Kann Wärme aus Flüssen und Seen dazu beitragen, Städte künftig nachhaltiger zu beheizen? Dieser Frage widmet sich ein interdisziplinäres Forschungsteam der Technischen Hochschule Lübeck im Projekt SCET (Smart Connected Environments). Untersucht wird, ob sich Energie mithilfe von Wärmepumpen aus Lübecks Oberflächengewässern gewinnen lässt und welche Auswirkungen dies auf die Gewässerqualität hätte. Das Projekt wird im Rahmen der Maßnahme HAW-Forschungsraum Qualifizierung mit 3,9 Millionen Euro durch das BMFTR (Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt), die GWK (Gemeinsame Wissenschaftskonferenz) und das Land Schleswig-Holstein gefördert.

Unter der Verantwortung von Vizepräsidentin Prof. Dr. Karen Cabos und der Leitung von Prof. Dr. Claas Heymann entsteht an der TH Lübeck ein Forschungs- und Qualifizierungsraum für datengetriebene Vernetzung in der urbanen Umwelt-, Energie- und Klimaforschung. Kern des Vorhabens sind Echtzeitmodelle, in denen zahlreiche Umweltdaten zusammengeführt werden. Auf dieser Grundlage sollen künftig fundiertere Entscheidungen zur Energieversorgung in Lübeck möglich werden.

Dafür werden Daten aus den Bereichen Energie, Wetter, Ökologie und perspektivisch auch zum Nutzungsverhalten der Bevölkerung erfasst und ausgewertet.

Der gesellschaftliche Nutzen sei erheblich: „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 bzw. zur Nutzung angepasst werden.“

Drei Module für Forschung, Infrastruktur und Nachwuchs

An dem Vorhaben sind acht Professoren aus allen vier Fachbereichen der TH Lübeck beteiligt. Gemeinsam wollen sie neue Ansätze für die Energiewende entwickeln und den Wirtschaftsstandort stärken.

„Unser Projekt ist dreiteilig mit einen starken Anwendungsfokus“, erläutert Heymann. „In allen drei Modulen setzen wir zudem auf die Zusammenarbeit mit vielen Partnern aus unterschiedlichsten Bereichen.“

Im ersten Modul entsteht die Daten- und KI-Infrastruktur. Dort werden Informationen aus dem Wasser-Wärme-Energie-Klima-Nexus gesammelt und mithilfe künstlicher Intelligenz aufbereitet. Das zweite Modul trägt den Namen SEEN (Smart Environment and Energy Nexus). Es nutzt die Infrastruktur des ersten Moduls, um Zusammenhänge zwischen Wasser, Energie, Wärme und Umwelt abzubilden. Ziel ist die Verknüpfung von Umwelt-, Energie- und Stadtdaten, um eine nachhaltige Energieversorgung zu unterstützen. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie die Wärmeversorgung Lübecks auch unter Extrembedingungen durch intelligente Steuerung gesichert werden kann.

Das dritte Modul konzentriert sich auf die Nachwuchsförderung. Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler bearbeiten eigene Forschungsvorhaben im Rahmen des Promotionszentrums Lübeck. Zudem wird hier der Wissenstransfer in die Gesellschaft organisiert.

Flusswärmepumpen als mögliche Energiequelle

Die Themen Klimawandel, erneuerbare Energien und Smart City gewinnen zunehmend an Bedeutung. Gerade die historische Altstadt Lübecks stellt besondere Anforderungen an die Wärmewende. Klassische Maßnahmen wie Gebäudedämmung oder dezentrale Wärmepumpen lassen sich dort nur eingeschränkt umsetzen, während der Energiebedarf der historischen Gebäude hoch bleibt. Vor diesem Hintergrund werden alternative Lösungen diskutiert. Eine davon ist die Nutzung von Flusswärmepumpen.

„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 für das Zusammenspiel von Wasser, Energie und Umwelt

Um die technische Machbarkeit und mögliche Umweltfolgen zu untersuchen, werden bereits heute Daten an Trave und Wakenitz erhoben. Weitere Messstationen sollen folgen. Erfasst werden unter anderem Wetterdaten, Pegelstände und Gewässerparameter.

„Die lokalen Lübecker Gewässer sind seit mehreren Jahren Forschungsgegenstand verschiedener Arbeitsgruppen an der der TH Lübeck“, so Cabos. „In diesem neuen Projekt wird diese Expertise nun gebündelt. Wir erforschen den sogenannten Nexus Wasser, Energie, Wärme.“

Der Begriff Nexus beschreibt die enge Verknüpfung verschiedener Systeme. Veränderungen in einem Bereich wirken sich auf andere Bereiche aus. Deshalb sollen die Zusammenhänge im Gesamtsystem untersucht werden.

„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.“

Wärmeversorgung und Gewässerschutz gemeinsam betrachten

Auf Basis großer Datenmengen sollen möglichst präzise Echtzeit-Analysen entstehen. Dabei geht es unter anderem um Fragen wie den künftigen Wärmebedarf, die mögliche Entnahme von Wärme aus Gewässern und den Einsatz von Wärmespeichern während Kälteperioden.

„Das Forschungsprojekt schafft auch Voraussetzungen, um die geplante Wärmeversorgung von Lübeck über Wasserwärmepumpen auch in extremen Situationen zu sichern“, so Heymann.

Zusätzlich entwickeln die Forschenden neue Messverfahren, mit denen biologische Gewässerparameter automatisch erfasst werden können. Bestandteil des Projekts ist außerdem ein intelligentes Energiemanagementsystem, das erneuerbare Energien in ein Smart Grid einspeist und die Energieverteilung in Echtzeit an den Verbrauch anpasst. Mithilfe mathematischer Modelle sollen darüber hinaus die Wechselwirkungen zwischen Wetter, Hydrologie, Hydrodynamik und Energieverbrauch besser verstanden werden.

„Mit Hilfe mathematischer Modelle zu Beziehungen zwischen Wetter, Hydrologie, der Hydrodynamik und Energieverbrauchern sind dann auch verbesserte Vorhersagen zur Auswirkung dieser Eingriffe in unsere Lübecker Gewässer möglich,“ hofft Heymann.

Forschung für die Wärmeversorgung der Zukunft

Die Forschenden haben SCET mit Blick auf aktuelle Herausforderungen entwickelt. Steigende Gewässertemperaturen, stärkere Schwankungen und häufigere Extremereignisse treffen auf den Wunsch nach einer verlässlichen und möglichst klimafreundlichen Wärmeversorgung. Die enge Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen sowie die Vernetzung mit Wirtschaft, Politik und Gesellschaft bildeten die Grundlage für die Entwicklung des Projekts.

„Die Aufnahme in die Förderung durch das BMFTR ist deutlicher Beweis für das hohe Niveau, auf dem hier geforscht und gearbeitet wird“, so Cabos.

Mit dem Forschungsraum SCET soll untersucht werden, wie eine koordinierte und sichere Wärmeversorgung über Oberflächengewässer künftig möglich sein könnte. Die Ergebnisse könnten dabei auch für andere Städte von Interesse sein.

Quelle: TH Lübeck: Gemeinsam für Klimaschutz und nachhaltige Energiesysteme