HuKmeN

Table of contents

1. 1. 1. Hintergrund
      2. Zielsetzung
      3. Arbeitsschritte
      4. Umsetzung und Ergebnisse
      5. Wissenstransfer
      6. Projektfinanzierung
      7. Zuwendungsgeber:
      8. Projektträger:
      9. Projektlaufzeit
      10. Kooperationspartner
      11. Kontakt

Hintergrund

Die Energiewende in Deutschland zielt auf klimaneutrale Versorgung. Dafür braucht es CO2‐ arme oder ‐freie Energietechnologien. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien steigt kontinuierlich. Den Wärmemarkt beherrschen fossile Energieträger. Der Beitrag erneuerbarer Wärme aus Geothermie ist aktuell marginal, muss es aber nicht bleiben. Entscheidend sind technisch-technologische Angebote, die fähig sind, sich dem Wettbewerb zu stellen. HEIZEN UND KÜHLEN MIT EINEM NETZ – TECHNIK FÜR GEOTHERMISCHE INFRASTRUKTUR (FKZ 03EE4028) bildet die Klammer dieser zusammenhängenden Technologieentwicklung. Diese Infrastruktur setzt sich aus drei anlagentechnischen Komponenten zusammen:

• Geothermiekollektor (Wärmetausch)
• Kaltwärmenetz (Verteilung)
• Hausanschluss für Erdwärme (zur Nutzung per Wärmepumpe/Kältemaschine)

Der Erdwärmeaufschluss mit seiner montagetechnischen Skalierung löst den Erdkollektor aus der kleinteiligen Insellösung. Der dadurch eröffnete, netzgebundene Hausanschluss für Erdwärme erhebt die Betriebsvorteile der Umweltquelle zur Wärmeinfrastrukturlösung, die dem Wettbewerb mit Fernwärme‐ und Gasnetzen im Stand der Technik sowie Erdöl gewachsen ist. Das Systemangebot eröffnet wirtschaftliche Perspektiven für einen energieeffizienten und klimaneutralen Transformationspfad im Wärmesektor. Hierauf zielt das Forschungsvorhaben - eine effiziente, industrielle Montagetechnologie für den wirtschaftlichen und großflächigen Erdwärmeaufschluss zur großräumigen Versorgung dezentraler Wärmepumpen/Kältemaschinen mit Anergie.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die maschinen- und verfahrenstechnische Umsetzung des skalierten Erdwär-meaufschlusses. Benötigt wird eine wirtschaftliche, zuverlässige und integrierte Montagetechnik. Das Projektziel untergliedert sich hierbei in zwei wesentliche Schwerpunkte:

1. Verifizierung und Validierung der Maschinensystementwicklung 

Kern des Vorhabens ist die Anknüpfung an die im Vorgängerprojekt 'KollWeb 4.0' entstandenen Ergebnisse. Dies bedeutet konkret, die systematische Inbetriebsetzung, Erprobung und Validierung der aufgebauten Maschinensystemlösung zum flächigen Einbringen von Erdwärmekollektoren.

2. Entwicklung und Validierung des Montageverfahrens

Ein weiterer, wesentlicher Aspekt ist die systematische Untersuchung, Entwicklung und Bereitstellung der Verfahrenstechnik im Zusammenspiel mit dem Maschinensystem unter Einsatz- und Betriebsbedingungen. Diese Verknüpfung ist der entscheidende Schlüsselfaktor für eine kostengünstige, funktionssichere und zuverlässige Gesamtmontage der Kollektoranlage. Das Projekt ist ein Anschlussvorhaben zum Projekt „KollWeb 4.0“ (FKZ: 03ET1427B).

Arbeitsschritte

Im Forschungsvorhaben „HuKmeN“ wird das gesamte Techniksystem aus Verlegepflug und Bautechnologie zum kollektorgestützten Erdwärmeaufschluss bis zum Erreichen der praxisgerechten Einsetzbarkeit und dem Nachweis (Validierung) der Funktion und Leistungsfähigkeit incl. Leistungsparameter weitereinwickelt, erforscht und erprobt. Dies schließt alle bautechnischen Systemkomponenten, von der Verlegemaschine über technische Funktionsbaugruppen, Hilfsvorrichtungen für die Kollektormontage, Ausrüstungsgegenstände bis zur messtechnischen Dokumentation mit ein. Wichtige Schwerpunkte sind hier die:

• begleitete Inbetriebnahme der einzelnen Teilbaugruppen und der Gesamtmaschine,
• Systementwicklung der Bautechnologie mit Erprobung der Periphertechnik
• Funktionserprobung und Verlegetests
• konstruktive Überarbeitung sowie Redesign notwendiger Systembaugruppen – Finales Design des Verlegesystems „Kollektorweber“
• Fachaustausch zum Wissens‐ und Technologietransfer im Anwenderdialog

Umsetzung und Ergebnisse

Die entwickelte Systemtechnologie hat das Potential, die Leistungsfähigkeit im Erdwärmeaufschluss erheblich zu steigern. Das stärkt die technische Infrastrukturentwicklung vom „Heizen und Kühlen mit einem Netz“ auf dem Weg zum „Hausanschluss für Erdwärme“.

Der Demonstrator Verlegemaschine wurde im ersten Projektabschnitt schrittweise in seinen Funktionshauptkomponenten erfolgreich in Betrieb genommen:

• Vermessung und des Maschinensystems in seinen wesentlichen technischen Leistungsparametern, Zugkraftvermögen, Verlegegeschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch usw.
• Validierung der zu Entwicklungsbeginn nur näherungsweisen Lastannahmen für den praktischen Maschineneinsatz (effektive Zugkraftvermögen der Maschine und der verschiedenen Verlegewerkzeuge auf verschiedenen Böden und Untergründen)
• Inbetriebsetzung der Automationsfähigkeiten zur Erleichterung von Teilarbeitsprozessen – z.B. Steuerung per Fernbedienung für Auf- und Abladevorgänge vom Tieflader, Unterstützung beim Hindernismanagement usw.

Umsetzung von Assistenzfunktionen, welche den Bediener im Verlegeprozess unterstützen und sich wiederholende Arbeitsgänge automatisieren wurden implementiert. Hierzu zählen:

• die RTK-GPS-geführte Verlegung (nach Vorplanung)
• automatisierten Einschwenk- und Ausschenkvorgang am Anfang und Ende des Kollektors.
• automatisierte Verlegedokumentation – digitale Erfassung der Trassierung (Ist-Rohrablage) bei der Kollektorverlegung

Die Entwicklung und Validierung der gesamten Bautechnologie zur Kollektorherstellung war und ist der zweite wichtige Baustein hin zum industriemaßstäblichen, verfahrenstechnischen Erdwärmeaufschluss. Hier wurden insbesondere Lösungen für die Integration des Maschinensystems in die Bautechnologie entwickelt:

• eine durchgängig digitale Montageplanung und Dokumentation ist ein wichtiges Ergebnis dieses Entwicklungsprozesses.

Mit bautechnologischen Untersuchungen und der Umsetzung verschiedener maßstäblicher Versuchskollektoren im Freifeld konnte das Zusammenspiel der einzelnen Phasen des Bauablaufes weiterentwickelt und gefestigt werden. Im Zuge dessen wurde das Anschluss- und Kopfgrabenmanagement für derartige Anschlussbauwerke in umfangreichen Tests verbessert. Es entstanden technisch spezifische Lösungen zur Befüllung und Entlüftung der Anlagensysteme, um deren spätere Inbetriebnahme abzusichern.

• Zu den Versuchskollektoren erfolgten erste Untersuchungen zur thermodynamischen Leistungsfähigkeit des Bodens.

Im Vorfeld wurden diese Lösungen in einem maßstäblichen, transparenten Labortechnikum am AST auf ihre Eignung untersucht, messtechnisch erfasst und umfangreichen Simulationsrechnungen zugrunde gelegt.

Parallel wurden für erste Industrieanwendungen technische Wärme- und Kältekonzepte entwickelt .

Es entstanden Konzeptenwürfe für unterschiedliche Anwendungslinien – von Industrieller Wärme und Kälteversorgung bis Systemgrößen von 16 ha.

Aktuell kann festgehalten werden, dass ca. 90 % der ursprünglich anvisierten Projektziele erfolgreich umgesetzt wurden. Letztes Ziel bis Ende des Projektes ist die komplette und durchgängige Umsetzung eines finalen Technikumkollektors (ca. 0,5 ha) unter Anwendung der gesamten Technologiekette vom Maschinensystem bis hin zur bautechnologischen Systemlösungen unter Baustellenbedingungen mit abschließender Dokumentation. Damit steht eine valide, einsatzbereite Systemtechnologie zur Verfügung.

Wissenstransfer

Investoren, Versorger, Stadtplaner, Kommunen und Landwirte zählen zu den prioritären Adressaten für die entwickelte Systemtechnologie. Bereits bei Testfahrten wurden montagetechnische Arbeitsabläufe den Adressaten dieser Erdwärmenutzung nähergebracht und finden damit Eingang in deren Planungen, Planungsrandbedingungen und

Infrastrukturentwicklungen. Hierzu wurden verschiedene Feldtage zur technischen Kommunikation organisiert. 2023 fand eine größere Anwendungsvorführung mit Vortragsreihe bei einem potentiellen, industriellen Anwender statt. 2024 erfolgte eine 2. Demonstration des Technologiepotentials vor örtlichen Stadtwerken und Planern in Brandenburg.

Mit der Teilnahme an der Messe Geotherm 2025 in Offenburg wurde das Maschinensystem einer breiten Fachöffentlichkeit präsentiert. Die Resonanz auf die entwickelte Systemlösung war durchgängig positiv. Dies beweisen die vermehrten Anfragen beim Projektpartner und Agrothermiesystementwickler, der Doppelacker GmbH.

Im Rahmen des Projekts wurde 2024 den Entwicklungsergebnissen unter dem Titel „Verlegeverfahren und Verlegemaschine“ das Patent erteilt. Zudem wurden verschiedene Projektergebnisse auf wissenschaftlichen Fachforen veröffentlicht. Hierzu zählt z.B. ein Vortrag auf der VDI-Konferenz AgEng 2024 mit dem Titel „Draft force evaluation of a deep ploughing technology for the installation of geothermal collectors under arable land“. Des Weiteren gab es Presseveröffentlichungen basieren auf der Gesamttechnologie Agrothermie sowie zum Systemansatz Heizen und Kühlen mit einem Netz (TUD-Press: Mit Erdwärme zur klimaneutralen Gemüseproduktion, Wirtschaftwoche: Wenn die Heizungswärme aus dem Acker kommt …).

Projektfinanzierung

Förderkennzeichen: 03EE4028

Zuwendungsgeber:

Projektträger:

Projektlaufzeit

01.03.2021 bis 30.11.2025

Kooperationspartner

Kontakt