Michael Viernickel, Fabian Eichelbaum (eZeit-Ingenieure GmbH)
Europäisches Institut für Energieforschung (Eifer)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Tewag GmbH
Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU)
Institut für Grundwasserökologie IGÖ GmbH

Zeitraum

2022 – 2025

Gefördert durch

Zur Dekarbonisierung des Wärmesektors in Gebäuden und urbanen Quartieren kann die Nutzung des Grundwassers als Träger thermischer Energie eine wichtige Rolle spielen. Mit sogenannten ATES-Systemen (Aquifer Thermal Energy Storage) wird Wärme- und Kälteenergie aus einem Grundwasserleiter (Aquifer) zur Gebäudeversorgung genutzt und saisonal gespeichert.

Im Rahmen des Forschungsprojektes DemoSpeicher sollen die Machbarkeit und Grenzen einer urbanen ATES-Anlage in Deutschland ermittelt werden. Hierzu soll eine Demonstrationsanlage errichtet und dessen thermisch-hydraulischer, geochemischer sowie ökologischer Einfluss auf den Untergrund wissenschaftlich begleitet und untersucht werden.

Detaillierte Beschreibung: 

Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Integration des Aquiferspeichers in die bestehenden thermischen Energiesysteme der zu versorgenden Gebäudekomplexe.

Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der hydraulischen Anbindung und Netzstruktur, der Regelungstechnik, der effizienten Energieverteilung sowie dem Grundwasserwärmemanagement am Standort. Zudem soll insbesondere an einem Gebäude-Anlagenmodell gearbeitet werden, um die durch eigens installierte Messtechnik erhobenen Daten mit dem Modell vergleichen zu können (digitaler Zwilling). 

Umgesetzt wird ein Grundwasserzirkulationsbrunnen (GWZB): Grundwasserförderung und -injektion finden im selben Bohrloch statt. Das Grundwasser wird am unteren Ende der Brunnenanlage aufgenommen und über das Innenrohr zur Wärmepumpe geleitet.

Nach dem thermischen Energieentzug wird das Grundwasser über das Außenrohr in einer oberflächennahen Schicht wieder eingeleitet. Die eingeleitete Temperatur ist saisonal abhängig: Im Winter wird kälteres Grundwasser injiziert, im Sommerbetrieb wärmeres.

Es entsteht eine vertikale Zirkulation des Grundwassers innerhalb des Aquifers. (Skizze nicht maßstabsgetreu.)

Leibniz Universität Hannover, Institut für Entwerfen und Städtebau, Abteilung Stadt- und Raumentwicklung, Prof. Dipl.-Ing. Tim Rieniets

Fachhochschule Potsdam, Forschungsprofessor »Ressourcenoptimiertes und klimaangepasstes Bauen«, Prof. Dr.-Ing. Michael Prytula

Zeitraum

2025 – 2027

• Lebenszyklusanalyse der technischen Infrastrukturen und Anlagen der Energieversorgung

• Ermittlung der Grenznutzen/-kosten für verschiedene ökologische Transformationsstrategien

Das Forschungsvorhaben hat das Ziel, CO₂-Emissionen zu ermitteln, die durch die Bestandsentwicklung von Nachkriegssiedlungen über den gesamten Lebenszyklus entstehen. Dabei werden unterschiedliche Entwicklungsstrategien bilanziert. Neben dem Hochbau werden auch technische Infrastrukturen (Straßen, Stellplätze, Kanalisation) sowie Anlagen der Energieversorgung in die Bilanzierung einbezogen.

Durch den ganzheitlichen Ansatz erweitert das Forschungsprojekt die vorhandene Grundlagenforschung zu Energieverbräuchen und CO₂-Emissionen bei Hoch- und Tiefbaumaßnahmen, weitet sie auf Bestandssiedlungen aus und ermittelt die Grenznutzen sowie -kosten für verschiedene ökologische Transformationsstrategien. 

Taco Holthuizen, Dietmar Deunert, eZeit Ingenieure GmbH,
Parabel Energiesysteme GmbH,
ACX GmbH

Zeitraum

2013 – 2017

Gefördert durch

Das Projekt hatte zum Ziel, ein Sole-Wasser-Wärmepumpensystem zu entwickeln, das auf einem offenen Erdpufferspeicher (eTank) basiert. Dieser Speicher kann gleichzeitig als geothermische Quelle dienen und stellt eine vielseitige Lösung für die Gebäudetemperierung dar.

Der Schwerpunkt der Entwicklung lag auf zwei zentralen Aspekten:

• Effizienzsteigerung von Wärmepumpensystemen: Dies sollte durch solare Soleanhebung, die saisonale Speicherung überschüssiger Solarenergie und die geothermische Aktivierung des Erdreichs erreicht werden.
• Wirtschaftliche Integration des eTanks: Ziel war es, den eTank kosteneffizient in das Haustechniksystem zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden einzubinden.

Ein besonderes innovatives Merkmal war die Optimierung des Gesamtsystems durch die Nutzung solarer Soleanhebung mit niedrigen Temperaturerträgen (< 35°C) aus solarthermischen Anlagen, die bislang ungenutzt blieben. Zudem ermöglichte die oszillierende Aktivierung des offenen Erdpufferspeichers eine effiziente Speicherung überschüssiger thermischer Energie, beispielsweise aus Solaranlagen, Abluft oder Blockheizkraftwerken.

Der eTank zeichnet sich durch seine nach unten offene Bauweise aus, die eine direkte Ankopplung an das Erdreich erlaubt. Dadurch kann er als oberflächennaher Erdkollektor fungieren. Ein weiterer Fokus lag auf der Entwicklung eines dynamischen Energiemanagers, der als integraler Bestandteil des Wärmepumpensystems fungiert. 

• Reduktion der Anlagenaufwandszahl (ep): Der Energiemanager minimiert den Primärenergiebedarf.
• Maximale Nutzung regenerativer Energien: Er optimiert den Einsatz kostenlos verfügbarer Energiequellen.
• Kostensenkung: Energiekosten werden durch die Effizienzsteigerung erheblich reduziert.
• Integration der Systemhydraulik: Er steuert die gesamte Hydraulik des Anlagensystems.
• Flexibilität: Der modulare Aufbau erlaubt nahezu jede Anlagenkonfiguration.
• Datensicherheit: Individuelle Nutzerdaten bleiben geschützt.
• Stromnetzstabilisierung: Regelenergie kann bereitgestellt werden, wodurch das System aktiv zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt.

Die Hauptenergiequelle des Systems ist die kostenlos verfügbare Sonnenstrahlung, die entweder direkt über Kollektoren oder indirekt über Abluft und oberflächennahe Erdwärme genutzt wird.

Sekundärquellen umfassen Photovoltaik-Strom, der zur Versorgung der Wärmepumpe und anderer Anlagenteile dient. Ein angestrebter solarthermischer Deckungsanteil von 100 % ist bisher nur durch den Einsatz eines offenen, oszillierenden Erdspeichers in Verbindung mit weiteren Systemkomponenten erreichbar.

Taco Holthuizen, Holthuizen Architekten GmbH, Dietmar Deunert

Zeitraum

2007

• Steigerung des solarthermischen Ertrages sowie deren Einbindung in das Heizsystem auf > 700 kWh/m² Flachkollektor.
• Systemjahresarbeits-zahl > 7,3, damit stark reduzierte Betriebskosten.
• Verbesserung der Anlagenaufwands-zahl ep auf < 0,3.
• Aktives Heizen und passiven Kühlen in einem System.

Produkt

Erdpufferspeicher und geothermische Quelle (eTank).

Das Projekt hatte zum Ziel, ein Sole-Wasser-Wärmepumpensystem zu entwickeln, das auf einem offenen Erdpufferspeicher (eTank) basiert. Dieser Speicher kann gleichzeitig als geothermische Quelle dienen und stellt eine vielseitige Lösung für die Gebäudetemperierung dar.

Der Schwerpunkt der Entwicklung lag auf zwei zentralen Aspekten:

• Effizienzsteigerung von Wärmepumpensystemen: Dies sollte durch solare Soleanhebung, die saisonale Speicherung überschüssiger Solarenergie und die geothermische Aktivierung des Erdreichs erreicht werden.
• Wirtschaftliche Integration des eTanks: Ziel war es, den eTank kosteneffizient in das Haustechniksystem zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden einzubinden.

Ein besonderes innovatives Merkmal war die Optimierung des Gesamtsystems durch die Nutzung solarer Soleanhebung mit niedrigen Temperaturerträgen (< 35°C) aus solarthermischen Anlagen, die bislang ungenutzt blieben. Zudem ermöglichte die oszillierende Aktivierung des offenen Erdpufferspeichers eine effiziente Speicherung überschüssiger thermischer Energie, beispielsweise aus Solaranlagen, Abluft oder Blockheizkraftwerken.

Der eTank zeichnet sich durch seine nach unten offene Bauweise aus, die eine direkte Ankopplung an das Erdreich erlaubt. Dadurch kann er als oberflächennaher Erdkollektor fungieren. Ein weiterer Fokus lag auf der Entwicklung eines dynamischen Energiemanagers, der als integraler Bestandteil des Wärmepumpensystems fungiert. 

eZeit Ingenieure GmbH, Brandenburgische Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU), hartig & ingenieure GmbH

Zeitraum

2014 – 2017

Gefördert durch

Ein wesentlicher Schwerpunkt des Projekts war die Entwicklung eines präzisen Simulationstools für die Dimensionierung von Erdspeichersystemen, wie z. B. eTank oder Erdwärmekörben. Dieses Tool soll die komplexen Energieströme im Erdreich unter Berücksichtigung der Bodenbeschaffenheit sowie verschiedener Beladearten und Beladerhythmen abbilden und berechnen können.

Im Zuge der Forschung wurde mithilfe numerischer Simulationen auch die langfristige Entwicklung des wärmespeichernden Erdreichs untersucht. Hierzu wurde ein digitales Modell für Erdwärmespeicher entwickelt, das zeitliche und thermische Unterschiede in der Wärmezufuhr analysiert und darstellt. Diese Berechnungen erfolgen nicht nur in monatlichen, sondern auch in kürzeren Intervallen, um eine zeitnahe Auswertung zu ermöglichen.

Die Ergebnisse dieser Software bilden eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Regelstrategien für Smart-Grid-fähige Wärmepumpen. Ziel ist es, Stromspitzen und -täler im Smart Grid auszugleichen. Die Simulation berücksichtigt dazu stundenweise Klimadaten sowie die entsprechende zugeführte oder entzogene Wärmemenge auf den relevanten Temperaturniveaus. Die genaue Simulation ermöglicht eine präzise Dimensionierung der Erdspeichersysteme und hilft, Überdimensionierungen zu vermeiden. Zudem erlaubt sie die Identifikation optimaler Geometrien und Beladestrategien, um einerseits überschüssige Solarthermie aus den Sommermonaten in die Winterperiode zu übertragen und andererseits eine passive Kühlung im Sommer zu gewährleisten. Das thermische Verhalten von geothermischen Systemen, einschließlich des eTanks, lässt sich mit der entwickelten Software präzise beschreiben.

Seit Juni 2017 sind Teile der Software über die Firma Vela Solaris erhältlich (www.velasolaris.com) und wurden in die Software Polysun integriert. Polysun ist eine staatlich anerkannte Software, die als Grundlage für die Beantragung von Fördermitteln auf Bundes- und Landesebene für energetische Maßnahmen dient, wie z. B. Effizienzsteigerungen, Pufferspeicher oder solarthermische Anlagen.

Dietmar Deunert, Taco Holthuizen, Hochschule für Technik, Industrie

Zeitraum

seit 2013

Erweiterung der Regelungslogik des Dynamischen Energiemanagers.

Das Vorhaben zielt darauf ab, ein fortschrittliches Wärmepumpensystem zu entwickeln, das sowohl für die passive als auch für die aktive Beheizung und Kühlung von Gebäuden geeignet ist.

Das System basiert auf einem offenen Erdpufferspeicher mit geothermischer Quelle (eTank), kombiniert mit solarer Kühlung und dem Konzept der Energieverpuffung, was es besonders für den Einsatz in heißen Klimazonen prädestiniert.

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der wachsenden Bedeutung der sommerlichen Gebäudekühlung. Während die Optimierung der Effizienz von Heizsystemen häufig im Fokus von Forschung und Entwicklung steht, nimmt die Gebäudekühlung global gesehen einen beträchtlichen Anteil am Primärenergieverbrauch ein.

Das zentrale innovative Element des Systems ist die Integration von Heiz- und Kühlfunktionen in einer einzigen Anlage. Dieses System umfasst thermische Komponenten, Wärmepumpen, kurz- und langfristige Energiespeicher sowie eine intelligente Steuerung. Durch die Zusammenführung beider Funktionen – Heizen und Kühlen – in einem System lassen sich die Kosten für die Haustechnik sowie der Energieverbrauch erheblich senken.

Taco Holthuizen, Holthuizen Architekten GmbH, Dietmar Deunert, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK)

Zeitraum

2009 – 2011

Gefördert durch

Schnellinstallations-system als fabrikreifes Produkt.

Mehrere Systeme umgesetzt. Produktergebnisse der Entwicklung: das Leitungssystem, Formteile für Wanddurchlässe.

Das Projekt hatte zum Ziel, ein innovatives Schnellmontagesystem für die Nachrüstung zentraler Lüftungsanlagen in Bestandsgebäuden zu entwickeln. Dieses neue System ermöglicht eine unkomplizierte und kosteneffiziente Installation zentraler Lüftungssysteme, ohne dass Luftkanäle innerhalb der Wohnräume verlegt werden müssen. Es wurde speziell für die Anforderungen des Sanierungsmarktes in Deutschland konzipiert, der einen erheblichen Anteil des Baugeschehens ausmacht. Bislang waren zentrale Lüftungssysteme in diesem Bereich aufgrund des hohen Installationsaufwands kaum umsetzbar.

Ein zentrales innovatives Merkmal ist die Verlegung der Luftkanäle an der Außenseite des Gebäudes innerhalb der Dämmschicht – ein Ansatz, der seit 2022 in der seriellen Sanierung Anwendung findet. Die Durchführung der Luftkanäle durch die Wände erfolgt mithilfe eines universell einsetzbaren Formteils. Dieses Bauteil vereint mehrere Funktionen: Schallschutz, Brandschutz und eine automatische Regelung des Volumenstroms. Das modular aufgebaute System für Wanddurchführungen bildet den Kern dieser Entwicklung. 

Eine der größten Herausforderungen bestand darin, die funktionalen Anforderungen mit einer kompakten Bauweise zu verbinden. Dabei wurde Wert auf eine dezente Optik, einfache Wartungsmöglichkeiten (Zugang vollständig von innen) und eine Gehäusekonstruktion gelegt, die die Installation durch einfache Kernbohrungen ermöglicht.

Taco Holthuizen, Holthuizen Architekten GmbH,
Dietmar Deunert

Zeitraum

2008

1. Stufe:
Steigerung der Jahresarbeitszahl der Abluft-WP von 2,5 auf > 6 

2. Stufe:
Ausbau der Abluft-WP mit Kühlfunktion.

1. Stufe:
Abluftwärmepumpe als Einzelgerät

2. Stufe:
Abluftwärmepumpe mit zusätzlicher Kühlfunktion als Einzelgerät.

Das Ziel des Projekts bestand darin, eine zweistufige Abluftwärmepumpe (Abluft-Sole-Wasser) zu entwickeln, die als Ergänzung zu zentralen Abluftsystemen in Alt- und Neubauten dient. Dabei lag der Fokus insbesondere auf der Erfüllung steigender Anforderungen an kontrollierte Lüftungssysteme sowie deren ökologischer und wirtschaftlicher Integration in die Gebäudetechnik zur Temperaturregulierung.

Ein herausragendes Merkmal dieser Entwicklung ist die hohe Effizienz bei der Rückführung der durch Wärmerückgewinnung gewonnenen Energie in das Heizsystem. Da die Abluft üblicherweise Temperaturen von über 20 °C aufweist, erreicht die Abluftwärmepumpe eine Leistungszahl (COP) von mehr als 6. Zusätzlich ermöglicht die Heißgasabschöpfung die Bereitstellung von Temperaturen über 60 °C, die ganzjährig für die Warmwasseraufbereitung genutzt werden können.

Diese beiden Aspekte tragen dazu bei, die Effizienz von Heizsystemen mit Erdwärmepumpentechnik signifikant zu steigern. Durch den Wärmerückgewinnungsgrad der Abluftwärmepumpe lässt sich nachweisen, dass mehr als 20 % der Gebäudetemperierung mit erneuerbarer Energie gedeckt werden können. In einigen Regionen der Welt können Abluftwärmepumpen sogar Solaranlagen ersetzen.

Zentrale Lüftungssysteme bieten gegenüber dezentralen Anlagen den Vorteil eines deutlich geringeren Aufwands bei Planung und Umsetzung. Insbesondere bei Sanierungsprojekten können sie kostengünstig und unkompliziert über bestehende Schornsteine integriert oder nachgerüstet werden. Dezentrale Anlagen hingegen sind mit erheblich höheren Baukosten verbunden und erweisen sich in der Gesamtjahresbilanz häufig als weniger effizient.