LEEZE: Langfristige Energiesystemanalyse für Erdbeckenspeicher urbaner Fernwärmenetze am Beispiel der Stadtwerke Münster

Das Mikroprojekt BISAM ist ein innovatives Forschungsvorhaben, das im Rahmen des Förderformats "URBAN ARENA Seasonal Heat Storage" durchgeführt wird. Ziel des Projekts ist es, die Machbarkeit der Umnutzung ehemaliger Zechen-Gebäudekomplexe am konkreten Beispiel einer ehemaligen Kohlenwäscheanlage in Hückelhoven als saisonale Wärmespeicher in bestehenden Fernwärmenetzen zu untersuchen und ein mögliches nachfolgendes Demonstrationsvorhaben vorzubereiten. Das Vorhaben wird vom Lehrstuhl Energietechnik an der Universität Duisburg-Essen (UDE-LET) in Zusammenarbeit mit der WEP Wärme-, Energie- und Prozesstechnik GmbH (WEP) aus Hückelhoven und dem spezialisierten Bauingenieurbüro W+G Ingenieurgesellschaft mbH aus Dortmund (W+G) durchgeführt.

Hintergrund und Herausforderungen

Die Strategie zur Klimaneutralität der Bundesregierung definiert Wärmenetze und -speicher als zentrale Elemente für eine vollständig erneuerbare Wärmeversorgung. Gemäß dem Wärmepolitikgesetz (WPG) müssen die Betreiber leitungsgebundener Wärmeversorgung ab 2030 mindestens 30 % und ab 2040 mindestens 80 % der jährlichen Nettowärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme bereitstellen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Wärmenetzbetreiber ihre Infrastruktur dekarbonisieren – ein Prozess, der insbesondere durch die saisonale Diskrepanz zwischen Wärmeerzeugung und -bedarf herausgefordert wird.

In Hückelhoven betreibt WEP ein Fernwärmenetz mit einer Trassenlänge von ca. 170 km. Das zentrale Altholz- und Biomasse-Heizkraftwerk am ehemaligen Bergwerk Sophia-Jacoba deckt bis zu 80 % der jährlichen Wärmeerzeugung. Dabei bleibt überschüssige erneuerbare Wärme im Sommer ungenutzt, was ein erhebliches Dekarbonisierungspotenzial verschließt. Die Umnutzung ehemaliger Zechen-Gebäudekomplexe, wie der Kohlenwäscheanlage in Ratheim, bietet eine vielversprechende Lösung: Mit einer theoretischen Speicherkapazität von knapp 140.000 m³, was weit über den Volumina kommerzieller Tankspeicher ist, könnte die überschüssige Sommerwärme in den Winter verschoben und der restliche Anteil am Gesamtwärmebedarf klimaneutral gedeckt werden. Bisher gibt es in Deutschland jedoch noch kein vergleichbares Projekt, das eine solche großskalige Umnutzung von Kohlenwäscheanlagen in urbanen Fernwärmenetzen untersucht.

Ziele des Projekts

Das Mikroprojekt BISAM adressiert eine zentrale Herausforderung der Energiewende: die saisonale Speicherung von Wärme in urbanen Räumen unter Nutzung vorhandener, historischer Infrastruktur. Es verfolgt vier übertragbare Forschungsschwerpunkte.

Erstens wird die grundsätzliche Umnutzungsmöglichkeit der ehemaligen Kohlenwäscheanlage als saisonaler Wärmespeicher untersucht. Dazu gehören eine Bestandsaufnahme, die Entwicklung eines Kriterienkatalogs, die Bewertung der baulichen Ertüchtigungsbedarfe und die Beurteilung der Genehmigungsfähigkeit in Abstimmung mit der zuständigen Behörde (z. B. Bezirksregierung Köln).

Zweitens erfolgt die Konzeptentwicklung für eine funktionierende Anlagentechnik, einschließlich Möglichkeiten zur Druckhaltung, zur Erreichung der erforderlichen Vorlauftemperaturen im Winter (z. B. mittels Wärmepumpe) sowie energetische Betrachtungen der Systemintegration anhand von Kennzahlen und indikativen Berechnungen.

Drittens werden die Auswirkungen einer umfunktionierten Anlage auf den gesamten Anlagen- und Speicherbetrieb mittels Energiesystemanalysen techno-ökonomisch bewertet. Dabei werden Szenarien mit und ohne Speicher verglichen, um den wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen zu quantifizieren.

Viertens wird eine Entscheidungsgrundlage für die Projektrealisierung erstellt, die WEP eine fundierte Entscheidungshilfe liefert. Die methodische Herangehensweise ist iterativ und berücksichtigt Wechselwirkungen zwischen den Arbeitspaketen, um eine zielführende Bearbeitung zu gewährleisten.

Bedeutung für die Energiewende

Das Mikroprojekt BISAM ist ein richtungsweisendes Forschungsvorhaben, das die Transformation urbaner Energiesysteme durch anwendungsorientierte Forschung beschleunigt. Es verbindet theoretische Methoden aus der angewandten Energieforschung mit realer Praxisanwendung und liefert erstmals Entscheidungsgrundlagen für die großskalige Umnutzung ehemaliger Zechen-Gebäudekomplexe als saisonale Wärmespeicher in Fernwärmenetzen. Die Ergebnisse sind übertragbar auf andere ehemalige Zecheninfrastrukturen, insbesondere in Regionen mit historisch bedingter Fernwärmeversorgung.

Durch die Nutzung bereits vorhandener, untergenutzter Infrastruktur wird nicht nur die Dekarbonisierung des Wärmebedarfs gefördert, sondern auch der CO2-Fußabdruck für den Bau von Infrastruktur reduziert. Die Projektidee hat Reallabor-Charakter und könnte ein Leuchtturmprojekt für die Wärmewende in Deutschland werden.

Förderung

Das Mikroprojekt BISAM wird im 8. Energieforschungsprogramm zur angewandten Energieforschung des BMWE gefördert. Dieses Programm fördert anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung im Bereich der Energieversorgung, insbesondere im Fokus auf eine klimaneutrale Wärme- und Kälteversorgung (Mission Wärmewende).