Emissionsminderung durch Solarenergie und Erdsondenspeicher (BTES)

Dewesoft Inspiretech hat ein System zur Erdsonden-Wärmespeicherung (Borehole Thermal Energy Storage, BTES) entwickelt und in einer Dewesoft-Industrieanlage im slowenischen Trbovlje implementiert. Dieses System umfasst eine intelligente Überwachung und soll dazu dienen, CO₂-Emissionen zu reduzieren, Betriebskosten zu senken und die Energieunabhängigkeit zu optimieren.

Heiz- und Kühlsysteme sind für 37 % der energiebedingten Emissionen in Europa verantwortlich. Da die saisonale Energieverfügbarkeit – insbesondere bei Solarenergie – nicht mit dem saisonalen Wärmebedarf übereinstimmt, besteht die Herausforderung, überschüssige Sommerwärme für den Winter zu speichern. Die BTES – Teilbereich der unterirdischen Wärmespeicherung (Underground Thermal Energy Storage, UTES) – bietet hierfür eine Lösung in Form der Speicherung thermischer Energie in Erdbohrungen.

Diese relativ neue Technologie wird weltweit bereits erfolgreich eingesetzt. Ein BTES-System besteht aus einem Feld vertikaler geothermischer Bohrlöcher, die als saisonale Wärmespeicher dienen. Im Sommer speisen Sonnenkollektoren und Wärmepumpen überschüssige Wärmeenergie in das System ein, die dann im Winter, wenn der Bedarf höher ist, wieder abgerufen wird. 

Das Konzept und das Gebäude

Das von Dewesoft Inspiretech in Zusammenarbeit mit Dewesoft entwickelte und umgesetzte BTES-Energiesystem ist für die Beheizung und Kühlung einer unserer Industrieanlagen in Trbovlje vorgesehen. 

Dewesoft erwarb die 2800 m² große Anlage im Jahr 2021 und unterzog das Gebäude anschließend einer umfassenden Sanierung – einschließlich der Erneuerung der Tragstruktur, der Wände und des Dachs. Heute beherbergt es die Dewesoft-CNC-Werkstatt, die L-Tek-Fertigungsanlagen, ein Lager sowie mehrere Start-ups. 

Die Grundidee besteht darin, ein System zu schaffen, das

1. außer Solarenergie keine weitere Energiequelle benötigt,

2. das Stromnetz nicht belastet,

3. keine Emissionen erzeugt und

4. nicht zur globalen Erwärmung beiträgt.

Mit dem Projekt verfolgte Dewesoft Inspiretech die folgenden Ziele:

• Energieautarkie durch Einbindung von lokal erzeugter Solarenergie

• Effiziente und nachhaltige Speicherung thermischer Energie

• Kontinuierliche Überwachung und Analyse der BTES-Leistung

• Ermöglichung einer Validierung der BTES unter Realbedingungen im mitteleuropäischen Klima

Umsetzung eines von anderen Industrien replizierbaren Modells

Wir bewerteten und dimensionierten das Design des Wärmespeichers anhand sowohl analytischer als auch numerischer Simulationen. Dieser mehrschichtige Forschungsansatz ermöglichte eine präzise Validierung aller wesentlichen Systemparameter und gewährleistet eine optimale Effizienz unter den gegebenen Betriebsbedingungen. 

Solarkollektoren und Wärmepumpen

Ein besonders interessanter Aspekt ist, dass die in der UTES-Erdwärmesonde gespeicherte Energie nahezu kostenlos genutzt werden kann. Während konventionelle Wärmepumpen nach dem Luft/Wasser-Prinzip arbeiten und beim sommerlichen Kühlen von Räumen die Außenluft erwärmen, nutzt die hier betrachtete Lösung eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe, bei der auf der einen Seite der Raum gekühlt und auf der anderen die UTES-Erdwärmesonde thermisch aufgeladen wird. 

Die Sonne stellt eine wichtige Energiequelle dar. Allerdings scheint sie nachts gar nicht und im Winter fünfmal weniger als im Sommer. Deshalb wurde das Wärmepumpensystem so ausgelegt, dass es nur dann arbeitet, wenn ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht.

Das Gebäude ist mit 400 m² Solarkollektoren ausgestattet, die zwei 100-kW-Wärmepumpen mit Strom versorgen. Diese Solaranlage deckt den gesamten für den Betrieb der Pumpen benötigten Strombedarf, wodurch eine fast vollständige Energieunabhängigkeit vom Stromnetz erreicht wird.

Abb. 5 und 6 zeigen das Funktionsprinzip der Bohrlöcher zur saisonalen Wärmespeicherung. 

Die beim sommerlichen Kühlen des Gebäudes erzeugte Wärme, die normalerweise verloren ginge, wird mithilfe der solarbetriebenen Wärmepumpen in das BTES-Feld gespeist. Im Winter kann diese gespeicherte Wärme für die Fußbodenheizung genutzt werden und reduziert so die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Bei ausreichend hohen Temperaturen im Bohrlochfeld reicht zur Beheizung der Räume im Winter oft eine Umwälzpumpe aus.

Design der Wärmespeicher- und Heizungsanlage

• Betriebsstätte: 2800 m² Produktionsfläche

• Solarkollektoren: 400 m²

• Wärmepumpen: 2 × 100 kW (thermisch)

• BTES-Konfiguration: 55 Bohrlöcher, jeweils 27 m tief

• Rohrleitungen: Gesamtlänge 1500 m

• Ziel-Temperaturbereich: 55 °C (Winteranfang) bis 30 °C (Winterende)

• Energiespeicherung im Sommer: 160 MWh

• Im Winter abrufbare Energie: 80 MWh

• Wirkungsgrad: geschätzt 40–50 %

• Amortisationszeit: 5–7 Jahre

Das BTES-System kann während der Sommermonate auch Energie aus technologischen Quellen – etwa aus Industrieanlagen oder Öfen – speichern, sodass der Speicher vollständig für den Winter aufgeladen werden kann. Von der gespeicherten Energie lässt sich während der Heizperiode etwa die Hälfte zurückgewinnen. 

Das BTES-System hat zwei grundlegende Betriebsmodi: die Ladephase und die Entladephase. Beide Bezeichnungen beziehen sich jeweils auf den aktuellen Status des Wärmespeichers. Die Ladephase erstreckt sich typischerweise von Mitte April bis Mitte Oktober, während die Entladephase den Rest des Jahres umfasst. 

Während der Ladephase wird Wärme gespeichert. Um über ausreichend Energie für die Heizperiode zu verfügen, wird dabei mehr Wärme eingespeist, als tatsächlich benötigt wird, da ein Teil der Energie – hauptsächlich durch Wärmeleitung in den Boden – verloren geht. Die zu speichernde Energie steht während der Ladezeit quasi kostenlos zur Verfügung, sofern sie aus Solarkollektoren, Photovoltaikanlagen und Überschusswärme von Klimaanlagen stammt. 

Während der Ladephase wird mit Strom aus Photovoltaikanlagen eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe betrieben, die dem Gebäude überschüssige Wärme entzieht (Kühlung) und in den Speicher überträgt. Ist die Gebäudetemperatur in der Ladesaison ausreichend niedrig, dann ist der Betrieb der Wasser/Wasser-Wärmepumpe nicht erforderlich. In diesem Fall übernimmt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, die der Außenluft Wärme entzieht, deren Temperaturniveau anhebt und sie dann in den BTES-Speicher einspeist. 

Als dritte Energiequelle dient technologische Überschusswärme, hauptsächlich aus SMD-Bestückungsautomaten, die direkt in den Speicher eingespeist wird. Diese Energie steht auch während der Entladephase zur Verfügung und kann vor Ort unmittelbar genutzt werden.

Das Überwachungssystem

Instrumentierung und Aufbau

Zur Gewährleistung eines langfristigen Betriebs und für die Echtzeitdiagnose implementierte Dewesoft eine mehrstufige Überwachungsarchitektur:

Geräte:

• Zwei Dewesoft IOLITEi-8xRTD-Module für eine präzise Temperaturüberwachung

• Hutschienen-Industrie-PC als zentrales Datenerfassungselement

Sensoren:

• Zwölf 4-Leiter-PT100-Temperatursensoren (Schutzart IP67), installiert in 1/3 und 2/3 der Bohrtiefe; Messstellen: Nord, Süd, Ost und West sowie zwei zentrale Punkte pro Ebene

Software:

• DewesoftX – Software für Datenerfassung und digitale Signalverarbeitung sowie zur Konfiguration der Messsysteme

• Historian plugin – Datenbanksoftware für langfristige und kontinuierliche Überwachungsanwendungen mit Logging und automatischer Datenübertragung im 30-Sekunden-Takt

• Grafana – interaktive, plattformübergreifende Open-Source-Webanwendung zur langfristigen Datenvisualisierung und Trendanalyse

• FUXA – webbasierte Software zur Echtzeit-Prozessvisualisierung (SCADA/HMI/Dashboard)

Visualisierungstools

Zur Verfolgung des thermischen Verhaltens und der Effizienz im Jahresverlauf wird Grafana eingesetzt. Diese Software ermöglicht es Technikern und dem Management, Veränderungen bei Temperaturgradienten, langfristiger Wärmehaltefähigkeit und Rückgewinnungstrends zu beobachten. FUXA erlaubt die Echtzeitvisualisierung von Systemtemperaturen und des Betriebszustands und unterstützt damit die Wartung vor Ort und die aktive Überwachung der Anlagensteuerung.

Integration von Überwachung und Steuerung

Zur Steuerung des Speichervorgangs messen wir die Bodentemperatur an verschiedenen Positionen und verwenden die ermittelte Kerntemperatur, d. h. den Mittelwert der gemessenen Temperaturen in 10,5 m und 18 m Tiefe im Zentrum des Bohrlochspeicherfeldes, als Referenz. 

Diese Temperatur vergleichen wir mit einer theoretisch berechneten charakteristischen Temperatur, die der Speicher zu einer bestimmten Zeit des Jahres haben sollte. Auf Grundlage der Abweichung entscheidet das Steuerungssystem über die weiteren Maßnahmen.

Während die Temperaturüberwachung und die Speichervisualisierung vollständig in die Dewesoft-Systeme integriert sind, werden weitere Messgrößen wie der Energieverbrauch und die erweiterte Steuerlogik (z. B. Durchfluss, Druck, Solarleistung) mithilfe von Drittsystemen erfasst. 

Die Datenströme werden über Node-RED – eine Low-Code-Entwicklungsplattform für Anwendungen zur Sammlung, Aufbereitung und Visualisierung von Daten – in Grafana zusammengeführt. Auf diese Weise wird eine einheitliche Dashboard-Darstellung gewährleistet, die die Kernfunktionen von DewesoftX nicht beeinträchtigt.

Ergebnisse – aktueller Status

Wir steuern die BTES auf Grundlage der Überwachung der Kerntemperatur. In Abb. 11 zeigt die Kurve “2025 by theoretical model” die Kerntemperaturen, die wir unter Annahme von 80 MWh verfügbarer Energie im Jahresverlauf für erreichbar halten. 

Die grüne Kurve "Monitored temperature" stellt die aktuelle Kerntemperatur dar. Die drei weiteren Kurven repräsentieren kubische Polynomapproximationen des gewünschten Temperaturverlaufs über das Jahr, wobei die ±1-°C-Kurven die zulässige Abweichung angeben.

Derzeit liegen wir etwa 0,5 °C unter der Zieltemperatur und damit in einem für das erste vollständige Betriebsjahr des BTES-Systems akzeptablen Rahmen.

Wirkung und Nutzen

Ökologischer Nutzen

• Deutliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen

• Eliminierung von Abwärmeverlusten

• Geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen

Wirtschaftlicher Nutzen:

• 17 % geringere Betriebskosten

• Amortisation durch Energieeinsparungen innerhalb von 5–7 Jahren

Energieunabhängigkeit:

• Nahezu vollständige Unabhängigkeit des Heiz-/Kühlsystems vom Stromnetz

• Optimierte Nutzung erneuerbarer Energien durch Integration von Solartechnik

Leistungstransparenz:

• Hochauflösende zeitliche und räumliche Überwachung der Untergrundtemperaturen

• Möglichkeit zur Feinabstimmung von saisonaler Performance und prädiktiver Instandhaltung

Fazit

Das von Dewesoft Inspiretech und Dewesoft entwickelte BTES-System und die zugehörige Überwachungsarchitektur zeigen, wie durch die Integration von innovativer Technik, Echtzeitdaten und erneuerbaren Energien effiziente, saubere und wirtschaftliche Energielösungen entstehen können. 

Das vorgestellte System senkt die Betriebskosten deutlich, verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und trägt zugleich zur Stärkung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes bei.

Die Kombination der präzisen Mess- und Analysesysteme von Dewesoft mit der Datenvisualisierung in Grafana und der Echtzeit-Prozesssteuerung über FUXA schafft eine skalierbare Referenz für Unternehmen weltweit, die nach nachhaltigen Energiestrategien suchen.

Dieses Projekt ist nicht nur ein Schritt hin zu umweltfreundlicheren Betriebsabläufen – es ist eine Demonstration von Führungskompetenz beim Einsatz fortschrittlicher, durch Datenintelligenz unterstützter thermischer Speichertechnologien.