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Seewassernutzung mit riesigem Potenzial

Lokale erneuerbare Energie nutzen

In Schweizer Seen ist viel Energie gespeichert. Diese nutzt Energie 360° zum klimafreundlichen Heizen und Kühlen von Überbauungen und Quartieren in Städten und Gemeinden. Die Einsparung an CO2-Emissionen dabei ist beachtlich.

Die Gemeinde Meilen am Zürichsee setzt auf die thermische Seewassernutzung.

Energiequelle der Zukunft: Die thermische Seewassernutzung

In den Schweizer Seen schlummert ein immenses Potenzial für die Gewinnung klimafreundlicher Energie. Dabei ist für einmal nicht die Rede von den Stauseen, die fernab der grossen Städte in den alpinen Regionen eigens für die Gewinnung von Strom errichtet wurden. Nein, die Energielieferanten der Zukunft sind die Seen des Mittellands und am Alpenrand, an deren Ufer viele der grossen Schweizer Städte liegen. Sie sind ein nie versiegendes Reservoir für die Versorgung Zehntausender Haushalte und Unternehmungen mit Energie für die Heizung und Kühlung mittels Einsatzes von Wärmepumpen. Sauber, erneuerbar und praktisch unerschöpflich.

Premiere am Wohlensee

Der Gemeindepräsident der Gemeinde Hinterkappelen bei Bern ist stolz: Am Wohlensee wird aus dem Wasser Energie zum Heizen gewonnen. Zum ersten Mal haben wir eine Seewassernutzung von der Quelle bis zum Abnehmer dokumentiert.

So wird Energie aus Seewasser gewonnen

Und so funktioniert diese zukunftsträchtige Form der Seewasserheizung: In 20 bis 40 Metern Tiefe wird Wasser aus dem See ans Ufer gepumpt. Über einen Wärmetauscher wird die Wärmeenergie des in dieser Tiefe 4 bis 10 Grad warmen Seewassers auf ein Kältemittel in einem separaten Kreislauf übertragen. Das Seewasser wird nach dem Durchlaufen des Kreislaufs sauber und unversehrt wieder zurück in den See geleitet.

Wichtig zu wissen: Das Kühlmittel zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Es kommt weder mit dem Seewasser noch mit dem Heiz- und Brauchwarmwasser je in Berührung.

Das im Wärmetauscher temperierte Kühlmittel verdampft und erhöht seine Temperatur beim Durchströmen eines Kompressors. Ähnlich wie die Luft, die sich beim Zusammenpressen in einer Velopumpe erwärmt.

In einem weiteren Wärmetauscher gibt das Kühlmittel die Wärmeenergie an das Heiz- und Brauchwarmwasser weiter. Dieses wird so auf die gewünschte Temperatur erhitzt und dann in die angeschlossenen Haushalte geleitet. Dasselbe Prinzip – nur umgekehrt – wird bei der Kühlung angewendet.

An einen solchen Kreislauf angeschlossen ist jeweils ein Energieverbund aus Privathaushalten und Gewerbeliegenschaften. Energie 360° entwickelt und realisiert mehrere solcher Grossprojekte zum Beispiel in Meilen, Wohlen bei Bern, Tolochenaz und Zürich Tiefenbrunnen. Das neuste entsteht in Thalwil. Baubeginn ist Frühling 2021. Der Energieverbund soll rund 100 Liegenschaften mit 13 Millionen Kilowattstunden Wärme und 500'000 Kilowattstunden Kälte versorgen. Thalwilerinnen und Thalwiler sparen so 2800 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr ein.

Arbeiter verlegen eine Leitung im See bei Meilen.
Durch diese Leitungen wird das Wasser dereinst ans Ufer gepumpt und zur Energiegewinnung genutzt.

Spülbohrung: So kommen die Leitungen in den Boden

Meterlange Rohre, viel Flüssigkeit sowie gefrässige Bohrköpfe sind nötig, um Wasserleitungen in den Boden einzuziehen. Bei der Spülbohrung räumt ein Aufsatz, der sogenannte Bohrmeissel, den Weg frei. Diese erste Durchbohrung mit kleinerem Durchmesser zeichnet den Weg der späteren Hauptleitung vor. Danach weiten die Bauarbeitenden den dünnen Tunnel mit einem sogenannten Räumer aus und ziehen die Rohre hindurch. So steht die künftige Leitung.

Ein Gemisch aus Wasser und Bentonit, einem festigenden Stoff, spült das durchbohrte Material im Tunnel rückwärts zum Eingang und stabilisiert gleichzeitig den Hohlraum. Denn der Tunnel darf nicht einstürzen.

Etwas komplizierter gestalten sich die Arbeiten, wenn sich das eine Ende der Leitung unter Wasser befindet. Tauchexpertinnen und -experten unterstützen die Bauarbeitenden bei Aufträgen im See.

 

Zahlen und Fakten zum Thema Seewasserenergie

Wieviele Seen gibt es in der Schweiz?

Die Schweiz hat 79 Seen mit einer Fläche von mehr als 0,5 km² und 6668 Kleinseen mit einer Fläche zwischen 500 und 500'000 m².

Wieviel Wasser fassen die zehn grössten natürlichen Seen?

221,3 Kubikkilometer

Wieviel Energie könnte man daraus gewinnen?

Es könnte Wärme- und Kühlenergie für ein bis zwei Millionen Menschen gewonnen werden. Das Potenzial liegt bei bis zu zwei Gigawatt, was der Leistung von zwei Kernkraftwerken entspricht

Wie viele thermische Seewasserfassungen gibt es am Zürichsee?

In Meilen, Horgen, Rapperswil und der Stadt Zürich sind derzeit rund 50 Wärmeverbunde in Betrieb oder in Planung, die auf der Wärme aus Seewasser basieren.

Wie viele Haushalte können an eine thermische Seewasserfassung angeschlossen werden?

Grosse Projekte sehen die Versorgung von bis zu 6800 Haushalten vor.

So wirkt sich die thermische Seewassernutzung auf die Umwelt aus

Was bringt uns die thermische Nutzung des Seewassers und wie wirkt sich diese auf das ökologische Gleichgewicht in den Schweizer Seen aus?

Alfred Wüest, Gewässerphysiker am Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs (Eawag) kennt die Antworten.

Gewässerphysiker Alfred Wüest
Alfred Wüest, Gewässerphysiker am Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs (Eawag)

Wie gross ist das Potenzial der Seewassernutzung mittels Wärmetauscher in der Schweiz?
Ich schätze, dass in den Schweizer Städten, die an den grössten Seen liegen, ein bis zwei Millionen Menschen ihre Wohnungen mit Wärme oder Kälte aus einem See heizen oder kühlen könnten. Würde die Technologie in den dafür geeigneten Gemeinden flächendeckend eingeführt, könnten wir theoretisch bis zu zwei Gigawatt Leistung aus den Seen gewinnen. Dies entspräche der Leistung von zwei Kernkraftwerken.

Sie sagen, diese Leistung könnte theoretisch erzeugt werden. Welches sind die limitierenden Faktoren?
Zum einen ist es der Abstand zum See und die Besiedlungsdichte. Um die Wärme in die Häuser zu bringen, müssen Leitungen verlegt werden. Je weiter die Liegenschaften vom See entfernt sind und umso grösser ihre Abstände, desto länger werden die Leitungen. Zum anderen spielt auch die Höhenlage der Abnehmer eine Rolle, wenn Siedlungen einer Stadt am Hang gebaut sind. Mit Pumpen können zwar Steigungen überwunden werden. Aber das erhöht natürlich den Aufwand und beeinflusst die Wirtschaftlichkeit.

Ist diese Form der Wärme- und Kühlenergiegewinnung nicht enorm teuer?
Natürlich kostet es viel Geld, in dicht bebautem Raum ein Leitungsnetz zu verlegen. Eine weitsichtige Planung und die finanzielle Absicherung der aufwändigen Vorinvestitionen sind daher unabdingbar. Der wirtschaftliche Betrieb eines grossen Projekts ist aber durchaus realistisch, wenn in seinem Einzugsgebiet möglichst viele Haushaltungen angeschlossen werden. Idealerweise werden also gleich ganze Wohnviertel einbezogen, wenn diese neu gebaut werden. Es macht also Sinn, diese Form der Seewassernutzung raumplanerisch vorzubereiten.

Wie wirkt es sich auf die Ökologie in den Seen aus, wenn dem Wasser Wärme entzogen wird?
Es ist alles eine Frage des Masses. Es ist darauf zu achten, dass die Wärmeentnahme in einem vernünftigen Rahmen abläuft. Aber selbst wenn die Realisierung grosser Projekte zu einer Senkung der Seetemperatur um ein halbes Grad führen sollte, wäre dies ökologisch unbedenklich. Die Oberflächentemperatur unserer Seen ist in den vergangenen 40 Jahren durch die Klimaerwärmung rund zwei Grad gestiegen. Die Wärmeentnahme wäre also sogar ein kleiner Beitrag, um diese Entwicklung zu bremsen.

Wie sieht es umgekehrt mit der Nutzung des Seewassers für die Kühlung aus?
Grundsätzlich ist der Wärmeentzug aus dem See tatsächlich unbedenklicher als die Zuführung von Wärme. Die Kühlung mit Seewasser verdient daher sicher mehr Aufmerksamkeit. Wir sprechen uns dafür aus, das Wasser in der sogenannten Sprungschicht, in einer Tiefe zwischen 15 und 40 Metern an den See zurückzugeben. In dieser Schicht schwanken die natürlichen Wassertemperaturen dauernd und manchmal sogar sehr stark in kurzer Zeit. Fische und andere Lebewesen sind also Temperaturschwankungen gewohnt. Unsere Modellrechnungen zeigen zudem, dass sich die Seen durch langjährige Zuführung von Wärme nicht beliebig aufheizen. Im Winter strahlen sie diese Wärme ab und setzen den Zähler zurück.

 

Schutz für Flora und Fauna

Martin Schmid, Abteilung Oberflächengewässer bei eawag, erklärt, inwiefern Energieverbünde mit Seewasser die Flora und Fauna eines Gewässers oder Gebiets beeinflussen können

Martin Schmid, Abteilung Oberflächengewässer Eawag
Martin Schmid, Abteilung Oberflächengewässer Eawag

Haben Seewasserverbünde einen Einfluss auf Lebewesen im und am See?
Kaum – Tiere und Pflanzen sind sich an Temperaturschwankungen gewöhnt. Die Gewässer werden durch die Nutzung fürs Wärmen meistens nur bis zu einem Zehntel Grad abgekühlt, eine solch leichte Abkühlung ist kein Problem für die Lebewesen. Kritischer ist, wenn man das Wasser für eine Kühlung braucht. Es gelangt dann wärmer in den See oder Fluss zurück, die aufgrund der Klimaerwärmung ohnehin schon erwärmt sind. Hier gibt es deshalb auch klare rechtliche Richtlinien: In Fliessgewässer darf zum Beispiel keine Wärme mehr abgegeben werden, wenn diese bereits über 25 Grad warm sind.

Das Wasser wird in bis zu 40 Meter Tiefe angesaugt. Wie stellt man sicher, dass keine Fische mit in die Rohre gelangen?
Die Vorrichtung fürs Ansaugen ist so konzipiert, dass Fische nicht in die Leitungen gelangen können. Zudem darf das Wasser nicht zu schnell eingesaugt werden, damit keine oder nur eine schwache Strömung entsteht.

Was ist bei der Planung einer Anlage für den Schutz der Lebewesen sonst noch zu beachten?
In Seen ist es wichtig, dass die Dichteschichtung und die Nährstoffflüsse nicht zu stark beeinflusst werden. Dies könnte passieren, wenn beispielsweise Wasser aus dem tiefen Bereich eines Sees entnommen und nach der Nutzung in die Oberfläche zurückgeleitet wird. Die Zufuhr von nährstoffreichem Tiefenwasser an die Oberfläche könnte dann zu unerwünschten Algenblüten führen. Der Bau der Leitungen für die Entnahme und Rückleitung des Wassers ist zudem lokal ein Eingriff in das Gewässer. Hier muss man darauf achten, dass ökologisch wertvolle Standorte wie Schutzgebiete, Schilfgürtel oder Laichplätze von Fischen nicht beeinträchtigt werden.

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