Erneuerbare Wärme aus Grundwasserreinigungsanlagen

Das Grundwasser im Berliner Untergrund birgt ein enormes energetisches Potenzial. Durch Wärmepumpen kann es zu Zwecken der Wärmeversorgung nutzbar gemacht werden und so eine klimafreundliche Wärmequelle darstellen. Für die Erschließung müssen jedoch zunächst Brunnen, Leitungen, Pumpen und teilweise auch Wasseraufbereitungsanlagen gebaut werden. Dies alles erfordert entsprechende Investitionen und Betriebsaufwand und beinhaltet ein geringes Restrisiko im Hinblick auf tatsächlich erzielbare Fördermengen und Grundwasserbeschaffenheit.

An einer Reihe von Standorten wird jedoch bereits Grundwasser gefördert und sogar vorgereinigt und ist dann an der Oberfläche gesichert verfügbar, nämlich an Anlagen zur Reinigung von belastetem Grundwasser. Hier könnten ähnliche Wärmenutzungskonzepte etabliert werden wie sie z. B. mittlerweile im öffentlichen Abwassersystem gibt.

Nach positiven Erfahrungen mit einer bereits umgesetzten Anlage in München /1/ untersucht das Ingenieurbüro Team für Technik das Potenzial solcher Anlagen für Berliner Gegebenheiten. Dazu entstand u. a. eine Masterarbeit /2/. Das Prinzip ist einfach: Wasser aus bestehenden Grundwasserreinigungsanlagen (GWRA) wird nach der Reinigung zusätzlich thermisch genutzt: als Wärmequelle für eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe, die Verbraucher mit Wärme versorgt.

Altlastensanierung in Berlin

Neben der Gefahrenabwehr beim Trinkwasserschutz und der Sicherung gesunder Wohn- und Arbeitsverhältnisse ist die nachhaltige Beseitigung schädlicher Bodenverunreinigungen ein Schwerpunktthema des Umweltschutzes in Berlin.

Die erfolgreiche Sanierung von Boden und Grundwasser stellt die Versorgung der Bevölkerung mit sauberem Trinkwasser sicher und gewährleistet eine dauerhafte Verfügbarkeit der Flächen für Gewerbe, Industrie, Wohnungsbau oder Naherholung. Altlastensanierung trägt so zu einer nachhaltigen Stadtentwicklung bei.

Durch die Industrialisierung seit Mitte des 19. Jahrhunderts – Berlin war einmal eine der größten Industriestädte Europas – existieren eine Vielzahl ehemaliger Gewerbe- und Industriestandorte mit Altlasten. Im Laufe der Zeit kam es hier durch den unsachgemäßen Umgang mit umweltgefährdenden Stoffen, Havarien und/oder Kriegseinwirkungen zu zum Teil erheblichen Boden- und Grundwasserverunreinigungen.

Derzeit sind im Berliner Bodenbelastungskataster 11.128 schädliche Bodenveränderungen, Verdachtsflächen oder altlastenverdächtige Flächen (Stand Februar 2020) erfasst. Darunter befinden sich 9.436 Branchenstandorte und 1.692 sonstige Flächen, die sich auf Altablagerungen, Unfälle und Abwasserverwertungsflächen verteilen.

Schwerpunkte der Altlastensanierung der letzten Jahrzehnte waren zum einen Maßnahmen zur akuten Gefahrenabwehr zum Schutz der Trinkwasserversorgung und zum anderen Sanierungen im Zusammenhang mit Baumaßnahmen für Gewerbe- und Industrieansiedlungen. Im Rahmen des Freistellungsverfahrens nach Umweltrahmengesetz – und hier insbesondere im ökologischen Großprojekt „Industriegebiet Spree“ Berlin (Stadtbezirke Treptow-Köpenick und Lichtenberg) – können beide Ziele ideal verbunden werden.

Vorrangige Ziele sind auch künftig:

• Schutz der Trinkwasserversorgung u. a. durch Sanierung der belasteten Transferpfade und an belasteten Förderbrunnen der Wasserwerke
• Gefahrenabwehrmaßnahmen auf den Eintragsgrundstücken und Sicherung des Grundstücksabstroms
• umfangreiche Kontrollmaßnahmen durch spezifizierte Messprogramme im Grundwasser
• Beseitigung von Investitionshürden bei der Revitalisierung und Umnutzung von Industrie- und Gewerbeflächen für den Wohnungsbau.

Die Kosten für eine Altlastenerkundung und -sanierung, die i. d. R. der Verursacher bzw. Grundstückseigentümer tragen muss, sind zum Teil erheblich. Eine Ausnahme bildet das Freistellungsverfahren, bei dem der Bund und das Land Berlin den Großteil der Finanzierung übernehmen. Ein weiterer Sonderfall sind Gefahrenabwehrmaßnahmen, zu denen kein Sanierungspflichtiger herangezogen werden kann, sei es aufgrund unzureichender Liquidität oder weil die Ursache der Kontamination nicht bekannt ist. In diesen Fällen werden Ersatzvornahmen mit Landeshaushaltsmitteln durchgeführt.

Im Schwerpunktprojekt der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz, Referat II C „Bodenschutz, Boden-, Altlasten- und Grundwassersanierung“, dem Ökologischen Großprojekt „Industriegebiet Spree“ Berlin, wurden in den letzten 25 Jahren ca. 30 Grundwasserreinigungsanlagen errichtet, von denen zwischenzeitlich 20 Anlagen aufgrund erfolgreicher Sanierungen rückgebaut werden konnten. Bis Ende 2020 wurden knapp ca. 200 Mio. m³ Grundwasser gefördert, gereinigt und primär in die Vorflut eingeleitet. Die Förder- und Reinigungsleistungen der aktuell in Betrieb befindlichen Anlagen belaufen sich auf insgesamt ca. 940 m³/h. Für Gefahrenabwehrmaßnahmen der Senatsverwaltung insgesamt wird mit einem Reinigungsbedarf an kontaminierten Grundwässern von rd. 10 Mio. m³/a kalkuliert.

Die Grundwasserreinigung wird in Berlin mit erheblichem technischem Aufwand betrieben. In den meisten Fällen werden Verfahren eingesetzt, bei denen kontaminiertes Grundwasser an die Oberfläche gepumpt wird, um in Reinigungsanlagen die Schadstoffe zu entfernen. Danach wird das Wasser in den Untergrund reinfiltriert, in die Regenwasserkanalisation oder in Oberflächengewässer eingeleitet.

Das gereinigte Wasser ist damit direkt zugänglich. Hier ist der erwähnte wesentliche Unterschied zu üblichen Grundwassernutzungen erkennbar. Die Anlagen zur Grundwasserförderung sind bereits genehmigt und gebaut. Für das Wasser sind Fördermenge und Beschaffenheit bekannt. Außerdem ist das Reinwasser von einigen Stoffen befreit, die für Anlagenteile schädlich sein können.

Für Grundwassereigenschaften wie in Berlin – mit erhöhtem Eisen- oder Mangangehalt – gilt zusätzlich: Um mögliche verockerungsbedingte Zusetzungen in der Brunnenanlage aufgrund erhöhter Eisen- oder Mangankonzentrationen im Grundwasser kümmert sich ggf. schon der GWRA-Betreiber im Rahmen seiner Reinigungs- und Regenerationsprozesse. Sie finden also unabhängig von der Wärmepumpe statt und belasten deren Betrieb wirtschaftlich nicht.

Technische und rechtliche Umsetzbarkeit

Die Grundwassernutzung aus GWRA für Wärmepumpen ist keine neue Idee; in Deutschland wurden bereits Projekte umgesetzt. In Bild 3 ist das Prinzip erklärt: Das Wasser aus der GWRA wird der Wärmepumpe (WP) zugeführt, gibt hier seine Wärme ab und wird anschließend in ein Oberflächengewässer oder einen Schluckbrunnen eingeleitet. Die Wärmepumpe beheizt dann nahegelegene Gebäude.

Aus technischer Sicht steht dem Vorhaben, bis auf die erwähnte Wasserqualität, nichts im Wege. Die Technologie ist innerhalb geeigneter Temperaturbereiche ausgereift und kann auf standortspezifische Parameter ausgelegt werden.

Die Nutzung von Grundwasser ist rechtlich betrachtet aus gutem Grund ein sensibles Thema. Hier soll Grundwasser für den Betrieb von Wärmepumpen ausgekühlt – und damit in seine Temperatur eingegriffen werden. Ob und in welchem Rahmen diese Nutzung in Berlin gestattet ist, ist natürlich entscheidend für die Umsetzbarkeit. Hier ergibt sich eine Herausforderung: Da ein solches Projekt in Berlin bisher nicht umgesetzt wurde, hat sich in der Verwaltungspraxis noch keine Handhabung etabliert. Um dennoch eine vorläufige Aussage über die genehmigungsrechtliche Umsetzbarkeit zu ermöglichen, wurden zunächst die Vorgaben für die Nutzung von Geothermie in Berlin, z. B. zur zulässigen Auskühlung, herangezogen. Mögliche rechtliche Vorteile für GWRA-Wärmepumpen sind dabei berücksichtigt: So kann etwa in Trinkwasserschutzgebieten die Nachrüstung von Wärmepumpen zu bestehenden GWRA zulässig sein, während Wärmepumpen mit eigener Grundwasserförderung oder Erdsonden es nicht sind. Auf dieser Basis wurden mögliche Anforderungen mit der zuständigen Behörde diskutiert. Auf Basis der ersten Diskussionsergebnisse scheint eine weitere Genehmigung über die bestehende GWRA hinaus nicht erforderlich zu sein. Allerdings ist diese Aussage noch vorläufig, so dass die zuständigen Behörden immer frühzeitig ins Projekt eingebunden werden sollten.

Eine Fallstudie in Berlin

Um das Konzept zu konkretisieren, wurde für eine reale GWRA im Berliner Stadtteil Niederschöneweide eine Fallstudie erarbeitet. Die Studie untersucht die Möglichkeit, zwei in der Nähe der GWRA in Planung befindliche Gebäude durch Wärmepumpen zu beheizen. Dabei soll das Reinwasser aus der GWRA als Wärmequelle für zwei Wärmepumpen dienen.

In den geplanten Gebäuden sind aus technischen Gründen zwei verschiedene Übergabetechnologien für die Beheizung mit jeweils unterschiedlichen Vorlauftemperaturen vorgesehen: Im Hochtemperaturkreis 70 °C, im Niedertemperaturkreis 40 °C. Aus diesem Grund wurden zwei Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus und dazu passend zwei Wärmepumpen mit jeweils etwa 190 kW Heizleistung ausgelegt. Ein Absicherungskonzept, z. B. für die Rückspülzeiten der GWRA, wurde erstellt.

Der Heizwärmebedarf der beiden Gebäude beläuft sich auf ca. 700 MWh jährlich. Die benötigte Energie der Wärmepumpen wurde mit Wetterdaten eines Testreferenzjahres im Zusammenhang mit den Anlagenkennwerten für jede Stunde eines Jahres ermittelt (Bild 5).

Diese ersten Berechnungen ergeben, dass GWRA und Wärmepumpen den Bedarf decken können. Der größte Anteil (587 MWh) wird dabei dem Grundwasser entzogen. Außerdem werden 114 MWh bzw. 19 MWh elektrische Energie für den Betrieb der Wärmepumpen bzw. Grundwasserpumpen benötigt. Die Wärmepumpe, die den Heizkreis mit der niedrigeren Vorlauftemperatur versorgt, erreicht danach eine Jahresarbeitszahl von 6,0, die zweite Wärmepumpe eine JAZ von 4,7.

Das Konzept wurde in einem Variantenvergleich einer Beheizung durch Fernwärme gegenübergestellt. Hierbei wurden Kosten und CO₂-Emissionen betrachtet.

Der Vergleich zeigt, dass die Gesamtkosten über 20 Jahre bei beiden Varianten in der Fallstudie ähnlich sind. Allerdings setzen sich die Kosten unterschiedlich zusammen: Bei der Versorgung durch Fernwärme entfällt der größte Teil der Kosten auf die Energiebezugskosten, die Investition ist eher gering. Bei der Verwendung von Wärmepumpen sind die Investitionen höher. Die thermische Energie aus dem Grundwasser steht allerdings kostenfrei zur Verfügung. Deshalb fallen im Betrieb lediglich Stromkosten an.

Unter Berücksichtigung des BAFA-Förderprogramms „Heizen mit Erneuerbaren Energien“ mit Fördersätzen bis zu 35 % liegen die Gesamtkosten der GWRA-Wärmepumpe in der Fallstudie über 20 Jahre jedoch deutlich niedriger als die der Fernwärmeversorgung.

Bei Einsatz von Wärmepumpen sinken zudem die CO₂-Emissionen, im betrachteten Fall um 40 %: Bei der Beheizung durch Fernwärme liegen sie bei über > 90 t/a, bei der Nutzung der GWRA-Wärmepumpen bei lediglich 53 t CO₂/a. Die thermische Nutzung von Grundwasser aus der GWRA könnte somit ihren Teil zur Erreichung der Klimaziele von Berlin beitragen und zugleich der Erwärmung des Grundwassers etwas entgegenwirken.

Potenzial in Berlin

Im Projekt wurden weitere Anlagen in Berlin identifiziert, die für eine thermische Nutzung geeignet sind. Hierfür sind drei Kriterien maßgeblich:

• Geeigneter Standort: Sind in ausreichender Nähe der Anlage geeignete Abnehmer für die Wärme vorhanden?
• Ausreichende Laufzeit: Hat die GWRA eine ausreichend hohe Restlaufzeit für eine wirtschaftliche Auskopplung?
• Genügend Durchsatz und Bedarf: Je größer der Wasserdurchsatz der GWRA und je größer zugleich die ausgekoppelte Wärmemenge, desto geringer sind die spezifischen Kosten für ausgekoppelte Wärme.

In Zusammenarbeit mit der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz, die einen großen Teil der Reinigungsprojekte in Berlin beauftragt, wurden bislang 18 Standorte identifiziert, die unter den o. g. Kriterien grundsätzlich in eine engere Auswahl kommen. Allein diese Anlagen haben unter den Ansätzen der Fallstudie eine theoretische Heizleistung von 6,6 MW. Darunter befinden sich einige vielversprechende Standorte für ein Pilotprojekt.

An einigen dieser Standorte werden im Reinigungsprozess ausgetriebene flüchtige Stoffe einer katalytischen Oxidationsstufe zugeführt. Dabei werden die ausgetriebenen Gase auf Temperaturniveaus weit im dreistelligen Grad-Celsius-Bereich oxidiert. Die dabei freigesetzte Wärme kann bei geeigneten Rahmenbedingungen zusätzlich genutzt werden: Je nach Temperaturniveau, Abgasvolumenstrom und räumlicher Situation kann diese zusätzliche Hochtemperaturwärmequelle ökologisch und wirtschaftlich interessant sein.

Fazit

Die Untersuchung zeigt, dass die Nutzung von thermischer Energie aus Grundwasser aus GWRA in Verbindung mit Wärmepumpen in Berlin umsetzbar ist. Unter den richtigen Voraussetzungen können Gebäude oder andere Wärmeabnehmer ganzjährig versorgt werden. Der Vergleich zeigt, dass die Gesamtkosten unter guten Bedingungen unter denen der Fernwärmeversorgung liegen. Ökologisch betrachtet sind die Wärmepumpen in der betrachteten Fallstudie im Vorteil, da die CO₂-Emissionen deutlich geringer ausfallen. Außerdem kann die thermische Nutzung der Erwärmung des Grundwassers bzw. der Oberflächengewässer leicht entgegenwirken und so einen Beitrag zur langfristigen Sicherstellung der Grundwasserqualität und Ökologie der betroffenen Oberflächengewässer in Berlin leisten.

Im Vergleich zu herkömmlichen Grundwasserwärmepumpenanlagen bieten GWRA-Wärmepumpen an geeigneten Standorten folgende Vorteile:

• einfache Grundwassererschließung durch bereits bestehende Brunnen
• nach erster Einschätzung: möglicherweise genehmigungsrechtliche Vorteile durch bereits vorliegende Genehmigung der GWRA
• Sicherheit durch vorab bekannte Fördermenge und Grundwasserbeschaffenheit
• Sicherung der Grundwasserverfügbarkeit durch den GWRA-Betreiber, z. B. bei Verockerungserscheinungen in der Brunnenanlage, Kostenersparnis infolge des Baus und Betriebs der Brunnenanlage durch die GWRA.

Bei den richtigen Voraussetzungen am Standort einer GWRA lohnt es sich also, eine Wärmeauskopplung zu prüfen.

Quellen

Literaturhinweise

• /1/ https://www.ikz.de/medien/ikz-fachplaner/heftarchiv/jahrgang-2021/ausgabe-02/news/detail/erweiterung-und-anpassung-der-kaelteerzeugung/

• /2/ Schneble, N.: Energetische Nutzung von Grundwasser aus Grundwasserreinigungsanlagen; Masterarbeit, TH Köln; Berlin, 2020