Motivation und Zielsetzung

In Österreich entfällt rund 40 % des Endenergieverbrauchs auf den Bereich Wärme und Kälte, einschließlich der Prozesswärme in der Industrie (energie.gv.at). Damit stellt dieser Sektor den größten Anteil am gesamten Energieverbrauch dar – noch vor dem Verkehrsbereich und anderen Anwendungen. Besonders dominant ist dabei die Wärmenutzung.

Derzeit stammen 39 % der für Wärme und Kälte eingesetzten Energie aus erneuerbaren Quellen. Das bedeutet, dass über 60 % weiterhin durch fossile Energieträger gedeckt werden. Diese Abhängigkeit unterstreicht die zentrale Rolle der Wärmewende für das Gelingen der gesamten Energiewende.

Die Dekarbonisierung der Raumwärme und Klimatisierung ist daher ein zentraler Hebel für die Energiewende. Besonders in urbanen Räumen stehen zahlreiche lokal verfügbare, erneuerbare Wärmequellen wie Außenluft, Solarenergie, Erdwärme, Grundwasser oder Abwärme zur Verfügung. Die thermische Nutzung von Grundwasser ist stark standortabhängig und benötigt zumeist eine wasserrechtliche Genehmigung. Außenluft und Solarenergie hingegen sind nahezu überall verfügbar, werden aber bislang nur begrenzt in Wärmekonzepten berücksichtigt. Erdwärmesonden können an den meisten Standorten installiert werden und eignen sich bestens als saisonaler Speicher.

Das Projekt Multi-WP hatte zum Ziel, multivalente Wärmepumpensysteme – bestehend aus Luft- und Solewärmepumpen, Photovoltaik und Erdwärmesonden als saisonalen Wärmespeicher – hinsichtlich Effizienz, Flexibilität und Lastverschiebung zu optimieren. Durch die intelligente Kombination dieser Technologien sollen lokal verfügbare, nicht-fossile Energiequellen besser erschlossen und die Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpen signifikant verbessert werden. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen, zur Stärkung der heimischen Technologieentwicklung und zur Unabhängigkeit von Energieimporten.

Methodik und Werkzeuge

Ein zentrales Element der Systemkonzeption war die schnelle Einschätzung des geothermischen Potenzials am jeweiligen Standort. Hierfür wurde der Geothermieatlas der GeoSphere Austria eingesetzt – ein kostenfreies Online-Tool, das auf Basis von Standortdaten, Betriebsweise und optionaler Nennleistung das Energiepotenzial eines Erdsondenfeldes für Heiz- und Kühlzwecke über 20 Jahre berechnet. Es liefert automatisiert Energieflussdiagramme, Temperaturprognosen und Berichte und diente im Projekt zur Bewertung verschiedener Szenarien sowie zur Abschätzung des Flächenbedarfs des Erdwärmespeichers im Verhältnis zur verfügbaren Fläche.

Die Detailsimulationen wurden mit dem weiterentwickelten Tool PYGsim durchgeführt, das für die Erdsondensimulation die Python Bibliothek „pygfunction" (Cimmino, M., & Cook, J.C., 2022) verwendet.

Zusätzlich wurden Module für die technischen Speicher, Luft-Wärmetauscher und der Wärmepumpen programmiert, welche eine Koppelung im Stundentakt erlaubt. Die Eingabe der Kennlinien realer Wärmepumpen ermöglicht die dynamische Kopplung der Wärmepumpen mit dem Temperaturniveau der Wärmequellen und -senken mit Berücksichtigung von Regenerationseffekten. Dabei wurden reale Wetterdaten (2016 bis 2022) der GeoSphere Austria zur Berechnung der stündlich aufgelösten Heiz- und Kühlprofile verwendet. Die Profile basieren auf dem Jahresenergiebedarf und temperaturabhängigen Funktionen, angepasst an die Gebäudeträgheit. Die Simulationen über 20 Jahre erlauben eine solide Temperaturprognose der Erdwärmenutzung und dessen Auswirkungen auf den Leistungsfaktor der Wärmepumpen.

Einflussfaktoren und Systemkomponenten

Die Leistungsfähigkeit von Erdwärmesonden wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

• Freifläche und Sondenabstand: Je größer die verfügbare Fläche und je geringer der Abstand (5 bis 10 m), desto höher das Potenzial.
• Bohrtiefe: In Wien sind Tiefen von 120 bis 150 m üblich; tiefere Sonden liefern mehr Energie.
• Betriebsweise: Regeneration durch Gebäudekühlung reduziert den Flächenbedarf und verbessert die Effizienz.
• Wärmeträgermedium: Wasser-Frostschutz-Gemische (meist Wasser-Glykol) sind Standard; reines Wasser ist ökologisch vorteilhaft und leistungsfähiger, benötigt jedoch größere Sondenfelder um ein Einfrieren zu verhindern. Reines Wasser kann bei hoher Abwärmenutzung eingesetzt werden. Wasser-Ethanol-Gemische sind eine ökologisch vorteilhafte Alternative mit niedriger Viskosität und hoher spezifischer Wärmekapazität
• Untergrund: Temperatur, Wärmeleitfähigkeit und Grundwasser beeinflussen die Effizienz maßgeblich.
• Sondengeometrie: Doppel-U-Rohrsonden mit thermisch verbessertem Verpressmaterial sind Stand der Technik.
• Spezifische Entzugsleistung: Die spezifische Entzugsleistung der Sonden ist unter 30 W/m wirtschaftlich nicht darstellbar. (bei Wärmeentzug zur Gebäudebeheizung bis 2.200 Volllaststunden).

Die Wärmepumpenkennlinien wurden vom Projektpartner Ochsner Process Energy Systems (OPES) bereitgestellt. Die Simulation berechnet Heizleistung, Strombedarf und Coefficient of Performance (COP) dynamisch in Abhängigkeit der Quelltemperatur. Im Gegensatz zum Geothermieatlas, der mit vereinfachten Betriebsfunktionen arbeitet, erlaubt PYGsim die Abbildung komplexer Regenerationsstrategien – etwa durch Abwärmenutzung im Winter, wie sie in der Fallstudie Perchtoldsdorf mit einem Eislaufplatz umgesetzt wurde. Die detaillierte Simulation mit stündlicher Auflösung zeigt eine Reduktion des Erdsondenfelds um circa 20 %.

Die Dimensionierung der Erdwärmesonden erfolgte gemäß dem Regelblatt 207 vom Österreichischen Wasser- und Abfallwirtschaftsverband (ÖWAV). Ziel war es, die Sondeneintrittstemperaturen im Betrieb zwischen -3 °C (Heizen) und +30 °C (Heizen/Kühlen/Regeneration) zu halten. In Fällen mit hoher Abwärmenutzung konnte auf frostfreien Betrieb ausgelegt werden, was den Einsatz von reinem Wasser oder geringem Frostschutzmittelanteil ermöglichte.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die sechs Fallstudien im Projekt Multi-WP zeigen, dass alle untersuchten Konzepte technisch realisierbar sind. Besonders hervorzuheben ist die erfolgreiche Integration von Erdwärmesonden in dicht bebauten Gebieten (zum Beispiel Abelegasse, Naturhistorisches Museum Wien) sowie die Nutzung unterschiedlicher Abwärmequellen – etwa aus einem Eislaufplatz (Perchtoldsdorf), einem Rechenzentrum (Hohe Warte) oder durch kombinierte Luft- und Sole-Wärmepumpen (Aslangasse). In allen Fällen konnten die CO₂-Emissionen im Betrieb deutlich reduziert und langfristig niedrigere Betriebskosten im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen nachgewiesen werden. Die Investitionskosten variieren je nach Standort, bleiben jedoch im wirtschaftlich vertretbaren Rahmen.

Die Weiterentwicklung von PYGsim ermöglichte eine realitätsnahe Abbildung der Systemdynamik und Regenerationseffekte. Der Geothermieatlas von GeoSphere Austria erwies sich als effizientes Werkzeug zur Erstbewertung. Die entwickelten Konzepte eignen sich besonders für Bestandsgebäude ohne Fernwärmeanschluss, wie sie in vielen Städten häufig vorkommen. Die Ergebnisse bieten eine belastbare Entscheidungsgrundlage für Planungsbüros, Bauträger, Energieversorger und Kommunen.

Ausblick

Die Projektergebnisse werden durch Veröffentlichungen, Schulungen und Fachveranstaltungen verbreitet und fließen bereits in weitere Projekte ein. Die entwickelten Konzepte und Werkzeuge – insbesondere die Simulationstechniken – werden kontinuierlich weiterentwickelt. Angesichts der steigenden Nachfrage nach dezentralen, erneuerbaren Versorgungslösungen im Gebäudesektor leisten die Ergebnisse einen konkreten Beitrag zur Umsetzung der Klimaziele und zur Transformation des Energiesystems im Sinne des Programms „Stadt der Zukunft".

Projektleitung

Österreichische Energieagentur (AEA)

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• Ochsner Process Energy Systems GmbH (OPES)
• Geologische Bundesanstalt (GBA)

DI Dr. Franz Zach
Mariahilfer Str. 136
A-1150 Wien
Tel.: +43(1) 586 1524-106
E-Mail: franz.zach@energyagency.at
Web: www.energyagency.at