Klimaschutz und Klimaanpassung

Regenwasser und Wärme speichern und nutzen mit der Energiezisterne

Eine Energiezisterne ist ein kompaktes, sektorenübergreifendes System, das Regenwasser in mehrfacher Hinsicht nutzbar macht. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde das Konzept anhand eines digitalen Zwillings simulativ abgebildet. Ein neu installierter Prototyp durchläuft derzeit einen Monitoringprozess.

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Skizzierte Darstellung des Energiezisternensystems Bild: Consolinno Energy/Lebmeier
Skizzierte Darstellung des Energiezisternensystems Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Im Zuge des Klimawandels werden Extremwetterereignisse wie Starkregen und Dürreperioden, wie sie bereits in den letzten Jahren verstärkt zu beobachten waren, weiter zunehmen. Neben präventiven Klimaschutzmaßnahmen ist daher eine effiziente Anpassung von Strategien zur Schadensminimierung notwendig.

Eine dieser Strategien ist eine neue Art der Sektorenkopplung, wie sie die Energiezisterne ermöglicht. Das im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojektes (ZIM: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand des BMWK, Fördernummer: 16KN085525) entwickelte Konzept kombiniert die Bereitstellung von Wärme für die Heizung und Trinkwassererwärmung wie auch Kühlung mit der Niederschlagswasserspeicherung, -nutzung und -versickerung (Bild 1). Es ist eine effiziente und platzsparende Lösung für verschiedenste Fragestellungen hinsichtlich zukünftiger Transformationsstrategien.

Projekt- und Systembeschreibung

Das in der Zisterne gespeicherte Wasservolumen und das umliegende Erdreich fungieren als Energiespeicher und thermische Quellensysteme zum Betrieb einer Wärmepumpe. Im Vergleich zu entkoppelten Ansätzen, bei denen beispielsweise flächig verlegte Erdwärmekollektoren und eine herkömmliche Zisterne separat geplant werden, lässt sich bei der Energiezisterne ein System mit kompakter Bauweise realisieren, das Wärmegewinnung und Regenwassernutzung integriert. Dies ermöglicht einen flächendeckenden Einsatz der Energiezisterne bis hin zu städtischen Quartieren mit starker Wohnraumverdichtung. Das Konzept kann einen relevanten Beitrag zur Energiewende sowohl im Wärmesektor als auch im Bereich der Wasserwirtschaft leisten.

Neben der Trinkwassereinsparung durch die Regenwassernutzung kann die Energiezisterne zudem kommunale Kanalsysteme entlasten. Die Bereitstellung von Retentionsraum ermöglicht es, den bei Starkregenereignissen anfallenden hohen Mengen Niederschlagswasser zum einen temporär Raum zu gewähren und zum anderen, es dann in Trockenperioden zur Nutzung bereitstellen zu können. Als dezentrales Element der Wasserbewirtschaftung bieten Energiezisternen potenzielle lokale Puffervolumen, die den Kanalabfluss sowohl in der Abflussmenge als auch in der Abflussspitze begrenzen.

Als Teil des Gesamtkonzeptes wird außerdem ein Versickerungselement im direkten Umfeld der Zisterne installiert, das die Versickerungsleistung und dadurch die Grundwasserneubildung sowie den Wassergehalt des Bodens steigert. Ein höherer Bodenwassergehalt fördert wiederum die Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens und damit wird eine effizientere Nutzung des geothermischen Potenzials über die Betonwandung der Energiezisterne möglich. Als weitere Energiequelle und Retentionsraum wird das umliegende Erdreich genutzt. Zudem wird ein Heimenergiemanagementsystem (Consolinno HEMS) eingesetzt. Anhand von Erzeugungs- und Verbrauchsprognosen lokaler PV Anlagen, Ladebedarfe und Wärmebedarfe optimiert es über eine zentrale Steuerung Stromverbraucher wie Wärmepumpe, Energiespeicher und E-Ladeeinrichtungen.

Das Konzept und die Dimensionierung der Energiezisterne werden mittels Simulationen überprüft. Zusätzlich wird ein Prototyp der Energiezisterne anhand eines Praxistests untersucht.

Aufbau eines digitalen Zwillings

Dieser Beitrag zeigt u.a. die Entwicklung eines digitalen Zwillings, der zum großen Teil in einer Masterthesis 2022 bei Consolinno Energy erarbeitet wurde /1/. Das Rechenmodell ist ein auf physikalischen Gesetzen basierendes virtuelles Abbild der Realität und besteht aus mehreren gekoppelten Submodellen, die über eine zentrale Eingabemaske gemäß der lokalen Randbedingungen (wie z.B. Vegetation oder Bodentiefenprofil) parametrisiert werden. Zur Abbildung zeitvariabler Einflüsse werden historische Wetterdaten sowie auf deren Grundlage berechnete Mengen- und Lastprofile (Heizen, Trinkwarmwassererzeugung und Brauchwasserbedarf) als Jahreszeitreihen in das Modell eingepflegt (Bild 2). Bei ausreichender Datenlage ermöglichen die Rechenmodelle eine simulative Abbildung der Energiezisterne an jedem gewünschten Standort der Nordhalbkugel.

2 - Übersicht der vernetzten Submodelle im digitalen Zwilling der Energiezisterne Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Basierend auf dem Massenerhaltungssatz verschaltet das Wasserbilanzmodell (Bild 3) alle abflussrelevanten Komponenten der betrachteten Fläche und ermittelt den Füllstand der Zisterne, die zum Versickern verfügbare Wassermenge, den Kanalabfluss und die notwendige Trinkwassernachspeisung zu jedem Simulationszeitschritt. Als Inputgrößen werden die Niederschlagszeitreihe des jeweiligen Ortes und ein geeignetes Brauchwasserbedarfsprofil verwendet.

3 - Schematische Darstellung des Wasserbilanzmodells Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Wasser wird dem System durch die Nutzung aber auch durch Verdunstung und Versickerung entzogen. Zugleich beeinflusst die Wasserverfügbarkeit aus dem Wasserbilanzmodell die Berechnungsmuster der Evapotranspiration (Gesamtverdunstung einer bewachsenen Fläche) und der Versickerung im Bodenmodell. Die direkte Abhängigkeit erfordert daher eine Vernetzung der Submodelle über ihre Systemgrenzen hinaus.

Die Evapotranspiration berücksichtigt eine Verdunstung über freien Flächen und über die Spaltöffnungen der Pflanzen sowie die Verdunstung des an der Pflanzenoberfläche zurückgehaltenen Wassers. Bei der Berechnung des Summenparameters wird auf die Methode nach Penman-Monteith /2, 3, 4/ inklusive einer Tag/Nacht-Unterscheidung über den Stomatawiderstand /5/ zurückgegriffen. Je weiter der pflanzenverfügbare Wassergehalt im Boden sinkt, desto schwerer ist es für die Pflanzen dieses zu nutzen. Dies hat einen steigenden Widerstand der Spaltöffnung zur Folge.

Im Bodenmodell wird das über die Pflanzenwurzeln aufgenommene Wasser, je nach Wurzeltiefe der Vegetation, im oberen Bereich berücksichtigt. Das Modell verfügt über 15 definierte Bodenschichten, die eine Kette an Berechnungsschritten durchlaufen. Der Wassertransport unter den verketteten Schichten basiert auf einer Kombination der Druck-Sättigungsfunktion nach van Genuchten und der Richardsgleichung /6/. Hierfür wird das hydraulische Potenzial benachbarter Schichten ermittelt, woraufhin sich eine Versickerungsbewegung oder eine Saugspannung einstellt. Aus den Wasserbewegungsgleichungen und ggf. der Wasseraufnahme über die Pflanzenwurzeln lässt sich zu jedem Zeitschritt ein volumetrischer Bodenwassergehalt jeder Schicht ableiten.

Die Wärmeleitfähigkeit von Böden ist in erster Linie vom Bodentyp und der Zusammensetzung des Dreiphasensystems (fest, flüssig, gasförmig) abhängig. Zur Bestimmung des Parameters wird auf das Verfahren von Kersten zurückgegriffen /7, 8/, das eine direkte Abhängigkeit zum Wasseranteil aufzeigt. Ein höherer Wassergehalt des Bodens führt somit zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit der jeweiligen Schicht und begünstigt dadurch die Wärmeübertragungsmechanismen.

Begriffserklärung

Evapotranspiration

Penman-Monteith Berechnungsmethode: International weit verbreiteter, komplexer Ansatz zur Berechnung der Verdunstung unter Berücksichtigung der von Monteith integrierten Verdunstungswiderstände, die es ermöglichen die Formel auf bepflanzte oder freie Flächen anzuwenden /2, 3, 4/.

Stomata-Widerstand: An den elektrischen Widerstand angelehnte Berechnungskomponente zur Berücksichtigung der für Pflanzen relevanten Einflussfaktoren wie Wasserverfügbarkeit und Tag-/Nacht-Unterscheidung /5/.

Wassertransport im Boden

Richard-Gleichung: beschreibt die Bewegung des Wassers in ungesättigten Böden mittels der hydraulischen Leitfähigkeit, des Matrixpotenzials und der Referenzebenen /6/.

Wärmeleitfähigkeit von Böden

Verfahren von Kersten: Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Böden, in Abhängigkeit deren Zusammensetzung und Wassergehalt /7, 8/.

Im Wärmemodell (Bild 4) werden die Bodenschichten zu einer Matrix definiert, was einem Netz aus Wärmeübertragungswegen gleichkommt. Die Energieströme zwischen den Systemgrenzen der Matrixelemente und des gespeicherten Regenwassers in der Zisterne werden nach den Regeln der Thermodynamik berechnet. Dies ermöglicht die zeitliche Darstellung eines horizontalen und vertikalen Wärmestromprofils im umliegenden Erdreich.

Ebenso wird die Wassertemperaturschichtung der Energiezisterne als Zeitreihe ermittelt. Das Modell basiert ebenfalls auf übereinander angeordneten Schichten, die als einzelne Pufferspeicher betrachtet werden.

4 - Schematische Darstellung der Matrix im Wärmemodell Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Um dynamische Effekte abzubilden, wird das Zisternenmodell bidirektional über eine FMU-Schnittstelle (FMU: Functional_Mock-up_Interface) mit dem Open-Source Wärmepumpensystemmodell ModHPS gekoppelt /9, 10/. Dabei fungiert der in der Energiezisterne integrierte Helix-Rohrbündelwärmeübertrager als Schnittstelle zwischen den Modellen. Übergabeparameter sind die Fluidtemperaturen des Vor- und Rücklaufs des Wärmeübertragers sowie der Fluidvolumenstrom. Die Modellkopplung berücksichtigt die Regelung der Wärmepumpe und dessen Einsatzgrenzen sowie den Phasenwechsel des Zisternenwassers von flüssig zu fest und die dabei freiwerdende Kristallisationsenthalpie. Zur Vermeidung von Frostsprengungen am Zisternenkörper ist eine dafür entwickelte Regelungslogik im Zisternenmodell integriert.

Simulationsergebisse

Nach einer Plausibilitätskontrolle der Simulationskette anhand von Literaturwerten wurde das Verhalten der Energiezisterne anhand verschiedener Systemkonfigurationen untersucht.

Die Auswirkungen des Konzepts auf die Wasserbilanz wurden über den Szenarienvergleich (Bild 5) eines Wohnquartiers betrachtet, bei dem der Ist-Zustand durch eine 40 m3 große Energiezisterne und einer Sickermulde (50 m²; Einstauhöhe: 0,3 m) erweitert wurde. Durch die Brauchwassernutzung können 85 % des Brauchwasserbedarfs durch Niederschlagswasser gedeckt werden, wodurch der Trinkwasserbedarf erheblich reduziert wird. Zudem wurde die Versickerungsleistung mit der Mulde um das Vierfache gesteigert, was die Evapotranspiration aufgrund der höheren Wasserverfügbarkeit fördert. Aufgrund der Wassernutzung und der Versickerung reduziert sich der Kanalabfluss um 95 %. Zugleich kann die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Bodens um 20 % und die durch Regenwasser eingetragene Wärmemenge um 10 % erhöht werden.

5 - Szenarienvergleich der Wasserbilanz Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Mittels eines einstündigen Starkregenprofils (Bild 6) konnte eine Reduktion der Abflussmengen und -spitzen in Abhängigkeit des verfügbaren Retentionsraums simuliert werden. Das Ergebnis zeigt, dass bereits halb gefüllte Retentionsräume eine große Pufferwirkung besitzen. Zukünftig werden Wetter- und Bedarfsprognosen die Zisternenfüllstände mitunter an Extremwetterereignisse anpassen, so dass sie eine maximale Effizienz im Betrieb und Sicherheit erreichen.

6 - Abbildung des Starkregenprofils in Abhängigkeit des verfügbaren Retentionsraums Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Zur Abschätzung des energetischen Potenzials der Energiezisterne wurde die Wärmeversorgung (Raumwärme und Trinkwarmwasserbereitstellung) eines Bestandsgebäudes mit 150 m2 Wohnfläche simuliert (Bild 7). Mit einer über die 11 m3 große Energiezisterne bereitgestellten Gesamtwärmemenge von 3.100 kWh (aus Abkühlung und teilweiser Vereisung des Zisterneninhalts) lässt sich der jährliche Wärmebedarf von 9.000 kWh zu ca. 30 % decken. Somit kann die Erdwärmekollektorfläche um 30 % reduziert werden. Der Erdwärmekollektor wird damit zwingend als zweite Wärmequelle benötigt. Bei der Betrachtung eines KFW-40-Hauses in gleicher Dimension lassen sich jedoch allein über die Energiezisterne bis zu 70 % des Wärmebedarfs decken.

7 - Wärmeversorgung (Heizen & Trinkwarmwasser) eines Bestandsgebäudes mit der Energiezisterne Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Die Energiezisterne im Praxistest

Der erste Prototyp der Energiezisterne mit 11 m3 Fassungsvermögen wurde an einem Testfeld verbaut und mit einem dreilagigen Erdkollektor kombiniert. Um die Simulationen mit realen Messwerten vergleichen und validieren zu können, wurde ein Monitoringkonzept entwickelt und installiert. Dabei dienen PT1000-Temperaturfühler sowohl zum Aufzeichnen der Umgebungstemperatur und der Wassertemperaturschichtung in der Zisterne als auch zur Ermittlung der Temperaturänderungen im Erdreich. Zwei in der Nähe des Helix-Wärmeübertragers liegende Temperaturfühler werden zur Überprüfung der Frostsicherheit genutzt. Bei Unterschreitung der 0,5 °C-Grenze wird ein Stellventil angesteuert, das den Erdkollektor anstelle der Energiezisterne in den Primärkreislauf der Wärmepumpe einbindet. Die smart-grid fähige Sole-Wasser-Wärmepumpe wird für den Heiz- und Kühlbetrieb eingesetzt und über den zentralen Optimierer im Energiemanagementsystem angesteuert.

Der Füllstand der Zisterne wird über zwei Schwimmerschalter und einen Ultraschallsensor kontrolliert. Ein Wärmemengenzähler liefert die aktuellen Leistungswerte im Primärkreis der Wärmepumpe. Mittels der ausgelesenen Ventilstellung werden die Entzugsleistungen aus der Energiezisterne und den Erdwärmekollektoren ermittelt.

Die Messwerte bilden sowohl die Korrelation zwischen Wärmepumpenbetrieb und Änderung der Zisternentemperatur als auch den zeitverzögerten Einfluss der Außenlufttemperatur auf das Erdreich erwartungsgemäß ab. Anhand der aufgenommenen Messwerte sollen neben der Überprüfung der Energiezisternendimensionierung auch die Teilmodelle des digitalen Zwillings validiert werden. Dazu wird ein einjähriger Monitoringzeitraum angestrebt, der eine Datensammlung über die Heizperioden und Regenerationszeiten von Zisterne und Erdreich zulässt (Bilder 8 und 9).

8 - Ausschnitt der Leistungs- und Energieübersicht im Monitoring Bild: Consolinno Energy/Lebmeier
9 - Ausschnitt der Zisternen- und Bodentemperaturen im Monitoring Bild: Consolinno Energy/Lebmeier

Ausblick

Durch den sektorenübergreifenden Ansatz der Energiezisterne lassen sich Klimaschutz- und Klimaanpassungsmaßnahmen auf engsten Raum realisieren. Eine flächendeckende Umsetzung als Teil der Stadtplanung kann zukünftig sowohl die Wärmewende voranbringen als auch bei der Bewältigung von Starkregen und Trockenperioden unterstützen. Die Einbindung von Wetterprognosen soll zudem einem Nutzungskonflikt der einzelnen Sektoren vorbeugen, indem der Zisternenfüllstand den priorisierten, prognostizierten Bedarfen bzw. Ereignissen angepasst wird.

Mall Umweltpreis 2023

Andreas Lebmeier ist Preisträger des Mall Umweltpreises Wasser der Roland Mall-Familienstiftung, der 2023 zum ersten Mal vergeben wurde. Die Preisverleihung fand im Juni in Donaueschingen statt. Der Mall-Umweltpreis Wasser, der sich an Studierende von Hochschulen in Deutschland, Österreich und der Schweiz richtet, wurde an sechs Preisträgerinnen und Preisträger in den Kategorien Dissertation, Master- und Bachelorthesis verliehen. Der Gesamtumfang der Preisgelder betrug 16.000 Euro.

Andreas Lebmeier entwickelte in seiner Masterthesis an der Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen mit der Energiezisterne ein komplexes Modell zur Bemessung einer dezentralen Niederschlagswasserbehandlung auf Quartiersebene. Mehr dazu unter kurzelinks.de/iigk.

 

Literaturhinweise

Berlin
Das Grundwasser im Berliner Untergrund birgt ein enormes energetisches Potenzial. Durch Wärmepumpen kann es zu Zwecken der Wärmeversorgung nutzbar...

M.Sc. Sebastian Weck-Ponten

M.Sc. Sebastian Weck-Ponten

M.Sc. Michael Riebesecker

M.Sc. Michael Riebesecker

M.Eng. Andreas Lebmeier

M.Eng. Andreas Lebmeier
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· Artikel im Heft ·

Regenwasser und Wärme speichern und nutzen mit der Energiezisterne
Seite 12 bis 17
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