Thermische Strömungssimulation für die räumliche Energieplanung mit Seewasser

Seen und andere Oberflächengewässer stellen einen enormen natürlichen Energiespeicher dar, der sowohl ökologisch als auch ökonomisch effizient genutzt werden kann. Durch den Einsatz von Seewasserwärmepumpen lässt sich diese gespeicherte thermische Energie für die Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden erschließen und trägt so maßgeblich zur Dekarbonisierung der kommunalen Wärmeversorgung bei. Thermische Strömungssimulationen bilden dabei eine unverzichtbare Grundlage für die räumliche Energieplanung und ermöglichen eine fundierte Bewertung der Rahmenbedingungen und Anforderungen für eine nachhaltige thermische Nutzung von Seewasser.

Strömungssimulation als Planungsinstrument für Behörden, Planer und Energieversorger

Ein wesentlicher Vorteil thermischer Strömungssimulationen liegt in ihrer kommunikativen Funktion: Sie machen die zu erwartenden thermischen und strömungsmechanischen Zustände im Gewässer für alle Beteiligten – Behörden, Planer und Energieversorger – anschaulich und nachvollziehbar sichtbar. Dies erleichtert wasserrechtliche Genehmigungsverfahren erheblich und schafft eine gemeinsame Planungsgrundlage, auf der fundierte Entscheidungen über Standorte, Leistungsklassen und Betriebskonzepte für die Seewassernutzung getroffen werden können.

3D-Modellierung durch Digitalisierung von Tiefenkarten

Die Grundlage jeder thermischen Strömungssimulation bildet ein präzises digitales Geländemodell des Gewässers. Hierfür werden vorhandene Tiefenkarten digitalisiert und in ein dreidimensionales Rechenmodell überführt, das die reale Beckengeometrie mit ihren Tiefen- und Uferverläufen exakt abbildet. Je genauer dieses 3D-Modell die tatsächlichen bathymetrischen Verhältnisse widerspiegelt, desto belastbarer und aussagekräftiger sind die Ergebnisse der CFD-Simulation.

Simulation der Temperaturschichtung im Heiz- und Kühlbetrieb

Die Strömungssimulation bildet die Temperaturschichtung im Gewässer unter Berücksichtigung der Zu- und Rückführleitungen sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb realitätsnah ab. In natürlichen Gewässern entsteht durch solare Einstrahlung, Windmischung und jahreszeitliche Einflüsse eine charakteristische thermische Schichtung – die sogenannte Thermokline –, welche die Temperaturverfügbarkeit und das Strömungsverhalten maßgeblich beeinflusst. Die Simulation quantifiziert diese komplexen Wechselwirkungen zwischen Wärmeein- und -ausleitungen und der natürlichen Schichtung und liefert so belastbare Planungsdaten für die Auslegung von Seewasserwärmepumpenanlagen.

Zeitliche Auflösung saisonaler Temperaturschwankungen

Die zeitlich aufgelöste Betrachtung der Temperaturschwankungen im Gewässer ermöglicht eine realistische Abschätzung der saisonalen Leistungsverfügbarkeit des Seewassersystems über einen vollständigen Jahresverlauf. Temperaturganglinien und deren Abhängigkeit von Witterungseinflüssen, Nutzungsintensität und Betriebsregimen können so detailliert analysiert und für die Systemauslegung genutzt werden.

Optimierung der Zu- und Rücklaufgeometrie zur Vermeidung von Kurzschlussströmungen

Durch systematische Variation der Zu- und Rücklaufgeometrien – also der Anzahl, Anordnung und Ausrichtung der Ein- und Auslassbauwerke – werden die jeweiligen thermischen Einflussgebiete im Gewässer bestimmt. Auf diese Weise lassen sich hydraulische und thermische Kurzschlussströmungen zuverlässig vermeiden, die Effizienz der Seewassernutzung maximieren und mögliche ökologische Beeinträchtigungen des Gewässers auf ein Minimum reduzieren.

Im Rahmen eines innovativen Energiekonzepts wird ein Hafenbecken als natürliche Wärmequelle und -senke für den Kühl- und Heizbetrieb umliegender Bürogebäude genutzt. Oberflächengewässer wie Hafenbecken, Seen oder Flüsse eignen sich aufgrund ihrer thermischen Speicherfähigkeit hervorragend als Grundlage für wasserbasierte Wärmepumpensysteme und können im Vergleich zu konventionellen Klimaanlagen erhebliche Energieeinsparungen erzielen.

Zur Bewertung der thermischen Auswirkungen auf das Gewässer wurden thermische Simulationen durchgeführt, mit denen der Temperatureinfluss des Wärmeentzugs und der Wärmeeinleitung auf das Hafenbecken quantifiziert werden kann. Solche Simulationen sind essenziell, um sicherzustellen, dass die Wassertemperatur innerhalb ökologisch und behördlich zulässiger Grenzen bleibt und keine unerwünschten thermischen Schichtungen entstehen.

Ein besonderes Augenmerk wurde auf die hydraulische Auslegung der Zu- und Ableitungen an der Kaimauer gelegt. Thermische oder hydraulische Kurzschlüsse – also die direkte Rückführung von bereits temperiertem Wasser zur Ansaugstelle – würden die Effizienz des Systems erheblich mindern. Durch eine sorgfältige Positionierung und strömungstechnische Gestaltung der Ein- und Auslassbauwerke kann dieser Effekt zuverlässig verhindert werden.

Um übermäßig hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Hafenbecken zu vermeiden, wurde die Anzahl der Zu- und Ableitungen variiert und optimiert. Hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten können Sedimentaufwirbelungen verursachen, aquatische Lebewesen beeinträchtigen und zu erhöhtem Verschleiß an den technischen Anlagen führen. Eine Verteilung des Volumenstroms auf mehrere Einleitstellen reduziert diese Risiken und sorgt für eine gleichmäßigere Durchströmung des Beckens.

Die Ansaugkästen wurden gezielt dimensioniert, um den Einzug von Fischen und anderen aquatischen Organismen in das Leitungssystem zu verhindern. Hierbei kommen in der Praxis feinmaschige Rechen, Siebe oder spezielle Schutzgitter zum Einsatz, deren Durchströmungsgeschwindigkeit so gering gehalten wird, dass Fische nicht angesaugt werden. Entsprechende Grenzwerte für die Anströmgeschwindigkeit sind in wasserrechtlichen Regelwerken und Umweltauflagen verankert.

Abschließend wurde die biologische Verträglichkeit des Gesamtsystems untersucht. Dabei wurden mögliche Auswirkungen auf das Ökosystem des Hafenbeckens bewertet, insbesondere hinsichtlich Temperaturveränderungen, veränderter Sauerstoffverhältnisse und der Einschleppung gebietsfremder Organismen. Eine umweltverträgliche Planung stellt sicher, dass der Betrieb der Anlage im Einklang mit den wasserrechtlichen Genehmigungsanforderungen und den Zielen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie steht.