Energie Speichern mit Geothermie

Im Sommer liefert unser Klima ein Überangebot an Wärme, im Winter besteht bekanntlich ein Defizit. Sommerwärme im Winter, Winterkälte gegen die Sommerhitze: Geothermie macht 's möglich.

Es stehen verschiedene Speichertechnologien bzw. -alternativen zur Verfügung:

• Wärme- oder Kältespeicherung
• mit oder ohne Wärmepumpen
• Aquiferspeicher
• Erdwärmesondenspeicher

Gespeichert werden können Abwärme, Umgebungswärme und Sonnenenergie.

Aquiferspeicher sind wasserführende Schichten im Untergrund, in denen das darin enthaltene Wasser nicht oder kaum fließt, die Wärme also nicht abtransportiert werden kann. Sie werden durch Bohrungen erschlossen. Von der Oberfläche her eingeleitete Wärme heizt das Wasser dann auf. Da Gestein Wärme schlecht leitet, wirkt es wie eine Isolation.

Erdwärmesondenspeicher sind Bohrungen, in denen die Wärme direkt in das umgebende Erdreich abgeführt wird. Egal ob Boden oder Aquifer, Sinn ist es, über die eingespeicherte Wärme dann wieder verfügen zu können, wenn man sie wirklich braucht.

Rostock-Brinckmannshöhe, Wohnanlage „Helios“
Der 1999/2000 in Rostock-Brinckmanshöhe in Niedrigenergiebauweise errichtete Gebäudekomplex beherbergt 108 Wohnungen mit einer Gesamtfläche von ca. 7.000 m². Laut Vorgabe des Bauträgers WIRO waren deutlich mehr als 50 % des Gesamt-Wärmebedarfes aus Solarenergie zu beziehen. Das konnte nur unter Einbeziehung eines saisonalen Wärmespeichers verwirklicht werden. Auf den 11 Einzeldächern sind Solarkollektoren mit einer Absorberfläche von 1.000 m² installiert.

Unter dem Grundstück befindet sich in ca. 15 bis 25 m Tiefe ein Grundwasserleiter. Dieser Aquifer wurde durch zwei Bohrungen mit einem Abstand von ca. 55 m erschlossen. Das aus der kalten Bohrung mit einer Temperatur von 10 °C entnommene Wasser wird im Sommer durch Solarenergie erwärmt und in die warme Bohrung injiziert. Im Winter wird die Strömungsrichtung umgekehrt. Anfangs beträgt die Fördertemperatur 45 °C. Im Verlauf der Heizperiode sinkt sie auf die natürliche Grundwassertemperatur ab. In das System ist eine Wärmepumpe mit 100 kW Heizleistung integriert, die die Grundwassertemperatur auf die in den Wohnungen benötigen Temperaturen bringt. Etwa 63 % der im Boden eingelagerten Solarwärme kann so bis in den Winter gerettet werden.

Golm, Max-Planck-Campus
In Golm bei Potsdam wurde 1999 von der Max-Plank-Gesellschaft ein neu errichteter Wissenschaftscampus, auf dem drei Institute angesiedelt sind, eröffnet. Für die Energieversorgung wurde eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) mit einem Erdwärmesondenfeld installiert. Zwei mit Erdgas betriebene Blockheizkaftwerke (BHKW) erzeugen Strom. Die Abwärme des Motors wird zum Heizen und für die Warmwasserbereitung genutzt. Im dient die anfallende Wärme als Antriebsenergie für eine Kältemaschine. Des weiteren stehen u. a. ein Gaskessel sowie eine Kältemaschinen-Wärmepumpenkombination (Kälteleistung 563 kW, Heizleistung 361 kW) zur Verfügung. Das Erdwärmesondenfeld übernimmt die Aufgabe eines saisonalen Speichers.

Das Sondenfeld dient als saisonaler Speicher, der je nach Jahreszeit be- oder entladen wird und Kälte oder Wärme bereitstellt. Das Erdwärmesondenfeld besteht aus 160 Bohrungen von 105 m Tiefe. Es umfasst eine Fläche von 65 m x 50 m und ein Erdvolumen von ca. 400.000 m³. Für das gesamte Feld wird ein Speichervermögen von 2,24 MWh und eine Leistung von 538 kW angegeben.

Neubrandenburg, Wärmespeicher für GuD-Kraftwerk
Seit 1997 erzeugt in Neubrandenburg ein Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) sowohl Strom und liefert Wärme für ein Fernwärmenetz. Der Energieinhalt des eingesetzten Erdgases wird so mit einem Wirkungsgrad von nahezu 90 % ausgenutzt. Letzteres klappt aber nur dann, wenn Strom und Wärme zu dem Zeitpunkt, an dem sie erzeugt werden, auch  genutzt werden können - im Winter kein Problem. Im Sommer allerdings wird die Wärme nur  zu einem geringen Teil benötigt. Beim Kraftwerk überlegte man sich also, wie die im Sommer über die Kühltürme abgeführte Überschusswärme in den Winter verschoben werden könnte,  um sie dann sinnvoll nutzen zu können.

Daneben gibt es in der Stadt ein geothermisches Heizwerk, das von 1987 bis ins Jahr 1998 ein Wohngebiet und eine Körperbehindertenschule mit Heizwärme aus bis ca. 55 °C warmem Thermalwasser versorgte. Insgesamt vier Bohrungen, je zwei zum Fördern und Verpressen des Wasser mit Tiefen zwischen 1200 m und 1300 m standen zur Verfügung. Das Thermalwasser ist sehr salzhaltig. Der Bohrstrang musste dringend saniert werden. Außerdem haperte es auch beim Geothermie-Heizwerk am sommerlichen Wärmeabsatz. Wegen der relativ niedrigen Thermalwassertemperaturen musste mit Gaskessel und Wärmepumpe nachgeheizt werden.

Die Idee war dann so einfach wie genial: Die Überschusswärme des Kraftwerks wird in den tiefen Erdschichten des geothermischen Heizwerks eingespeist, das im Sommer nicht ausgelastet ist. So wird die Temperatur in der Tiefe um 30 °C angehoben. Auf das Nachheizen kann verzichtet werden. Nun profitieren beide Energieerzeuger, insbesondere aber die Neubrandenburger Stadtwerke, denen die Anlagen gehören und deren Kunden.  

Berlin, Reichstag und Parlamentsbauten im Energieverbund
Das Reichstagsgebäude und die umliegenden Büros und Dienstleistungseinrichtungen des Parlaments werden durch die gekoppelte Produktion von Strom, Wärme und Kälte mit Energie versorgt. Dazu gehören auch zwei Aquifer-Speicher.

Der erste, eine Salzwasser führende Sandsteinschicht in einer Tiefe von ca. 285 – 315 m, nimmt im Sommer die überschüssige Abwärme der mit Pflanzenöl betriebenen Blockheizkraftwerke auf und dient im Winter der Versorgung der in und zwischen den Gebäuden installierten Niedertemperaturheiznetze. Das Wasser in dieser Tiefe hat eine Temperatur von 19 °C. Mit Einleitung der sommerlichen Abwärme steigen sie auf 70 °C an. Im Winter sind davon noch etwa 65 °C erhalten geblieben, die dann genutzt werden können.
 
Der zweite Aquifer-Speicher, in einer Tiefe von ca. 50 m, spielt seine Rolle in der Versorgung des Parlaments mit Klimakälte. Er wird ebenfalls durch zwei Bohrungen erschlossen. Das im Speicher enthaltene Grundwasser wird im Winter bei Außentemperaturen unterhalb 0°C mit Trockenkühltürmen mit der Umgebungskälte bis auf 5 °C abgekühlt. Mit anderen Worten, die kalten Außentemperaturen oben, werden in den Untergrund gebracht und kühlen dort das Wasser herunter. Im Sommer wird die Kälte wieder herausgeholt und über Kältenetze in den Gebäuden verteilt. Zusätzlich wird Klimakälte durch Absorptionskältemaschinen erzeugt, die durch die Abwärme der BHKW angetrieben werden. Der Rückkühlungsbedarf dieser Maschinen wiederum wird über die erwähnten Kühltürme ebenfalls aus dem Speicher bedient, der sich nach und nach auf 30 °C erwärmt. Im folgenden Winter dienen diese Temperaturen dann als Wärmequelle für Wärmepumpen.

Bad Lauterberg: Der Bahnsteig von Barbis
Am Bahnhaltepunkt in Barbis, einem Stadtteil von Bad Lauterberg am Harz, mussten die Bahnsteige erneuert werden. Dabei wird die Pflasterung als Solarkollektor genutzt, und die über Rohrsysteme eingesammelte Sonnenwärme in neun 200 m tiefe Erdwärmsondenspeicher abgeführt. Dadurch erwärmt sich das Gestein. Im Winter wird das System bei Bedarf umgedreht und Wärme entnommen, wenn Glatteisbildung droht oder Schnee fällt. So kann der Bahnsteig durch diese besondere Form der Fußbodenheizung schnee- und eisfrei gehalten werden.