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Wärmewende: Gut gespeichert ist halb versorgt

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Im Sommer Wärme im Untergrund speichern, um sie im Winter wieder zu nutzen ist das Prinzip von Aquiferspeichern. Diese Wärmespeichertechnologie ist für die Energiewende unverzichtbar.

Der Hauptsitz der Firma Swatch im Biel ist über 9 Brunnen mit einem unterirdischen See verbunden. Quelle: Swatch PM 9/19

Die Integration erneuerbarer Technologien in die Wärme- und Kälteversorgung wird durch jahreszeitliche Schwankungen in der Energieproduktion und Zeiten hoher Energienachfrage erschwert. Folglich sind in den letzten Jahren thermische Energiespeicher verstärkt in den Fokus gerückt. Bei der Nutzung von Aquiferen zur Speicherung thermischer Energie wird die thermische Speicherfähigkeit des Grundwassers sowie des wasserführenden Gesteins genutzt. Hierbei kann sowohl Wärme als auch Kälte gespeichert werden.

Prinzip der saisonalen Wärmespeicherung in Aquiferen. Links: Einspeicherung der Wärme. Rechts: Bereitstellung von Heizwärme aus dem Wärmespeicher. Quelle: GFZ

Die Speicherkapazität eines Aquiferspeichers (Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)) ist groß im Vergleich zu anderen thermischen Speichern, da eine große Speichermasse vorhanden ist. Sie werden aus diesem Grund meist als saisonale Speicher oder Langzeitspeicher eingesetzt. Ihre Fähigkeit als saisonale Speicher zu fungieren und im Sommer zu Kühlung genutzt werden zu können, macht sie zunehmend interessanter. „Wir gehen davon aus, dass der Energiebedarf für Klimaanlagen bis zum Jahr 2100 um das 33-fache ansteigt“, so Paul Fleuchaus (KIT). Wärme- und Kältespeicherung ist wesentlich wirtschaftlicher, nachhaltiger und effizienter als Stromspeicherung. Daher sollte die Wärmespeicherung immer gegenüber einer Stromspeicherung bevorzug werden, falls die zu speichernde Energie als Wärme genutzt werden soll. Für lange Zeiten und große Wärmemengen kommen daher besonders Erdwärmespeicher in Betracht.

Weltweit gibt es etwa 2.800 Aquiferspeicher, davon über 90% in den Niederlanden und Schweden. Die bereits realisierten Projekte haben ein hohes CO2-Einsparpotential (>1.000 t/a) und geringe Amortisationszeiten (2-7 a). Aufgrund der großen Kapazität eignen sich Aquiferspeicher vor allem für große Gebäude, wie Museen, Krankenhäuser, Büros oder Hotels. Auch für zusammenhängend geplante Wohnsiedlungen kommen Aquiferspeicher in Kombination mit Nahwärmenetzen in Frage. In den Niederlanden wird die Technik zudem beispielsweise für industrielle Komplexe wie Gewächshäuser oder Rechenzentren genutzt. Das prominenteste deutsche Beispiel ist das Reichstagsgebäude in Berlin, dass seit 1999 den Deutschen Bundestag beherbergt. Hier wurde 2000 ein mit Bio-Diesel betriebenes BHKW in Verbindung mit einem Aquiferspeicher eingeführt.

Der gesamte Wärme- und Strombedarf des Reichstags wird aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt.

„Ergänzt um den Aquiferspeicher kann das BHKW nahezu über das ganze Jahr bei optimaler Auslastung laufen. Gleichzeitig steht ein Kaltwasser-Aquifer zur Verfügung, welcher in den Wintermonaten durch Zuführen von Kaltwasser gekühlt wird. Es steht so ein Kaltwasserreservoir zur Verfügung, welches sich im Sommer auf maximal +6° C erwärmt und somit optimal für die Versorgung des Gebäudes mit Kälte geeignet ist.“ heißt es auf der Webseite des ausführenden KPB Ingenieure.

Berlin forscht zur Machbarkeit

In Berlin wird das Potenzial der saisonalen Wärmespeicherung aktuell erforscht und diskutiert. Berlin hat sich hohe Klimaschutzziele gesteckt, die Wärmeversorgung beruht aktuell aber fast ausschließlich auf fossilen Energieträgern. In zukünftigen Energieversorgungskonzepten für Stadtquartiere sind Aquiferspeicher auch für Berlin unverzichtbar. 2019 wurde die Machbarkeitsstudie „Kohleausstieg und nachhaltige Fernwärmeversorgung Berlin 2030“ im Auftrag des Landes Berlin und der Vattenfall Wärme Berlin AG veröffentlicht. Hier heißt es: „In allen drei Szenarien werden erneuerbare Energien für die Wärmeerzeugung eingesetzt. In den beiden Klimaschutzszenarien sind dies jeweils ein neues Biomasseheizwerk sowie eine Geothermie-Anlage (in Verbindung mit einer Wärmepumpe und einem Aquifer-Wärmespeicher) am Standort Moabit.“ Aktuell wird am Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) am Helmholtz-Zentrum Potsdam im Rahmen der Forschungsvorhaben TS - ATES Berlin und ATES IQ zur Umsetzung eines Aquiferspeichers in Berlin geforscht.

Aquiferspeicher in der Schweiz

In der Schweiz wird inzwischen die Versorgung des ersten Bürokomplexes in Biel über einen Aquiferspeicher umgesetzt.  Hier erfolgt die Beheizung und Kühlung für Swatch, Omega und Cité du Temps durch einen unterirdischen See über 9 Brunnen und 2 ehemaligen Öltanks, die zu Wasserspeichern umfunktioniert wurden. Im Winter wird das ca. 12°C warme Wasser an die Oberfläche gepumpt und über eine Wärmepumpe zum Heizen genutzt. Das auf ca. 5°C herabgekühlte Wasser wird wieder in den Untergrund gebracht und im Sommer zur Kühlung genutzt. In der Jahresbilanz bleibt die Temperatur des unterirdischen Sees durch die Nutzung unverändert.  „Das System hat mittlerweile den zweiten Winter überstanden und hat gemäß Angaben der Medienstelle gut funktioniert.“ heißt es im Tagblatt. 

Ein weiteres Beispiel ist der Flughafen Arlanda in Stockholm. Am schwedischen Flughafen wird ein Aquiferspeicher bereits seit über zehn Jahren genutzt, um im Winter den Schnee auf den Pisten zu schmelzen sowie die Ventilationsluft für die Gebäude vorzuwärmen. Nach diesem Vorbild möchte auch der Flughafen Zürich umrüsten. In einer Tiefe von 200 bis 300 Metern unter der Erdoberfläche wird ein See vermutet, der für das Heizen und Kühlen der Gebäude genutzt werden soll. Ob dies tatsächlich möglich ist, werden in nächster Zeit geologische Abklärungen zeigen.

Quellen: Tagesblatt Schweiz, Forschungsprojekte TS - ATES Berlin (GFZ) und ATES IQ (GFZ), Machbarkeitsstudie „Kohleausstieg und nachhaltige Fernwärmeversorgung Berlin 2030“