Fraunhofer IEG und Voltavision starten in Bochum weltweit einzigartiges Geothermie-Projekt zur nachhaltigen Kühlung in der Industrie
Innovativer Erdkältespeicher mit intelligentem Steuerungssystem soll Energieverbrauch zur Kühlung um 70 bis 90 % senken.
Kühlanlagen sind essenziell, um Gebäude und technische Anlagen gerade an heißen Sommertagen betriebsfähig zu halten. In Deutschland beanspruchen solche Systeme etwa 14 % des gesamten Stromverbrauchs. Gleichzeitig bleibt im Winter und nachts ausreichend natürliche Kälte ungenutzt. Diesem Potenzial widmet sich das Projekt „MissEllyDEMO“, das von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG gemeinsam mit Ideengeber und Praxispartner Voltavision, ein führender Testing-Spezialist für Hochvolt-Batterien, umgesetzt wird.
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMKW) mit rund 2,8 Millionen Euro*, entsteht auf dem Bochumer Firmengelände von Voltavision ein Erdsonden-Kältespeicher der dank intelligenter Nutzung saisonaler und tageszeitlicher Temperaturunterschiede den stromintensiven Einsatz von Kompressionskühlung maximal reduziert und eine nachhaltige wie kostensparende Alternative darstellen wird. Die energetische Simulation der abgeschlossenen Machbarkeitsstudie „MissyElly“ zeigt, dass die Reduktionspotenziale des Energiebedarfs bei 70 bis 90 % im Vergleich zu konventionellen Kältesystemen liegen. Das errechnete Potential dieses Verfahrens, elektrische Energie einzusparen, liegt bei rund 7 % des gesamten Stromverbrauchs, womit deutschlandweit eine CO2 Einsparung von über 20 Mio. Tonnen pro Jahr möglich wäre.
Kältespeicher zur Kühlung durch Erdwärme als Schlüssel zur Ressourcenschonung
Das Geothermie-Projekt zielt auf die ganzjährige Bereitstellung von Kälte zur Kühlung von Laboren und Prüfständen für elektrische Energiespeicher ab. Während die Freikühlung im Winter durch Luftkühlung umweltschonend möglich ist, fordert der Sommer den Einsatz von stromintensiver Kompressionskälte. Um den Anteil erneuerbarer Energien bei der Kühlung zu steigern, bietet sich Umgebungskälte als natürliche, primäre Quelle an. Hierbei wird Abwärme, also überschüssige Wärmeenergie, die bei industriellen Prozessen entsteht, mithilfe der natürlichen Kühle des Erdbodens abgeleitet bzw. gekühlt. Das Projekt „MissEllyDEMO“ setzt nun ein innovatives System zur Speicherung und Nutzung von regenerativer Umweltkälte um, das die im Winter sowie nachts verfügbare Kälte im Erdreich speichert und sie dann gezielt im Sommer zur Kühlung der Prüfanlagen und Gebäude nutzt. Dabei fungieren 40 Erdwärmesonden als saisonaler Kältespeicher, der die Prozesswärme aus Voltavisions Prüflaboren in den Untergrund abführt. Dank der strategischen Anordnung der Erdwärmesonden und einer prädiktiven Betriebssteuerung lassen sich die Energieaufwände für die Kühlung deutlich reduzieren. „Wir konzipieren einen Erdsonden-Kältespeicher und betreiben ihn so dynamisch, dass er Wärmeenergie in einem weiten Leistungsbereich und in bedarfsgerechten Geschwindigkeiten aufnehmen kann“, erklärt Projektleiter Roman Ignacy von Fraunhofer IEG. „Die smarte Steuerung und das flexible Anlagendesign sind wohl weltweit einmalig.“
Umgesetzt wird das Projekt am Bochumer Headquarter des Industriepartners Voltavision. Der Experte für Batterietests betreibt besonders effiziente Prüflabore, entwickelt Prüfstands-Equipment und testet Batteriezellen- und Module sowie Hochvolt-Batterien etwa für die Automobilindustrie. Als Akteur beim Wandel zu klimafreundlicher Elektromobilität strebt Voltavision stets danach, auch selbst schnellstmöglich klimaneutral zu arbeiten und CO2-Emissionen immer weiter zu reduzieren. „Neben der Nutzung der Abwärme zur Heizung der Gebäude im Winter und dem Einsatz von Photovoltaikanlagen, betreiben wir auch das erste Batterie-Prüflabor mit klimaneutraler Kältetechnik auf Basis natürlicher Kältemittel. Mit der geplanten Geothermie-Anlage und dem Innovationssprung, der in ihr liegt, gelingt uns ein weiterer, großer Schritt zu nachhaltigen Energiesystemen und das nicht nur für unsere industrielle Anwendung“, erklärt Lore Mall, verantwortliche Projektleitung bei Voltavision, und führt weiter aus: „Wenn die Außentemperatur niedrig ist, wird schon jetzt das Kühlwasser der Anlagen über die Umgebungskälte in der Luft gekühlt. Diese Freikühlung ist an sehr warmen Tagen nicht möglich, so dass stromintensive Kompressionskälte zum Einsatz kommen muss. Um den Freikühlanteil auf bis zu 100 % zu erhöhen, wohlwissend dass die Sommer heißer werden, entstand die Idee, auf dem Firmengelände im Boden gespeicherte Kälte aus dem Winter im Sommer zu nutzen. Wir freuen uns sehr, das Projekt nun gemeinsam mit der Fraunhofer IEG an unserem Standort im Bochumer Technologie-Quartier umzusetzen.“
Umsetzung am Standort Bochum
Das auf vier Jahre angelegte Projekt „MissEllyDEMO“ folgt als Demonstrationsanlage mit digitalem Zwilling auf eine 2023 abgeschlossene Machbarkeitsstudie. Dieser Prototyp soll zeigen, wie die Dynamik von regenerativer, kostengünstiger aber volatiler Umweltkälte sinnvoll in einen realen ökonomischen Prozess integriert werden kann.
Dazu wird erstmals ein Feld an Erdwärmesonden als Speicher für eine Industrieanwendung mit permanentem Prozesskältebedarf genutzt. Das Erdsondenfeld wird im Durchschnitt 150 kW und in Spitzenzeiten bis zu 550 kW liefern, während die Speicherkapazität von 386 MWh bereits etwa 15 % des Gesamtbedarfs bei Voltavision ausmachen wird. Die Analyse der Kühlbedarfe von Voltavision zeigt deutlich, dass nicht der aufsummierte Jahreskühlbedarf, sondern die Spitzenlastzeiten im Sommer im Fokus stehen müssen. Für diese Zeit braucht es ein flexibles Kältereservoire im Untergrund, welches Kälteerzeugung und -verbrauch räumlich und zeitlich entkoppelt, um Spitzenlasten energieeffizient abdecken und Nennleistungen niedriger planen zu können.
Zur Umsetzung werden die 40 Sonden im Abstand von 5 bis 10 Metern bis zu 100 Meter tief verlegt. Eine Sole läuft als Betriebsmittel in den geschlossenen Rohrschleifen und gibt die abzuführende Prozesswärme an den Untergrund ab. Eine smarte und prädiktive Betriebssteuerung regelt dabei, wie die Sonden tagesaktuell verschaltet werden, ob parallel, seriell oder in bestimmten Zonen, um die optimale Wärmeübertragung beim vorausschauenden „Auf- und Entladen“ zu gewährleisten. „Durch die innovative Verschaltung der Erdsonden entsteht ein dynamisch auf thermische Lasten regelbares System mit einer maximalen Leistungs- sowie Energiespeicherungsfähigkeit. Hierin liegt ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal und gleichzeitig die Innovation des Speicherkonzepts,“ beschreibt Anja Hanßke, Leiterin des Competence Center Wärmenetze 4.0 von Fraunhofer IEG, welches das Projekt durchführt.
Simulationen zeigen, dass durch diese Speichertechnologie der Energiebedarf um 70 % bis 90 % im Vergleich zu traditionellen Systemen gesenkt werden kann. Bei einem Kälteleistungsbedarf von bis zu 420 kW im Jahresverlauf des zu versorgenden Gebäudekomplexes von Voltavision bedeutet dies ein hohes Einsparpotenzial an CO2-Emissionen wie auch Betriebskosten. Aus den Betriebserfahrungen des Demonstrators bei Voltavision ergeben sich dann auch die Entwicklungspfade für die Erweiterung auf andere Prozesse und weitere Anwender. Dazu erstellt Fraunhofer IEG auch einen digitalen Zwilling der Anlage, der an den Realdaten validiert wird und dann als Planungstool zur Betriebs- sowie grundlegenden Auslegungsoptimierung zur Verfügung steht.
*Das von Fraunhofer IEG koordinierte Teilvorhaben „Umsetzung und Optimierung eines geothermalen Kälteversorgungssystems“ im Projekt „MissEllyDEMO – Multivalent seasonal geothermal cold supply demonstartion monitoring evaluation and optimisation“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über den Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH mit 2.091.004,94 Euro gefördert (Förderkennzeichen 03EN6044A). Das von Voltavision koordinierte Teilvorhaben (03EN6044B) „Umsetzung und Demonstration eines geothermalen Kälteversorgungssystems“ erhält 694.864,16 Euro. Beide Teilvorhaben ergänzen sich und dauern vier Jahre.
Ansprechpartner für Journalisten: Nadine Konstanty • nadine(at)konstant.de
PR KONSTANT ist die PR-Agentur von Voltavision.
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