und berücksichtigt verschiedene Handelszeiträume, um unterschiedliche Investitionszeiträume abbilden zu können.

Gleichzeitig wird das Prinzip der Smart Markets berücksichtigt. Das bedeutet, dass hydraulische Netzengpässe ermittelt und im Rahmen der Auktionen berücksichtigt werden. Physikalisch nicht umsetzbare Angebote werden so bereits im Vorfeld verhindert. Im Bereich der Wärmenetzsimulation erfolgt eine Zusammenarbeit mit dem voraussichtlich parallel stattfinden Vorhaben IW³-IWS-HAW. Das entwickelte Wärmemarktkonzept wird algorithmisch umgesetzt und für einen Praxisbetrieb vorbereitet. Letzteres erfolgt mehrstufig, um die Wärmelieferung im Realbetrieb nicht zu gefährden. Daher wird die Algorithmik zunächst simulativ sowie im Labormaßstab geprüft. Nachfolgend soll ein größerer Feldtest in einem lokalen Wärmenetzbetrieb mit vielen unterschiedlichen Erzeugungsanlagen, wie Biomethan-BKWs, Gaskessel, Solarthermie, tiefe Geothermie und industrieller Abwärme erfolgen. Im Gesamtvorhaben IWM erfolgt abschließend eine Bewertung des Marktplatzkonzeptes sowie der entwickelten Nachweismodelle mit dem Ziel Aussagen für einen zukünftigen Einsatz der entwickelten Lösungen im Wärmesektor zu treffen.

  • HAMBURG ENERGIE GmbH, Hamburg, Hamburg,Teilverbundvorhaben: IWs-UBH ' Systemintegration; Teilvorhaben: Wärmewende im Stadtquartier ' Demonstrator für ein regeneratives Energieverbundsystem in Hamburg-Wilhelmsburg,  Wärmetransport und -verteilung [EA2150]:

Das Teilverbundvorhaben IWs 'Systemintegration' bildet die Schnittstelle zwischen den Teilverbundvorhaben IWu 'geothermische Nutzung des Untergrunds' und IWm 'Integrierter Wärmemarkt'. In einem ersten Schritt beinhaltet es die konkrete Konzeptionierung und Projektierung des angestrebten synergetischen Energiequartiers. Im zweiten Schritt erfolgt die reale Umsetzung eines intelligenten Wärmesystems. Dafür werden im Rahmen des Teilverbundvorhabens IWs entsprechende Baumaßnahmen für notwendige Erzeugereinheiten durchgeführt. Zur saisonalen Wärmespeicherung erfolgt der Bau und die betriebliche Einbindung eines Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeichers. Dies beinhaltet auch die Erfassung ihrer Umweltauswirkungen und die Ableitung eines regulatorischen Rahmens für die Speicherung von Wärme in Grundwasserleitern. Darüber hinaus erfolgt die technische Implementierung des im Teilverbundvorhaben IWm erstellten Wärmemarktes sowie dessen steuerungstechnische Anbindung an die Systemkomponenten. HAMBURG ENERGIE wird mit seiner langjährigen fachspezifischen Expertise im Wärmebereich sowohl in der Planungs- wie auch der Errichtungsphase die Realisierung des regenerativen Energieverbundsystems maßgeblich steuern und verantworten. So stellt das Unternehmen als zentrale Schnittstelle die anschließende erfolgreiche Überführung in den Regelbetrieb und damit die Zielerreichung des Gesamtprojekts sicher.

  • HIR Hamburg Institut Research gGmbH, Hamburg, Hamburg, Teilverbundvorhaben: IWm - Integrierter Wärmemarkt; Teilvorhaben: grüne Fernwärme, Integration erneuerbarer Energien und regenerative Energieversorgungssysteme, Sonstiges [EB1860]:

Im Teilprojekt 'grüne Fernwärme' innerhalb des Vorhabens IWM werden durch eine am zertifizierten Öko-Strommarkt orientierte, jedoch an die spezifischen Bedürfnisse des Wärmemarktes angepasste Ausgestaltung eines Herkunftsnachweisregisters neue Wege der Vermarktung von grünen Fernwärmeprodukten geebnet: Damit soll den Erzeugern grüner Fernwärme rechtssicher ermöglicht werden, ihr Produkt gesondert als eigenständiges Produkt zu vermarkten und damit einen zusätzlichen Deckungsbeitrag zur Finanzierung von Projekten zur Erzeugung erneuerbarer Fernwärme zu erzielen. Diese zusätzlichen Erlöse erleichtern die Refinanzierung neuer Projekte zur Erzeugung erneuerbarer Fernwärme und schaffen somit zusätzliche Dekarbonisierungsanreize für Fernwärmebetreiber. Diese neuen Dekarbonisierungsanreize und komplementär einhergehende Effizienzgewinne der Fernwärmeversorgung eröffnen große Chancen über das Projektgebiet hinaus, zu geringen Kosten erhebliche Mengen Treibhausgase im Gebäudesektor einzusparen. Zugleich werden im Projekt auch die theoretischen Grundlagen und erste Praxiserfahrungen für die Implementierung des Artikels 19 der Erneuerbare-Energien-Richtlinie 2018/2001 für den Wärmesektor ausgearbeitet bzw. gesammelt.

  • HAMBURG ENERGIE GmbH, Hamburg, Hamburg, Teilverbundvorhaben: IWm - Integrierter Wärmemarkt; Teilvorhaben: Blockchain, Integration erneuerbarer Energien und regenerative Energieversorgungssysteme, Sonstiges [EB1860]:

Das Gesamtziel des Teilvorhabens von HE ist die Konzeptionierung und Umsetzung einer Nachweisführung für Wärmeflüsse bei gleichzeitiger Nutzung marktorientierten Effizienz. Dieses Konzept basiert auf der BlockChain Technologie. Das Teilvorhaben von IWM-HE beschreibt das dritte Hauptziel des Gesamtvorhabens (Teilverbunds) IWM. Dabei geht es zum einen um die Erforschung der Technologie BlockChain und deren Anwendung in der Praxis. Die Besonderheit dieser Technologie ist, dass sie universell und anwendungsübergreifend eingesetzt werden kann und wird. Insofern besteht in diesem Vorhaben der Anspruch darin, diese Ergebnisse auf andere und nachfolgende Projekte u.a. in offenen Wärmemärkten unter Beteiligung von Drittanbietern und 'Nutzern anzuwenden. Mit der BlockChain-Technologie wird nicht nur der Herkunftsnachweis in Jahresbilanzen möglich, sondern es kann auch eine zeitliche und örtliche Auflösung umgesetzt werden. Neben der Kennzeichnung der Energiebewegung und die damit verbundene Bilanzierung der einzelnen Wärmeflüsse, kann auch die genaue Herkunft anlagenscharf nachgewiesen werden.

Es soll dabei untersucht werden, wie Energiemengen zusammen mit dem CO2-Beitrag bereits am Energiezähler in die BlockChain überführt werden können, so dass ein vollständiges digitales Abbild der energetischen Netzprozesse entsteht. Dadurch wird transparent und nachvollziehbar aus welchen Energieträgern die Wärme entstanden ist und wie sich die Qualität durch evtl. Speicherung und Vermischung verändert. Auch im Kontext des zukünftig an Bedeutung gewinnenden CO2-Labelings kann sich die BlockChain Technologie als hilfreich erweisen. Entsprechend liegt zum anderen der besondere Schwerpunkt auf der Kennzeichnung und Nachverfolgung des CO2-Einsatzes. Die Emissionskenngröße CO2 wird als ein Parameter der Energiebeschreibung eingeführt. Daraus abgeleitet werden Energie (Wärme) und CO2-Beitrag gemeinsam betrachtet.

  • GTW - Geothermie Wilhelmsburg GmbH, Hamburg, Hamburg, Teilverbundvorhaben: IWu-FUE - Geothermische Nutzung des urbanen Untergrundes, Warmwasser- und Dampflagerstätten [EB1612]:

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens 'IWu ' geothermische Nutzung des urbanen Untergrunds' ist es zu zeigen, wie das geothermische Wärmepotenzial im tieferen Untergrund des Norddeutschen Becken optimal erschlossen werden kann. Dazu soll eine geothermische Brunnendublette bis in rd. 3.500 m Tiefe zur Etablierung eines hydrothermalen Systems und Einbindung in das Fernwärmesystem abgeteuft werden. Optimale Erkundung des Untergrunds und Entwicklung der Brunnen für bestmögliche Ergiebigkeit, Effizienz und Verfügbarkeit. Der Erfolg des Gesamtkonzepts IW³ wird erst durch die tiefe Geothermie und das damit verbundene hohe CO2-Einsparungspotenzial ermöglicht. Das Teilvorhaben IWu erfolgt in enger Kooperation mit dem Verbundvorhaben 'mesoTherm', das im 7. Energieforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter Federführung der Georg-Augustus-Universität Göttingen, Geowissenschaftliches Zentrum und der Geothermie Neubrandenburg GmbH (GTN) sowie dem Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) als assoziiertem Partner beantragt und durchgeführt wird.

  • HAMBURG ENERGIE GmbH, Hamburg, Hamburg , Teilverbundvorhaben: IWs-FUE ' Systemintegration; Teilvorhaben: Wärmewende im Stadtquartier ' Demonstrator für ein regeneratives Energieverbundsystem in Hamburg-Wilhelmsburg, Wärmetransport und -verteilung [EA2150]:

Das Teilverbundvorhaben IWs 'Systemintegration' bildet die Schnittstelle zwischen den Teilverbundvorhaben IWu 'geothermische Nutzung des Untergrunds' und IWm 'Integrierter Wärmemarkt'. In einem ersten Schritt beinhaltet es die konkrete Konzeptionierung und Projektierung des angestrebten synergetischen Energiequartiers. Im zweiten Schritt erfolgt die reale Umsetzung eines intelligenten Wärmesystems. Dafür werden im Rahmen des Teilverbundvorhabens IWs entsprechende Baumaßnahmen für notwendige Erzeugereinheiten durchgeführt. Zur saisonalen Wärmespeicherung erfolgt der Bau und die betriebliche Einbindung eines Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeichers. Dies beinhaltet auch die Erfassung ihrer Umweltauswirkungen und die Ableitung eines regulatorischen Rahmens für die Speicherung von Wärme in Grundwasserleitern. Darüber hinaus erfolgt die technische Implementierung des im Teilverbundvorhaben IWm erstellten Wärmemarktes sowie dessen steuerungstechnische Anbindung an die Systemkomponenten. HAMBURG ENERGIE wird mit seiner langjährigen fachspezifischen Expertise im Wärmebereich sowohl in der Planungs- wie auch der Errichtungsphase die Realisierung des regenerativen Energieverbundsystems maßgeblich steuern und verantworten. So stellt das Unternehmen als zentrale Schnittstelle die anschließende erfolgreiche Überführung in den Regelbetrieb und damit die Zielerreichung des Gesamtprojekts sicher.

  • CONSULAQUA Hamburg Beratungsgesellschaft mbH, Hamburg, Hamburg, Teilverbundvorhaben: IWs ' Systemintegration; Teilvorhaben: Planung, Bau, Betrieb und Systemintegration eines Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeichers,  Wärmetransport und -verteilung [EA2150]:

Ziel des Teilprojektes IWS-CAH ist es, die wissenschaftlichen Anforderungen bei Konzeption, Planung und Bau eines Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeichers zu integrieren und den Speicher einschließlich eines Monitoringsystems in Betrieb zu nehmen. Ein umfassendes Monitoringprogramm ist gemeinsam mit den Projektpartnern zu entwickeln und durchzuführen, um die Auswirkungen eines Speicherbetriebs auf die Umwelt erfassen und bewerten zu können. Die Ergebnisse aus der Betriebs- und Umweltüberwachung sollen eine der Grundlagen für die Ableitung regulatorischer Rahmenbedingungen bilden. Um den Aquifer-Wärmespeicher (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage) effizient betreiben zu können, ist in IWS-CAH eine Methodik zur Steuerung des Speichers einschließlich Schnittstellen zu Leitsystemen und Wärme-Marktplatz zu erarbeiten, umzusetzen und im Betrieb zu erproben. Damit soll der Speicherbetrieb nach verschiedenen Zielgrößen (u.a. maximale Leistung, Effizienz Wärme-Rückgewinnung, Flexibilität der zu bereitstellenden Ein- und Ausspeicherleistung, Umweltauswirkungen) optimierbar gestaltet werden.

Weblinks

https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=IW3&v=10

zuletzt bearbeitet August 2020