Könnte man den Gewässern im Winter mithilfe von Wärmepumpen Energie entnehmen, um zu heizen? Und wie wirkt sich das auf die Qualität der Gewässer aus? Ein interdisziplinäres Forschungsteam an der Technischen Hochschule Lübeck will jetzt untersuchen, ob und wie diese Idee in einem Gesamtsystem funktionieren könnte.
Wärme aus dem Wasser zum Heizen nutzen
Unter der Verantwortung von Vizepräsidentin Prof. Dr. Karen Cabos und der Projektleitung von Prof. Dr. Claas Heymann, Professor für Umwelttechnik und Umweltkybernetik, soll in den nächsten Jahren auf dem Campus der TH Lübeck ein interdisziplinärer Forschungs- und Qualifizierungsraum für datengetriebene Vernetzung in der urbanen Umwelt-, Energie- und Klimaforschung entstehen. Dabei entstehen Echtzeitmodelle, in die sehr viele Umweltdaten einfließen. Mithilfe dieser Daten kann dann besser über die Zukunft der Energieversorgung in Lübeck entschieden werden. Das Ziel ist der Aufbau einer interdisziplinären Forschungs- und Qualifizierungsplattform an der TH Lübeck für datengetriebene Vernetzung in der urbanen Umwelt-, Energie- und Klimaforschung.
In dem Modell werden konkrete Daten aus den Bereichen Energie, Wetter, Ökologie und später auch dem Nutzungsverhalten der Menschen gesammelt und aufbereitet. Der gesellschaftliche Mehrwert ist groß: „Die entwickelten Echtzeitmodelle können einen wesentlichen Beitrag für eine zuverlässige Wärmeversorgung in Lübeck leisten“, so Cabos. „Bei Bedarf können diese Modelle später auch von anderen Regionen übernommen beziehungsweise zur Nutzung angepasst werden.“
Moderne Infrastruktur, anwendungsorientierte Forschung und Nachwuchsförderung
Acht Professorinnen und Professoren aus allen vier Fachbereichen der Technischen Hochschule Lübeck haben sich zusammengetan, um in den nächsten Jahren gemeinsam diesen wichtigen Beitrag zur Energiewende und zur Sicherung des Wirtschaftsstandorts zu leisten. „Unser Projekt ist dreiteilig mit einem starken Anwendungsfokus“, erläutert Heymann. „In allen drei Modulen setzen wir zudem auf die Zusammenarbeit mit vielen Partnern aus unterschiedlichsten Bereichen.“
Im ersten Modul bauen unter anderem die Professoren Horst Hellbrück, Niklas Beuter und André Drews die Daten- und KI- Infrastruktur auf, in der Daten aus dem Wasser-Wärme-Energie-Klima-Nexus eingespeist und auch mit Hilfe von künstlicher Intelligenz aufbereitet werden.
Das zweite Modul, das Forschungsprojekt SEEN (Smart Environment and Energy Nexus), wird die Infrastruktur aus Modul 1 nutzten, um den Nexus Wasser–Energie–Wärme–Umwelt abzubilden. Insgesamt geht es um die Verbindung von Umwelt-, Energie- und Stadtdaten in einem Netzwerk. Hierdurch wird nachhaltige Energieversorgung ermöglicht. Konkret steht die Sicherung der Wärmeversorgung Lübecks auch in Extremszenarien durch intelligente Steuerung unter Berücksichtigung des gesamten Nexus im Vordergrund. Hier engagieren sich vor allem die Professoren Christoph Külls, Christian Töbermann, Maximilian Schüler und Claas Heymann.
Im dritten Modul steht die Nachwuchsförderung im Vordergrund – Nachwuchswissenschaftler*innen setzen unter dem Dach des Promotionszentrums Lübeck eigene Forschungsvorhaben um; auch der Transfer in die Gesellschaft wird hier organisiert.
Auch kaltes Wasser enthält Energie, die wir nutzen können
Die Themen erneuerbare Energien, Klima und Smart City sind hochaktuell, denn die mittelalterliche Hansestadt steht angesichts der Energiekrise und des Klimawandels vor großen Herausforderungen. Insbesondere in der Altstadt als Weltkulturerbe ist der Einsatz „klassischer“ Methoden der Wärmewende, wie Gebäudedämmung oder dezentrale Wärmepumpen, schwierig.
Gleichzeitig erfordert der hohe Energieverbrauch der historischen Gebäude umfangreiche Anpassungen. Daher werden schon lange verschiedene Lösungsmöglichkeiten diskutiert. Der Einsatz von Flusswärmepumpen scheint vielversprechend. „Wasser, auch wenn es kalt ist, enthält immer noch Energie“, so Heymann. „Diese Energie fließt an uns vorbei. Wir können sie nutzen und damit heizen.“
Echtzeitmodelle bilden das Gesamtsystem der Stadt ab
Doch wie genau würde das funktionieren? Und welche Umweltfolgen hätte das? An dieser Stelle setzt das neue Forschungsprojekt an. Bereits jetzt werden Daten unter anderem an der Trave und der Wakenitz erhoben. Weitere Messstationen werden hinzukommen. Wetterdaten, Pegelstände und Gewässerparameter. „Die lokalen Lübecker Gewässer sind seit mehreren Jahren Forschungsgegenstand verschiedener Arbeitsgruppen der TH Lübeck“, so Cabos.
„In diesem neuen Projekt wird diese Expertise nun gebündelt. Wir erforschen den sogenannten Nexus Wasser, Energie, Wärme.“ Nexus bedeutet, dass die einzelnen Elemente im Gesamtsystem nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können. Alles hängt mit allem zusammen. „Ziel ist die Simulation der Auswirkungen einer engmaschigen Hintereinanderschaltung von Oberflächenwasserwärmepumpen auf ausgewählte lokale Gewässerqualitätsparameter“, so Heymann. „Wir betrachten das Gesamtsystem der analogen Lübecker Welt.“
Wärmewasserpumpen und gesunde Gewässer
Aus sehr vielen Daten – wie Wetterdaten, Pegelständen und Gewässerparametern sowie wenn möglich auch Vorhersagen des Wärmebedarfs der Haushalte – wird eine möglichst genaue Echtzeit-Analyse entwickelt. Wann wird wie viel Wärme benötigt? Wie kann diese Wärmemenge entnommen werden, ohne das Gewässer zu stark zu belasten? Wie müssen Wärmespeicher gefüllt werden, um Kaltwetterphasen zu überbrücken? „Das Forschungsprojekt schafft auch die Voraussetzungen, um die geplante Wärmeversorgung Lübecks über Wasserwärmepumpen auch in extremen Situationen zu sichern“, so Heymann.
Im Rahmen des Projekts werden zudem neuartige Messverfahren entwickelt, um biologische Gewässerparameter autonom zu bestimmen. Das Projekt integriert auch ein intelligentes Energiemanagementsystem, das erneuerbare Energien in ein Smart Grid einspeist und diese auf Basis der Verbrauchsdaten in Echtzeit verteilt. Ein Smart Grid (intelligentes Stromnetz) ist ein energetisches Versorgungsnetz, das digitale Kommunikation nutzt, um Erzeugung, Verbrauch und Speicherung in Echtzeit zu koordinieren. Es verbindet dezentrale erneuerbare Energiequellen mit Verbrauchern und Speichern, um die Netzstabilität zu gewährleisten und die Integration grüner Energie zu optimieren. „Mithilfe mathematischer Modelle zu den Beziehungen zwischen Wetter, Hydrologie, Hydrodynamik und Energieverbrauchern sind dann auch verbesserte Vorhersagen zur Auswirkung dieser Eingriffe in unsere Lübecker Gewässer möglich“, hofft Heymann.
Forschung von heute mit klarem Fokus auf Herausforderungen
Die Forschenden der Technischen Hochschule Lübeck haben das Projekt mit Blick auf die drängenden Herausforderungen unserer Zeit konzipiert. Unsere Gewässer werden wärmer, Schwankungen werden größer und extreme Ereignisse werden häufiger. Die Bürgerinnen und Bürger Lübecks möchten gesunde Gewässer, aber auch energieschonend und verlässlich heizen – möglichst nicht mehr mit fossilen, sondern mit erneuerbaren Energien.
Die enge Zusammenarbeit von Forschenden unterschiedlicher Fachgebiete an der TH Lübeck sowie deren enge Vernetzung mit Wirtschaft, Politik und Gesellschaft in Lübeck haben die Konzeption dieses großen Projekts ermöglicht. „Die Aufnahme in die Förderung durch das BMFTR ist ein deutlicher Beweis für das hohe Niveau, auf dem hier geforscht und gearbeitet wird“, so Cabos.
Die Zukunft beginnt jetzt. Der Forschungsraum SCET leistet einen Beitrag dazu, eine zukünftige Wärmeversorgung Lübecks über Wärmepumpen für Oberflächengewässer zu koordinieren und sicher zu gestalten. Und vielleicht dient er auch als Blaupause für andere Städte.
