10/2017 – 09/2021 (4 Jahre)

5,0 Mio. EUR

Das TEMPO-Projekt entwickelt technische Innovationen für Niedertemperatur-Fernwärmenetze. Durch die Verringerung der Temperaturen in den Fernwärmesystemen werden Wärmeverluste reduziert und  höhere Anteile an erneuerbaren Energien und Abwärme können zur Wärmeerzeugung eingebunden werden. Die Nutzung dieser Wärmequellen ist entscheidend für die Umwandlung bestehender und den Bau neuer nachhaltiger Fernwärmesysteme.

EU Horizon 2020

• VITO – Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek N.V. (BE) (Koordinator)
• Steinbeis Forschungsinstitut Solites (DE)
• NODA – NODAIS AB (SE)
• AIT – Austrian Institute of Technology GmbH (AT)
• Thermaflex International Holding B.V. (NL)
• OCHSNER Process Energy Systems GmbH (AT)
• Vattenfall Europe Wärme AG (DE)
• ENERPIPE GmbH (DE)
• A2A CALORE & SERVIZI SRL (IT)
• HOGSKOLAN I HALMSTAD (SE)
• EUROHEAT & POWER (BE)

Sechs technologische Innovationen, die zur Minimierung der Temperatur in Fernwärmenetzen beitragen und eine kosteneffiziente Implementierung von Niedertemperaturnetzen ermöglichen, werden in TEMPO zur Marktreife entwickelt:

• Überwachungs-IKT-Plattform
• Visualisierungstools
• Intelligenter DHC-Controller
• Innovatives Rohrleitungssystem
• Optimierung von Gebäudeinstallationen
• Dezentrale Pufferspeicher

Jede der Innovationen kann die meisten Fernwärmenetze individuell aufwerten. Die Hauptstärke dieses Projekts liegt jedoch in der Kombination der einzelnen Technologien zu Lösungspaketen für spezielle Anwendungsbereiche. Drei Lösungspakete sind auf drei verschiedene Anwendungsbereiche zugeschnitten, die in ausgewählten repräsentativen Demonstrationsvorhaben getestet werden:

• Neue städtische Niedertemperatur-Fernwärmenetze
• Neue ländliche Niedertemperatur-Fernwärmenetze
• Bestehende Hochtemperatur-Fernwärmenetze

Das Projekt umfasst folgende Arbeitspunkte:

• Entwicklung der Innovationen und deren Integration in Lösungspakete
• Vattenfall Demonstrator
• Enerpipe Demonstrator
• A2A Demonstrator
• Evaluation und Knowhow-Transfer
• Replikations- und Geschäftsmodelle
• Ergebnisverbreitung und Kommunikation
• Projektmanagement

Solites ist verantwortlich für den Vattenfall Demonstrator und für die individuellen Monitoringkonzepte aller drei Demonstratoren. Dadurch soll eine vergleichbare Bewertung ermöglicht werden. In einer Simulationsstudie für den Enerpipe Demonstrator wird Solites außerdem das ökologische und ökonomische Potenzial des dezentralen Pufferspeicherkonzepts in kleinen DHC-Systemen untersuchen.

Das Projekt TEMPO erstellt Lösungspakete für drei repräsentative Fernwärmenetze, die dort zur Minimierung der Temperatur in Fernwärmenetzen beitragen und eine kosteneffiziente Realisierung von Niedertemperaturnetzen ermöglichen.

Das Monitoring der Demonstrationsvorhaben, die die technologischen Innovationen umsetzen, bildet dann die Grundlage für einen Verbreitungs- und Kommunikationsplan, der die Übertragung dieser Optimierungen auf andere Fernwärmenetze zeigt.

Die einzelnen Berichte zu den Optimierungen und den Ergebnissen werden direkt nach der Fertigstellung auf der Projekt-Webseite verfügbar sein (auf Englisch).

09/2018 – 08/2020 (2 Jahre)

606.000 EUR

Validate Frost betrachtet und evaluiert die „Minus 3 °C Grenze“ als minimale Zulauftemperatur beim Betrieb von Erdwärmesonden, die in den Leitlinien “Qualitätssicherung Erdwärmesonden” (LQS EWS) Baden-Württembergs festgelegt ist.

Förderprogramm “Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung” des Landes Baden-Württemberg

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Universität Stuttgart – Versuchseinrichtung zur Grundwasser und Altlastensanierung (VEGAS) am Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung
• Universität Stuttgart –  Institut für Geotechnik (IGS)

Ziel des Verbund-Forschungsvorhaben Validate Frost ist es, die minimale zulässige Zulauftemperatur von Erdwärmesonden zu ermitteln. Dies geschieht insbesondere unter der Prämisse der Frostvermeidung im Untergrund und im Hinterfüllmaterial, sowie einer ausreichend geringen Systemdurchlässigkeit im Verfüllmaterial und in den Kontaktzonen zwischen Verfüllmaterial und Bohrlochwandung bzw. Sondenrohren. Dabei sollen die im Großversuch des vorangegangenen Forschungsvorhabens “Einfluss des Betriebs von Wärmepumpen auf potentielle Durchfrostung einer Erdwärmesonde – EWS-Frost” ermittelten Ergebnisse auf die Realsituation übertragen werden.

Beim Betrieb von Erdwärmesonden (EWS) können Frost-Tau-Wechsel zu einer nachteiligen Veränderung der Ringraumverfüllung der EWS und des umliegenden porösen Mediums (Boden, Fels) führen. Um einer potentiellen Frostbildung in einer EWS vorzubeugen, wird in Baden-Württemberg in den Leitlinien “Qualitätssicherung Erdwärmesonden (LQS EWS)” die minimale Zulauftemperatur der EWS auf minus 3 °C begrenzt. Diese Minimaltemperatur, festgelegt basierend auf Erfahrungswerten, wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens „Einfluss des Betriebs von Wärmepumpen auf potentielle Durchfrostung einer Erdwärmesonde – EWS-Frost“ in Großversuchen im Nachgang zu der Festlegung experimentell untersucht.

Die Ergebnisse der Großversuche aus dem Forschungsvorhaben EWS-Frost zeigen, dass unter Verwendung der „Minus 3 °C“-Regel bei gewissen Betriebszuständen der EWS eine Frostgefährdung vorliegt.

Für eine fundierte Bewertung der „Minus 3 °C“-Regel sind daher weiterführende Untersuchungen von unterschiedlichen geometrischen sowie material- und betriebsbedingten Randbedingungen einer Erdwärmesonde erforderlich. Die Überlagerung verschiedenster Parameter wie Zulauftemperatur, Wärmeentnahmezeiten, Bohrlochgeometrie, Verfüllmaterialien, Untergrund, Material des Sondenrohres, Strömungsart in den Sondenrohren, Initialtemperatur des Untergrunds etc. ergibt eine Vielzahl an möglichen Szenarien.

Eine experimentelle Untersuchung aller Parameterkombinationen ist weder ökonomisch noch in einem annehmbaren zeitlichen Rahmen durchführbar.

Solites erstellt daher ein geeignetes Simulationsmodell und führt die numerische Ermittlung der minimal zulässigen EWS-Zulauftemperatur zur Frostvermeidung durch. Dabei werden kritische Fälle identifiziert, welche vom Projektpartner VEGAS in mittelskaligen Frost-Experimenten untersucht werden.

• Erstellung und Auswahl eines geeigneten numerischen Simulationsmodells zu den thermischen Verhältnissen in Erdwärmesonden und des umgebenden Untergrunds
• Identifikation kritischer Fälle bei einer Rücklauftemperatur von -3 °C

04/2016 – 03/2020 (4 Jahre)

490.000 EUR

Die Erdwärmesonden-Technik wird heute in großem Umfang als Wärmequelle für erdgekoppelte Wärmepumpen zum Heizen, als Wärmesenke zur Kühlung und als Wärmespeicher zum Heizen oder zum kombinierten Heizen und Kühlen eingesetzt. Mit dieser großen Bandbreite an Anwendungen und der hohen Flexibilität kann die oberflächennahe Geothermie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende liefern.

Aufgrund des Eingriffs in den Untergrund und den sich daraus ergebenden möglichen Folgen für Grundwasser und Boden ist sowohl bei der Planung und beim Bau als auch beim Betrieb geothermischer Anlagen besondere Sorgfalt geboten. Qualitätssicherung in allen Phasen des Anlagenbaus von der Planung bis zur Inbetriebnahme als auch während des Betriebs ist deshalb von besonderer Bedeutung.

Daher werden im Rahmen dieses Vorhabens zentrale Aspekte davon sowohl aus technischer, als auch aus ökologischer und ökonomischer Sicht bearbeitet.

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern)
• Hochschule Biberach – Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW)
• European Institute for Energy Research (EIFER)
• enOware GmbH
• Burkhardt Geologische und Hydrologische Bohrungen GmbH & Co.KG

Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es, wesentliche Fragestellungen zu Erdwämesonden zu untersuchen, welche in der Vergangenheit als Ursache für Probleme bis hin zu massiven Schadensfällen identifiziert wurden, um anschließend Lösungen dafür zu entwickeln.

Das Verbundforschungsvorhaben gliedert sich in sechs Teilprojekte mit Themenschwerpunkten, die von den Projektpartnern in unterschiedlicher Zusammenstellung bearbeitet werden.

In dem von Solites zu erarbeiteten Arbeitspunkt werden zum einen grundlegende Erkenntnisse zur Fehlstellenentstehung im Hinterfüllmaterial in Erdwärmesondenbohrungen aufgezeigt sowie verfahrenstechnische Methoden zur Verbesserung der Verfüllqualität auf ihre Eignung hin untersucht.

Zentrale Aspekte sind hierbei die Untersuchungen der Auswirkungen von Druck und Filtrationsvorgängen auf die Zusammensetzung des Baustoffs im Bohrloch. Außerdem wird untersucht, ob ein Verfahren zur Verdichtung der Bohrlochverfüllung ähnlich der Rütteltechnik bei Beton zu einer Verbesserung der Verfüllqualität führen kann.

Auf Basis des vertieften Verständnisses des Verfüll- und Aushärtevorgangs und der im Projekt hierzu gewonnenen experimentellen Daten werden erste numerische Simulationsmodelle zur Nachbildung des Verfüll- und Aushärtevorgangs von Erdwärmesonden entwickelt und aufgebaut.

Die aus der Betontechnologie bekannten Rütteltechnik konnte keine signifikante Verbesserung der Hinterfüllqualität bewirken.

Derzeit wird untersucht, welche Auswirkungen Filtrationsprozesse im Bohrloch auf die Qualität der Verfüllung haben. Es wird der Frage nachgegangen, ob eine Wasserabgabe zu einer Reduzierung von Fehlstellen beiträgt (siehe Projekt EWS-tech) oder sich aufgrund des Volumenverlustes vermehrt unverfüllte Bereiche bilden.

04/2018 – 09/2019 (1.5 years)

n/a

The overlapping of the energy transition by megatrends such as digitalisation or demographic change requires more than ever integrated problem-solving concepts for the implementation of the energy transition – as here for “Neue Zeche Westerholt“. In addition to the technical aspects, those concepts need to focus on the socio-economic characteristics of the individual regions and municipalities, while taking account of possible changes caused by the megatrends.

Wuppertal Institute and Foundation Mercator

• Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy (lead)
• Ramboll GmbH
• Steinbeis Research Institute Solites
• Richtvert Energy System Consulting
• Bergische Universität Wuppertal -Institute for Democracy and Participation Research
• University of Duisburg Essen – Chair of Energy Technology
• Watergy GmbH
• Environmental Agency of the city of Herten
• Hertener Stadtwerke GmbH
• EnergieAgentur.NRW (Competence Centre for System Transformation and Energy Infrastructure)
• Viessmann Deutschland GmbH

The objective of this subproject is to develop an economically, ecologically and socially optimal heat supply concept for the conversion area of the former Westerholt colliery in Gelsenkirchen-Herten.

The project is focussed on the overall system of heat supply, consisting of network, storage and generation. It aims for a sustainable low temperature supply (LowEx), which can integrate sector coupling technologies and various renewable energy sources such as solar thermal energy, geothermal energy and waste heat sources. Therefore, an integrated analysis of technical-infrastructural as well as socio-economic and socio-cultural implementation requirements is carried out. In addition to intercommunal integration, the project is characterised by a transdisciplinary project consortium (municipality, public utilities, science, networkers, manufacturers and planners).

The results show a system comparison of supply concepts for three lead heat generation technologies (district heating, cogeneration and heat pumps) which will be combined with solar thermal energy. Beside the technical-economical comparison, aspects of ecology and public acceptance are taken into account.

04/2018 – 09/2019 (1,5 Jahre)

k. A.

Die Digitalisierung und der demografische Wandel sind Megatrends, die die Energiewende überlagern. Mehr denn je sind daher integrierte Problemlösungskonzepte für die Umsetzung der Energiewende gefragt. Neben den technischen Aspekten sollen diese Lösungen – hier die Energieversorgung der Neuen Zeche Westerholt – auf die sozio-ökonomischen Charakteristika der einzelnen Regionen und Kommunen eingehen und mögliche Veränderungen durch die Megatrends berücksichtigen.

Wuppertal Institut und Stiftung Mercator

• Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie GmbH (Koordinator)
• Ramboll GmbH (Co-Koordinator)
• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Bergische Universität Wuppertal – Institut für Demokratie- und Partizipationsforschung
• Richtvert Energiesystemberatung
• Universität Duisburg Essen – Lehrstuhl Energietechnik
• Watergy GmbH
• Umweltamt der Stadt Herten
• Hertener Stadtwerke GmbH
• EnergieAgentur.NRW
• Viessmann Deutschland GmbH

Zielsetzung des Teilprojekts ist die Entwicklung eines wirtschaftlich, ökologisch und sozial optimalen Wärmeversorgungskonzepts für die Konversionsfläche der ehemaligen Zeche Westerholt in Gelsenkirchen-Herten.

Im Fokus steht das Gesamtsystem der Wärmeversorgung, bestehend aus Netz, Speicher und Erzeugung. Angestrebt wird eine zukunftsfähige Niedertemperaturversorgung (LowEx), welche Technologien der Sektorkopplung und diverse erneuerbare Energiequellen wie Solarthermie, Erdwärme und Abwärmequellen einbinden kann. Dabei wird eine integrierte Analyse technisch-infrastruktureller sowie sozio-ökonomischer und -kultureller Umsetzungsvoraussetzungen durchgeführt. Neben der interkommunalen Einbindung zeichnet sich das Vorhaben durch ein transdisziplinäres Projektkonsortium aus Kommune, Stadtwerk, Wissenschaft, Technologieentwicklern und Planungsbüros aus.

Die Ergebnisse zeigen einen Systemvergleich von Versorgungskonzepten mit drei Leiterzeugungstechnologien (Fernwärme, BHKW und Wärmepumpe), die alle mit Solarthermie kombiniert werden, auf. Neben dem technisch-wirtschaftlichen Vergleich werden hierbei auch Aspekte der Ökologie, Zukunftsfähigkeit und Akzeptanz berücksichtigt.

09/2018 – 12/2019 (1.25 years)

n/a

In Tübingen, district heating is a modern and environmentally friendly form of heat supply. The district heating system of the Stadtwerke Tübingen (swt) is steadily growing. At the same time the swt invests in a steady improvement of efficiency and ecological quality of the supplied heat. In the frame of this policy, the feasibility of an transformation of the district heating system “Südstadt” into a “District Heating 4.0 System” shall be demonstrated.

Stadtwerke Tübingen

• Stadtwerke Tübingen
• Steinbeis Research Institute Solites
• Engineering Office Sailer
• Engineering Office Bieg
• GeoTerton Engineering Office for Applied Geology
• Data Centre for Supply Networks Wehr GmbH

Within this study concepts shall be developed resulting in high shares of solar thermal energy for the district heating “Südstadt” and following the broad requirements of the funding program “District Heating 4.0” which is provided by the German Office of Econimcs and Export Control.

The study comprises following concepts:

• Lowering of network temperatures
• Integration of solar thermal energy
• Integration of large-scale heat stores
• Digitalisation
• Holistic operation concept

The results will be elaborate in a feasibility study for the swt.

09/2018 – 12/2019 (1,25 Jahre)

k. A.

Fernwärme ist für Tübingen eine moderne und umweltfreundliche Form der Wärmeversorgung. Das Fernwärmenetz der Stadtwerke Tübingen (swt) wächst stetig und ermöglicht dadurch bestehenden wie auch neuen Wohn- und Gewerbegebieten den Anschluss an die Fernwärmeversorgung. Gleichzeitig sorgen die swt dafür, dass die Effizienz der Fernwärmenetze durch stetige Modernisierung erhöht und die Wärmeerzeugung schrittweise auf möglichst CO2-arme Technologien umgestellt wird. Im Zuge der Neuausrichtung der Wärmeerzeugungs- und Wärmeversorgungsstruktur der swt soll für das Fernwärmenetz Südstadt im Rahmen einer Machbarkeitsstudie Möglichkeiten für die Transformation in ein Wärmenetzsystem 4.0 aufgezeigt werden.

Stadtwerke Tübingen

• Stadtwerke Tübingen
• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Ingenieurbüro für Versorgungstechnik Sailer
• Ingenieurbüro für Energietechnik Bieg
• GeoTerton Ingenieurbüro für Angewandte Geologie
• Rechenzentrum für Versorgungsnetze Wehr GmbH

Im Rahmen der Untersuchung sollen entsprechend den breiten Anforderungen des Förderprogramms „Modellvorhaben Wärmenetzsysteme 4.0“ des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Konzepte zur Einbindung möglichst hoher Anteile von Solarthermie in das Fernwärmenetz Südstadt der swt entwickelt und technisch-ökonomisch bewertet werden.

Für das Wärmenetzsystem 4.0 soll folgendes Paket innovativer Maßnahmen untersucht werden:

• Absenkung der Netztemperaturen
• Einbindung solarthermischer Großanlagen
• Pufferwärmespeicher und Großwärmespeicher
• Fernüberwachung von Fernwärmeübergabestationen
• Gesamtbetriebskonzept, das zum einen auf möglichst hohe Anteile aus erneuerbaren Energien und Industrieabwärme abzielt und zum anderen auf einen wirtschaftlichen und strommarktdienlichen Betrieb der KWK-Anlagen

Machbarkeitsstudie für die swt

04/2015 – 08/2016

n/a

TRNSYS simulations for a solarthermal plant of a new district heating system in the German village Mengsberg.

Viessmann Deutschland GmbH

• Steinbeis Research Institute Solites
• Viessmann Deutschland GmbH

The village Mengsberg consists of many listed frame houses which make energetic refurbishment difficult. The community wanted to become independend from fossil fuel imports and decided to build up a renewable heat supply. Because of the participation in the European Village Renewal Prize the project bioenergy village Mengsberg became even more attractive.

In 2012 started the idea of a renewable heat supply of the village and first informative meetings were organized. Viessmann provided a feasibility study based on biogas in 2013. After another year a cooperative (BEG Mengsberg eG) was founded and solarthermal energy as heat source was investigated.

Solites was ordered for TRNSYS simulations for the concept of a large-scale solar thermal plant with heat storage and supported the Viessmann und the BEG Mengsberg eG in their planning process.

In 2017 the contract of the BEG and Viessmann as general contractor for the realisation was signed and the operation of the solarbioenergy village Mengsberg started in 2018.

The solarbioenergy village Mengsberg is characterized by:

• 150 customers with 4.917 MWh/a heat load
• 9244 m of district heating network
• Network temperatures of 85°/55° (winter) and 70°/40° (summer)
• Concept: solarthermal for summer heat load, biomass boiler for base load in winter, biogas boiler for peak load
• Solarthermal: 2950 m² (brutto) flat plate collectors, 300 m³ buffer storage for five to seven days
• Completion of the system and start of operation in November 2018

04/2015 – 08/2016

k. A.

Durchführung von TRNSYS-Simulationen für die Solaranlage des neuen Wärmenetzes für das hessische Dorf Mengsberg.

Viessmann Deutschland GmbH

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites
• Viessmann Deutschland GmbH

In dem Dorf Mengsberg gibt es viele Fachwerkgebäude, die teilweise unter Denkmalschutz stehen und deshalb die energetische Sanierung des Ortes erschweren. Die Dorfgemeinschaft wollte jedoch unabhängig von fossilen Energieimporten werden und beschloss, eine regenerative Wärmeversorgung aufzubauen. Durch die Teilnahme am Europäischen Dorferneuerungspreis 2014 wurde das Projekt Bioenergiedorf Mengsberg zusätzlich interessant.

2012 wurde die Idee einer regenerativen Wärmeversorgung des Ortes geboren und erste Informationsveranstaltungen initiiert. Viessmann erstellte 2013 eine Machbarkeitsstudie auf Basis von Biogas. Ein Jahr später wurde die Energiegenossenschaft (BEG Mengsberg eG) gegründet und Solarthermie als Wärmequelle untersucht.

In den darauffolgenden Jahren wurde Solites für die Konzeption einer großflächigen Solarthermieanlage mit Wärmespeicher beauftragt. Solites verantwortete die TRNSYS-Simulationen und war beratend in der Planung für Viessmann und die BEG tätig.

Im Jahr 2017 wurde der Vertrag zur Umsetzung des Projektes durch die Viessmann Deutschland GmbH als Generalunternehmer unterzeichnet und ein Jahr später ging das Sonnen- und Bioenergiedorf Mengsberg in Betrieb.

Folgende Anlagen- und Betriebsdaten wurden im Bioenergiedorf Mengsberg realisiert:

• 150 vertragliche Anschlussnehmer mit 4.917 MWh Nutzwärmebedarf
• Versorgung über ein 9244 m langes Nahwärmenetz (KMR-Duo-Rohr)
• Netztemperatur gleitend 85°/55° (Winter) bzw. 70°/40° (Sommer)
• Anlagenkonzept: Solarthermie für die sommerliche Wärmeversorgung, Holzhackschnitzel-Kessel für die Grund- und Hauptlast im Winter, Bio-Propan-Kessel für Redundanz und Spitzenlast
• Solarthermie: 2950 m² (brutto) Flachkollektoren, 300 m³ Pufferspeicher für fünf bis sieben Tage
• Fertigstellung Gesamtnetz und Gesamtabnahme im November 2018

08/2018 – 05/2019

n/a

Analysis of whether a thermal energy storage can increase the self-generated electric energy consumption at KIT Campus Nord on condition that the resulting thermal energy by generating electricity is used in the system completely.

Karlsruher Institute of Technology (KIT)

• Steinbeis Research Institute Solites
• Karlsruher Institute of Technology

The objective of this study is to find out whether a thermal energy storage can increase the self-generated electric energy consumption at Campus Nord. The resulting thermal energy by generating electricity should be used in the system completely. Recommendation are done of target variants, which are determined by technical, economic and ecological assessments.

During the project following assignments are worked on:

• Investigation of the current operation of the heat supply at Campus Nord and determination of possible optimization potentials
• Evaluation of measurement data from the heat supply of Campus Nord
• Generating of a load-profile which contain electricity and heat consumption, that will be expected in the future
• Analysis of the geological situation at Campus Nord
• Identification of possible types and locations of the heat storage
• Rough dimensioning of the seasonal heat storage  by dynamic system simulation
• Simulation study and feasibility study

Objective of this study was to find out whether a thermal energy storage can increase the self-generated electric energy consumption at Campus Nord. The resulting thermal energy by generating electricity should be used in the system completely. The developed variants are determined by technical, economic and ecological assessments. KIT owns the results.