12.07.2021: Sehr geehrter Herr Schmidt, sehr geehrter Herr Dr. Zimmermann stellen Sie bitte die IAB – Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH kurz vor. Seit wann gibt es das Institut?

Gegründet wurde die IAB – Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH am 1. Januar 2012. Entstanden ist das Institut durch Fusion der IFF – Institut für Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar gGmbH mit der FITR – Forschungsinstitut für Tief- und Rohrleitungsbau gGmbH. Beide Institute verband bereits eine erfolgreiche Kooperation. Hatte sich das IFF auf den Hochbau spezialisiert, konzentrierte sich das FITR auf den Tiefbau – also eine optimale Kombination. Was lag da näher, als diese Kompetenzen zu bündeln und ein schlagkräftiges Institut ins Leben zu rufen, dass auf ausgewählten Forschungsgebieten Spitzenpositionen besetzt.

Wie viele Mitarbeiter sind im Institut tätig und wie viele Projekte werden derzeit bearbeitet?

Derzeit sind 121 Mitarbeiter am IAB Weimar beschäftigt, die für die richtige Mischung aus theoretischem Know-how und praktischer Anwendung sorgen und aktuell 81 Forschungsprojekte betreuen. Die Projektarbeit bestimmen Interdisziplinarität, Praxisorientierung und Verantwortung für gesellschaftliche Entwicklungen. Als moderne Forschungseinrichtung ist Diversität in unserem Selbstverständnis fest verankert und wir werfen gern einen Blick über den wissenschaftlichen Tellerrand.

Über wie viele Labore verfügt das IAB Weimar?

Für experimentelle Untersuchungen verfügen wir über 31 Labore, darunter auch ein von der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) akkreditiertes Prüflaboratorium nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005, in dem technisch-physikalische, mechanische und thermische Prüfungen an verschiedenen Baustoffen sowie bauphysikalische, akustische und Schwingungsprüfungen durchgeführt werden können.

Mit welchen Kernthemen beschäftigen sich die Institutsmitarbeiter?

Die wissenschaftliche Expertise gliedert sich in die Tätigkeitsfelder „Baustoffe und Verfahrenstechnik“, „Bausysteme und Bauteile“, „Tief- und Rohrleitungsbau“ sowie „Energie und Gebäudetechnik“. Neben einem vielfältigen Spektrum an zukunftsorientierten Forschungs- und Entwicklungsleistungen komplettiert ein umfangreiches Serviceangebot unser Institutsprofil.

Torsten Schmidt, Leiter Forschungsbereich Technische System sowie Fachbereich Energie am IAB – Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH, Foto: IAB Weimar

Gibt es ein aktuelles Projekt im Bereich Energie, das Sie gern kurz hervorheben oder erwähnen und erläutern würden?

Als alternative und klimaschonende Energiequelle spielt die Geothermie nicht nur beim Erreichen der globalen Klimaziele, sondern auch in unserer täglichen Arbeit eine wichtige Rolle. In diesem Kontext nimmt die Entwicklung und Optimierung effizienter Technologien zur Erdwärmeerschließung und -nutzung immer mehr an Fahrt auf und profitiert von einer breit aufgestellten Förderung von Bund- und Land. Wie beispielsweise bei einem aktuell vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft geförderten Forschungsprojekt, das auf die Entwicklung von Potenzialkarten für geothermische Hauptreservoire in Thüringen abzielt. Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist die Exploration von geothermisch nutzbaren Horizonten und damit einhergehend die Minimierung das Fündigkeitsrisiko mitteltiefer Geothermieprojekte in Thüringen. Darüber hinaus wird der Aufbau eines Thüringer Wissens- und Innovationsclusters Geothermie anvisiert, um Akteure aus Forschung und Wirtschaft gezielt regional zu vernetzen und gemeinsam die geothermischen Potenziale von neuartigen Groß- und Hochtemperatur-wärmepumpen zu erschließen.

Das IAB Weimar war in der Zeit von Oktober 2018 bis März 2021 Koordinator des Projektes „EnEff Wärme: Bio2Geo“. Welche Problemstellung und welcher Hintergrund lagen diesem Projekt zugrunde?

Im erwähnten Vorhaben wurde an der oberflächennahen Speicherung der saisonal anfallenden Abwärme von Biogasanlagen mit angeschlossenem Blockheizkraftwerk (BHKW) geforscht. Von besonderem Interesse waren Fragen der Effizienzerhöhung von Biogasanlagen in einem Post-Erneuerbaren Energien Gesetz Szenario (Post-EEG) und der flexiblen Stromerzeugung von BHKW, um Lastspitzen im Stromnetz volatiler Energieträger besser zu kompensieren. Durch die Abwärmespeicherung kann der notwendige Strom zum Kühlen der BHKW im Sommer eingespart und im Winter zusätzlich genutzt werden.

Weiterhin setzte sich das Projekt mit den gängigen Reinigungsverfahren von Gülle in Biogasanlagen auseinander, um pathogene Keime und pharmazeutische Reststoffe zu neutralisieren, bevor die vergärte Gülle auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht wird. Hierzu konnte im Zuge eines Demonstrationsobjektes, bestehend aus einem Geothermiefeld und einer BGA, eine Gärrestkonditionierungseinheit entwickelt werden, die anfallende Wärmeüberschüsse einer sinnvollen Nutzung zuführt.

Zusätzlich wurde das „Bio2Geo-Transfertool“ entwickelt, dass die Speicherdimensionen für den jeweiligen Standort anhand der geologischen Voraussetzungen und des Wärmebedarfs der Abnehmer ermittelt und damit an potenzielle Anwender adressiert.

Welche Projektpartner waren neben dem IAB Weimar am Forschungsvorhaben beteiligt?

Gemeinsam mit der Bauhaus-Universität Weimar, der DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH, der IPM Ingenieurbüro Peter Müller GmbH, der geotechnik heiligenstadt gmbh und der Mörsdorfer Agrar GmbH konnte das Vorhaben Bio2Geo erfolgreich zum Abschluss gebracht werden.

Wie gestalteten sich die Vorgehensweise innerhalb der Projektlaufzeit und die Zusammenarbeit der verschiedenen Projektpartner?

Kooperative Forschungsprojekte werden in unterschiedlichen Arbeitseinheiten abgewickelt, in denen die Projektbeteiligten interdisziplinär zusammenarbeiten. Jedem Partner sind spezifische Arbeitspakete zugeordnet, die seinen Kompetenzen entsprechen und auf eine ergebnisorientierte Lösung abzielen.

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurde an der oberflächennahen Speicherung der saisonalen Prozesswärme von Biogasanlagen mit angeschlossenen Blockheizkraftwerken geforscht. Welche geologischen Voraussetzungen und technischen Rahmenbedingungen wurden hierbei untersucht?

Die geologischen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit, die Lithologie und die Strukturgeologie (Störungen und Klüfte) sowie auf den Oberflächenabfluss und den Grundwasserspiegel.

Dr. Jens Zimmermann, Geologe und wissenschaftlicher Mitarbeiter Fachbereich Energie am IAB Weimar gGmbH, Foto: IAB Weimar

Als wesentliche technische Rahmenbedingungen wurden der Wärmebedarf, die Wärmeproduktion, die Entfernungen zwischen Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucherstrukturen sowie die Kopplung mit bestehenden Wärmenetzverteilungsebenen zum Einspeichern von Abwärme und zur Generierung von Wärme im saisonalen Wechsel identifiziert.

Zur abgesagten EAST 2020 hätte Herr Dr. Zimmermann über saisonale Erdwärmespeicher für Biogasanlagen referiert. Bitte definieren und erklären Sie kurz, worum es sich bei einem saisonalen Erdwärmespeicher handelt. 

Saisonale Erdwärmespeicher speichern im Sommer überschüssige Wärme (Beladung), um diese in der Heizperiode (Entladung) zu nutzen. Dies kann entweder über Erdwärmesonden (EWS) oder mit einem offenen System (Aquiferspeicher) realisiert werden. Somit wird eine mögliche wirtschaftliche Nutzung vieler Biogasanlagen in einem Post-EEG Szenario aufgezeigt.

Wie viel Fläche benötigt ein solcher Speicher und in welcher Bodenart kann er geeignet platziert werden?

Für geschlossene Systeme sind das Verhältnis von Durchmesser zu Teufe von ~1, Sondenabstände zwischen 3 m und 5 m sowie eine universelle Lithologie optimal. Bevorzugt sollten Horizonte gewählt werden, die durch die Dynamik das Grundwasser keine Beeinträchtigung erfahren und eine hohe Wärmekapazität aufweisen.

So kann ein Speicher mit einem Durchmesser von 22 m und einer Tiefe von 30 m, in dem 30 Geothermiesonden á 30 m eingebracht sind, ca. 300 MWh speichern. Die Be- und Entladung erfolgt mit ca. 70 kW. Zugrunde liegt mittlerer Buntsandstein mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3,6 W/mK und einer volumetrischen Wärmekapazität von 2,9 MJ/m³K.

Bild von ADMC auf Pixabay 

Welche Zielsetzung wurde für das Projekt vorab definiert?

Ziel des Forschungsvorhabens Bio2Geo war die Entwicklung eines integrativen Hybridkraftwerkes als Versorgungsoption für definierte Abnehmerstrukturen. Hierbei wurde die bislang ungenutzte Abwärme bestehender Biogasanlagen (BGA) in innovativer sowie besonders effizienter Weise bereitgestellt, verwertet und lastabhängig in einem Erdwärmesondenfeld saisonal gespeichert oder zur Entschadung der Inhaltsstoffe von Gärresten (Xenobiotika und Pathogene) verwendet.

Mit der neuartigen Verknüpfung von Bioenergie und Geothermie können bestehende BGA weiterhin wirtschaftlich relevant genutzt werden, um sowohl die Wärmebereitstellung als auch die stoffliche Verwertung von Gärresten zu realisieren. Durch ein diversifiziertes Abwärmemanagement und die Integration eines geothermischen Speichers sowie einer thermisch gestützten Gärproduktentschadung wird eine zukunftsweisende Technologiekonstellation demonstriert. Gemäß durchgeführter Simulation kann der Gesamtwirkungsgrad der BGA bei Nutzung der quasi als „Nebenprodukt“ der Stromerzeugung entstehenden Wärme auf 83 % angehoben werden, wenngleich bei saisonaler Speicherung von einem 70 % Wirkungsgrad auszugehen ist. Die Einnahmensituation von Biogasanlagen wird ebenso diversifiziert, da u. a. die BHKW-Abwärme zu Stromeinsparungen führt, Abwärme verkauft oder der Vermarktungswert von Gärprodukten gesteigert und regulatorisch abgesichert wird.

Konnte die Zielsetzung nach Projektabschluss erreicht werden? Welches Ergebnis wurde erzielt und welche Erkenntnisse wurden gewonnen?

Bislang sind noch Messwerte hinsichtlich der Einspeisung von Wärme zu generieren, da pandemiebedingt der Anschluss des geothermischen Speichers verschoben werden musste. Dieser erfolgt in den kommenden Wochen. Generell steht damit einer weiterführenden Betrachtung des Demonstrationsobjektes nichts mehr entgegen.