Die Quantifizierung und Darstellung der Unsicherheiten für die Dimensionierung geothermische Systeme wird in der aktuellen Praxis während der Planungsphase eines oberflächennahen geothermischen Entwicklungsprojekts weitgehend ignoriert. Unsicherheitsanalysen erlauben jedoch zuverlässigere Prognosen für die Betriebsphase geothermischer Systeme in einem statistisch abgesicherten Rahmen und mindern dadurch das Risiko von Unter- oder Überdimensionierungen gegenüber rein deterministischen Dimensionierungsergebnissen basierend auf einem definierten Parametersatz. Auf der Grundlage umfangreicher Sensitivitätsstudien wurde in EASyQuart eine Methodik für numerische Unsicherheitsanalysen von Erdwärmesondenfeldern entwickelt und an Testbeispielen erprobt. In diesem Arbeitspaket soll diese Methodik praxisbezogen vertieft und so aufbereitet werden, dass sie Element der Dimensionie-rungspraxis oberflächennaher geothermischer Systeme werden kann. Dabei wird die Minimierung des numerischen Aufwands eine zentrale Rolle spielen, da dieser bisher stets zu groß ist, um die Wirtschaftlichkeit solcher Unsicherheitsanalysen im Planungsprozess zu ermöglichen. Die Ergebnisse des Arbeitspakets werden an Testbeispielen validiert und in die Arbeiten zur Entwicklung des digitalen Zwillings für den realen Standort in Leipzig integriert (siehe AP4), wodurch sie direkt als Bestandteil eines Planungsprozesses erprobt werden können.

Für die effiziente Dimensionierung der untersuchten geothermischen Systeme ist die Verfügbarkeit eines Algorithmus zweckmäßig, mit dessen Hilfe für ein gegebenes Gebiet die optimale Lage und/oder die optimale Dimensionierung der Systemkomponenten automatisiert berechnet werden können. Basierend auf den Ergebnissen der Potenzialstudie im Vorhaben EASyQuart sollen in diesem Arbeitspaket spezifische digitale Instrumentarien für die Positionierung von Erdwärmesonden in multiplen Sondensystemen entwickelt, getestet und umgesetzt werden, die auf der Basis mathematischer Optimierungsstrategien agieren und zeit- sowie kosteneffizient in Planungsprozesse der Dimensionierungspraxis für oberflächennahe geothermische Systeme integriert werden können. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen die Formulierung zweckmäßiger Zielfunktionen, die Auswahl und Realisierung effizienter Optimierungsverfahren sowie deren Synthese mit digitalen Planungsinstrumentarien im Praxiseinsatz. Die Ergebnisse sollen anschließend am digitalen Zwilling des Standortes in Leipzig (siehe AP4) erprobt werden.

Potenzialkarten geben je nach Komplexität erste lokale Hinweise auf Potenziale und Limitierungen einer geothermischen Nutzung des Untergrundes und stellen eine Sammlung von Struktur- und Untergrundparametern zur Verfügung. Für die Dimensionierung geothermischer Systeme sind grundsätzlich Prognosesimulationen unerlässlich, um deren effizienten Betrieb über längere Zeiträume zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere, wenn die Systeme zum Heizen und zum Kühlen genutzt werden, wobei das Kühlen gerade im urbanen Raum zunehmend in den Fokus gerät. In diesem Zusammenhang können Potenzialkarten aktuell für lokale Standorte keinen vollständigen Satz an Parametern für numerische Prognosesimulationen in der erforderlichen räumlichen und zeitlichen Auflösung zur Verfügung stellen, was den Ansatz dieses Arbeitspakets begründet. Eine nicht ausreichende Datengrundlage bei Bau und Betrieb von Erdwärmesondenanlagen kann zu Über- oder Unterdimensionierungen, Nutzungseinschränkungen oder auch Nutzungskonkurrenzen führen. Besondere Herausforderungen bestehen darin, dass in Abhängigkeit von der spezifischen Nutzung (z. B. Heizen oder Kühlen) Heterogenitäten im geologischen Schichtenbau sowie lokale hydrogeologische und petrophysikalische Eigenschaften des Untergrundes unterschiedliche Auswirkungen auf den Betrieb eines geothermischen Systems haben. Dafür werden im Vorhaben übertragbare, innovative Erkundungsstrategien strukturiert, weiterentwickelt und in der Praxis umgesetzt, die nutzungsabhängige, standortbezogene Ergänzungen der geologischen Datenbasis ermöglichen, welche von geologischen Diensten in der erforderlichen Komplexität für eine öffentlich Nutzung nicht effizient dokumentiert werden können (großer Erkundungsaufwand, große Datenmengen). Als methodische Grundlage dienen insbesondere Ergebnisse aus dem Vorhaben EASyQuart, die hier für Planungsprozesse praxisnah aufbereitet, systematisiert und ergänzt werden. Konzepte, Workflows und Instrumentarien gehen in die Parametrisierung und kontinuierliche Konfiguration des im Vorhaben erstellten digitalen Zwillings ein (siehe auch AP4).

Parallel zu konkreten Standortarbeiten werden von den Bearbeitern des Arbeitspakets in Kooperation mit dem Vorhaben WärmeGut Möglichkeiten und Grenzen bundesweiter Potenzialkarten sowie standortbezogener Erkundungskampagnen erörtert. Ziel ist die Erarbeitung eines Standpunktpapiers, inwiefern Potenzialkarten mit Informationen so erweitert und strukturiert werden können, dass sie eine zunehmende Anzahl von Parametern lokal aufgelöst für den Dimensionierungsprozess geothermischer Systeme bereitstellen können, welche Erkundungsstrategien dazu erforderlich sind und mit welchen Verfahren sowie Konzepten auch weiterhin ergänzende Daten lokal durch Maßnahmen der Standorterkundung erfasst werden müssen.

Für einen Realstandort wird zunächst ein Simulations- und Visualisierungsmodell als strukturelle Basis eines digitalen Zwillings erstellt. Das Gesamtmodell umfasst die Simulationsmodelle des Untergrundes, der Erdwärmesonden, des Verteilnetzes, der Anlagentechnik in den Gebäuden sowie die Gebäudehülle selbst. Eine Reihe von Aspekten des im Vorhaben EASyQuart entwickelten Planungs- und Prognoseinstrumentariums (Workflows, Verfahren für Erkundung, Monitoring, gekoppelte numerische Simulation von Untergrund und Haustechnik sowie integrierte 3D-Visualisierung) wird genutzt, dieses Modell zu parametrisieren und Schritte der Vorplanung und Planung exemplarisch zu demonstrieren. Die Betrachtung der Simulationsmodelle umfasst in ganzheitlicher Weise alle Aspekte des Dimensionierungsprozesses auf Basis von Softwareplattformen mit sehr weitgehender Quellenverfügbarkeit und in einer sehr großen Detailtiefe. Durch den interdisziplinären Ansatz zwischen Geologie, Ingenieurwissenschaften und Mathematik wird kein Teilmodell und -aspekt vernachlässigt oder nur unzureichend abstrakt berücksichtigt (z. B. Grundwasserverhältnisse). Der geringe Abstraktionsgrad ermöglicht einzigartige Optimierungsstrategien durch die Veränderung einzelner Systemkomponenten oder Regelungsansätze, die auf Quartiersebene zugunsten der Rechenzeit normalerweise vernachlässigt werden. In das erstellte Standortmodell werden später im Sinne eines digitalen Zwillings für das reale geothermische System kontinuierlich weitere Projektergebnisse insbesondere aus AP1 bis AP3 integriert, Simulationsergebnisse in Abständen neu generiert und mit Monitoringdaten abgeglichen. Darauf aufbauend werden Konzepte, Workflows und Instrumentarien an die jeweils aktuelle Erkenntnislage angepasst.

Die zukünftige Versorgung von Gebäuden und Quartieren mit thermischer Energie wird sich in der Regel nicht mehr aus einer dominierenden Quelle speisen. Die Integration unterschiedlicher Produzenten, Verteiler und Konsumenten von Energie wird im Rahmen aufwändiger Energiesystemplanungen gestaltet und optimiert. Für die Einbindung einzelner energetischer Optionen in ein Gesamtsystem sind entsprechende Modelle und Daten notwendig, die im Falle der Oberflächennahen Geothermie aktuell mit sehr vereinfachten Voraussetzungen operieren und teils nur rudimentär ausgebildet sind. In diesem Arbeitspaket soll basierend auf Ergebnissen besonders von AP2 bis AP4 zunächst eine Bestandsaufnahme existierender Konzepte zur Integration der Geothermie in übergeordnete Energiesysteme erfolgen. Anschließend werden aus einer Abstimmung von Erfordernissen und Möglichkeiten Schritte zur verbesserten und modifizierten Einbeziehung von Konzepten und Instrumentarien der Dimensionierung geothermischer Systeme in Energiesystemplanungen erarbeitet und umgesetzt.

Ziel dieses Arbeitspaktes ist es, projektbegleitend die Kommunikation zu Themen der Oberflächennahen Geothermie sowie bezogen auf den konkreten Demonstrationsstandort auf drei Ebenen zu fördern. Auf der Mikro-Ebene zielt dies auf die allgemeine (interessierte) Bevölkerung (z. B. Hausbesitzer) am Projektstandort, auf der Meso-Ebene auf private Akteure im Bereich Städte- und Stadtteilentwicklung (z. B. relevante regionale (Bau-)Unternehmen, regionale Energieversorger, Investoren, aber auch Smart-City-Initiativen, etc. in Leipzig) und auf der Makro-Ebene auf Akteure ab, die auf politischer Ebene wirtschaftliche und gesellschaftliche Interessen zur Technologie in Leipzig vertreten. Zunächst steht dabei die Entwicklung eines Tools zur Stakeholder-Identifikation und Priorisierung im Fokus. Geplant ist dazu, im Rahmen einer Medienanalyse konkrete Akteure im öffentlichen Diskurs zu identifizieren und das Framing des Themas und die Darstellung von Vor- und Nachteilen zu analysieren. Darauf aufbauend wird eine Stakeholderanalyse durchgeführt, um Kenntnisse und Akzeptanz der Akteure zur Oberflächennahen Geothermie zu untersuchen (u. a. qualitative Interviews). Gleichzeitig ermöglicht eine repräsentative Befragung (u. a. Wohneigentümer), Kenntnisse und Akzeptanz der sächsischen Bevölkerung zur Oberflächennahen Geothermie zu analysieren. Die Verbindung dieser Perspektiven ermöglicht es, Bedarfe zu erheben und Ableitungen für (projektbegleitende sowie nachgelagerte) strategische Kommunikationsmaßnahmen zu treffen.

Anknüpfend an sich in jüngster Zeit etablierende Standards der Akzeptanzkommunikation werden innovative Dialogformate und Mitmachaktionen in öffentlichen und institutionellen Räumen in Form eines kommunikativen Austauschs zwischen Forschung, gesellschaftlichen Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit entwickelt und erprobt, um ihre Eignung zur Erhöhung des Wissens und der Akzeptanz in den genannten Stakeholdergruppen zu analysieren. Hierzu erfolgt auch eine Abstimmung mit dem Bundesverband Geothermie e. V. Hierbei werden Methoden der Virtuellen Realitäten (3D-Visualisierung des digitalen Zwillings aus AP4) mit spezifisch auf verschiedene Stakeholdergruppen angepassten klassischen und neuen Formen von Wissenschaftskommunikation verknüpft und Strategien zur Kommunikation und Information gestaltet, die Teil der Entscheidungshilfen werden, um Zugänglichkeit und Transparenz des Themas zu fördern. Das verwendete Konzept der Virtuellen Realitäten gestattet es, mithilfe von in der Öffentlichkeit bereits weit verbreiteten und mannigfach genutzten, insbesondere mobilen, Techniken (u. a. Virtual-Reality-Brillen) den Standort über seinen digitalen Zwilling niedrigschwellig sehr realistisch erlebbar zu machen. Mit der Darstellung von Strukturdaten (z. B. geologische Schichten, unter- und obertägige Infrastrukturen, Gebäude) können virtuelle Touren durch den Standort realisiert werden, die mit der anschaulichen Präsentation vielfältiger weiterer Informationen und Daten aus Erkundung, Simulation, Monitoring u. a. verschnitten werden können. Die in AP4 entwickelten flexiblen Workflows gestatten es dabei, die Präsentationen in kurzer Frist zielgruppengerecht in der Form der Darstellung und den interessierenden Informationen aufzubereiten. Die Arbeiten in AP6 folgen dabei dem Ziel einer kokreativen und kollaborativen Zusammenarbeit mit den Stakeholdergruppen und sollen helfen, Wissen zu erhöhen, Unsicherheiten abzubauen und Akzeptanz zu fördern. Die entwickelten und erprobten Methoden (z. B. Stakeholderanalyse) und Maßnahmen (Dialogformate) sind für weitere Standorte skalierbar.

Wirtschaftliches Hauptziel des Vorgängerprojektes EASyQuart war die Entwicklung eines daten- und wissensbasierten Entscheidungshilfesystems zur standortoptimierten Dimensionierung von Erdwärmesondensystemen. Die Entscheidungshilfen stellen dabei in ihrer Gesamtheit in einem übergeordneten Sinn einen Handlungsleitfaden dar, der optimierte Strukturen formuliert, welcher Akteur zu welchem Zeitpunkt mit welchen Instrumentarien im Dimensionierungsprozess aktiv werden sollte. Damit werden Dienstleistungsmodelle für Machbarkeitsstudien in der Vorplanung und die eigentlichen Planungsprozesse unterstützt. Im hier geplanten Vorhaben werden neue Erkenntnisse sowie neu bzw. weiterentwickelte Instrumentarien insbesondere aus AP1-AP6, die sich im praktischen Einsatz bewährt haben, in das Entscheidungshilfesystem integriert, das zudem von einem Handlungsleitfaden zu einem weitgehend digitalisierten Planungswerkzeug weiterentwickelt wird. Zudem leistet EASyQuart-Plus weitere spezifische Beiträge zur Anpassung von Leitfäden und regulativen Rahmenbedingungen.

Viele Immobilienbesitzer von Bestandsgebäuden stehen vor der Herausforderung, ihr Heizsystem von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Quellen umzurüsten. Die Lösungen mit geringen Anschaffungskosten (z. B. Luft-Wasser-Wärmepumpen) weisen oftmals große Anteile an der Nutzung elektrischer Energie auf, die im Betrieb vergleichsweise teuer sind und durch die Anzahl an umzurüstenden Gebäuden erhebliche Auswirkungen auf das Stromnetz haben können. Die Oberflächennahe Geothermie, verbunden mit Sole-Wasser-Wärmepumpen, bietet eine alternative Energiequelle, die wegen ihrer erdseitigen Installationen mit relativ hohen Anschaffungskosten verbunden ist, jedoch nur einen verhältnismäßig geringen Anteil an elektrischer Energie benötigt. Während es bei den Planungsschritten für die Dimensionierung der untertägigen Komponenten einer oberflächennahen Geothermieanlage keine prinzipiellen Gegensätze zwischen Neubau und Bestand gibt, besteht ein massiver Unterschied in der Gebäudetechnik zwischen diesen beiden Nutzungsoptionen. Es ist eine derzeit noch viel diskutierte Fragestellung, inwiefern geothermische Ressourcen an vorhandene Anlagentechnik in Bestandsgebäuden so angepasst werden können, dass sie dort effizient nutzbar werden.

Im Rahmen einer Anwendungsstudie soll in diesem Arbeitspaket analysiert werden, welche Sanierungsmaßnahmen und Versorgungsszenarien unter typischen Restriktionen wie der Flächennutzung im
Bestandsquartier genutzt werden können, um das Quartier möglichst wirtschaftlich mit Energie zu versorgen. Zudem ist zu untersuchen, welche technischen Möglichkeiten bestehen, geothermische Energie mit vorhandener Gebäudetechnik wirtschaftlich umzusetzen (z. B. Radiatoren mit bislang hohem erforderlichem Temperaturlevel) bzw. wie Haustechnik für diesen Zweck saniert werden kann. Dabei sollen grundlegende Voraussetzungen von Quartieren herausgearbeitet werden, die nötig sind um die Oberflächennahe Geothermie sinnvoll einzusetzen. Das in AP4 bereits erwähnte besondere Spezifikum des geplanten Verbundvorhabens der Berücksichtigung einer integrierten technischen Gebäudeausrüstung im Prozess der Systemmodellierung ermöglicht sehr detaillierte Anpassungen, die in Kombination mit Netzbetrachtungen und unterschiedlichen Energiequellen neben der Oberflächennahen Geothermie vielversprechende Lösungsansätze ermöglichen.

In diesem Arbeitspaket werden Aspekte der Koordination der Projekt- und Öffentlichkeitsarbeit zusammengefasst, deren spezifische Inhalte in AP1-AP8 erarbeitet werden. Dazu gehört beispielsweise die Überwachung von Meilensteinen und der Dokumentation von Projektergebnissen sowie die Vorbereitung und Organisation von Projekttreffen. Ein essenzieller Bestandteil der Verwertungsplanung ist die Organisation von zwei Workshops mit spezieller Ausrichtung auf Anwender, Verbände und Behörden, die der unmittelbaren Verbreitung von Projektergebnissen in Nutzerkreisen dienen.

Besonderes Gewicht bekommen auch die im Rahmen der Arbeiten zu AP6 geplanten Mitmachaktionen im Kontext von öffentlichen und Fachveranstaltungen, da sie ebenfalls die Verbreitung konkreter Projektergebnisse unter Nutzung Virtueller Realitäten zum Ziel haben, gleichzeitig aber auch der Erprobung und Anwendung von erarbeiteten Kommunikationsformaten dienen, mit denen Wissen und Akzeptanz der Oberflächennahen Geothermie verbessert werden sollen.
Zu diesem Arbeitspaket gehört auch die Integration und Pflege von Kontakten zum assoziierten Partner und zu Fördermaßnahmen mit komplementärer inhaltlicher Ausrichtung zur Erweiterung des Vernetzungspotenzials des Vorhabens. In diesem Zusammenhang ist die Organisation eines Softwareworkshops mit anderen Projekten geplant, die mit unterschiedlichen digitalen Werkzeugen zur Untergrund- und Haustechniksimulation beitragen. Ziele sind eine Bestandsaufnahme der genutzten Softwareplattformen in der Gegenüberstellung ihrer Leistungsfähigkeit und Grenzen sowie Abstimmungen über potenzielle Vereinheitlichungen von Datenstrukturen, Maßnahmen der Gewährleistung hoher und vergleichbarer Softwarequalität und der Erarbeitung sinnvoller Workflows und Standards bei der Erstellung digitaler Zwillinge.