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ATES

Das Akronym ATES ist:

Neben den ATES genannten Aquiferwärmespeichern sind Erdwärmesonden-Wärmespeicher weit verbreitet. Zusammenfassend werden alle Speicher, besonders im englischsprachigen Raum, auch als UTES (underground thermal energy storage) bezeichnet.

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) ist die Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie im Untergrund. ATES wird angewendet, um Gebäude zu heizen und zu kühlen. Die Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie wird durch die Entnahme und Einspeisung von Grundwasser aus Grundwasserleitern mittels Grundwasserbrunnen erreicht. Die Systeme arbeiten normalerweise saisonal. Das im Sommer geförderte Grundwasser wird zur Kühlung verwendet, indem Wärme vom Gebäude über einen Wärmetauscher an das Grundwasser abgegeben wird. Anschließend wird das erwärmte Grundwasser wieder in den Grundwasserleiter eingeleitet, wodurch das erwärmte Grundwasser gespeichert wird. Im Winter wird die Fließrichtung umgekehrt, so dass das erwärmte Grundwasser entnommen und zum Heizen genutzt werden kann (häufig in Kombination mit einer Wärmepumpe). Beim Betrieb eines ATES-Systems wird der Untergrund daher als temporärer Speicher verwendet, um saisonale Schwankungen des Heiz- und Kühlbedarfs zu puffern. ATES kann herkömmliche, von fossilen Brennstoffen abhängige Heiz- und Kühlsysteme ersetzen. Dies kann als kostengünstige Technologie zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs eines Gebäudes und der damit verbundenen CO2-Emissionen dienen.

Bedeutung für den Klimaschutz

Bei der Klimakonferenz der Vereinten Nationen in Kopenhagen (Dänemark) haben viele Länder und Regionen Ziele für den globalen Klimaschutz festgelegt. Die Europäische Union hat sich außerdem ein Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen zu senken, den Einsatz nachhaltiger Energie zu steigern und die Energieeffizienz zu verbessern. Für dieses Ziel kann ATES tatsächlich einen erheblichen Beitrag leisten, da rund 40% des weltweiten Energieverbrauchs von Gebäuden verbraucht wird und hauptsächlich zum Heizen und Kühlen dient. Daher wurde der Entwicklung von ATES viel Aufmerksamkeit gewidmet und die Anzahl von ATES ist insbesondere in Europa dramatisch angestiegen. In den Niederlanden wurde zum Beispiel geschätzt, dass bis 2020 etwa 20.000 ATES-Systeme erreicht werden könnten. Dies kann zu einer Verringerung des CO2-Ausstoßes von etwa 11% für das niederländische Ziel führen. Neben den Niederlanden erhöhen auch Belgien, Deutschland, die Türkei und Schweden die Anwendung von ATES. ATES kann weltweit angewendet werden, sofern die klimatischen und geohydrologischen Bedingungen zutreffen. Da sich ATES-Systeme in städtischen Gebieten kumulieren, erfordert die Optimierung des Untergrundraums in Gebieten mit geeigneten Bedingungen Aufmerksamkeit.

Systemtypen

In seiner Grundform besteht ein ATES-System aus zwei Bohrungen (Dublette) Ein Bereich eines Aquifers dient zur Wärmespeicherung und ein anderer zur Kältespeicherung. Im Winter wird (warmes) Grundwasser aus dem Wärmespeicherbrunnen entnommen und in den Kältespeicherbrunnen eingeleitet. Während des Sommers wird die Fließrichtung umgekehrt, so dass (kaltes) Grundwasser aus dem Kältespeicherbrunnen entnommen und in den Wärmespeicherbrunnen eingespritzt wird. Da jede der Bohrungen sowohl als Extraktions- als auch als Injektionsbohrung dient, werden diese Systeme als bidirektional bezeichnet. Es gibt auch mono-direktionale Systeme.

Eine thermische Energiespeicherung kann auch erreicht werden, indem ein Fluid durch einen erdverlegten Wärmetauscher zirkuliert wird, der üblicherweise aus einer horizontalen oder vertikalen Rohrleitung besteht. Da diese Systeme kein Grundwasser entnehmen oder injizieren, spricht man von geschlossenen Systemen. Diese Systeme werden dann als Erdwärmesonden-Wärmespeicher bezeichnet (ETES).

Hydrogeologische Anforderungen

Eine hydrogeologische Voruntersuchung des Speicherstandortes ist unbedingt erforderlich: Geklärt werden müssen u.a. die Schichtenabfolge, die Lage und Neigung des Grundwasserspiegels, die hydraulische Durchlässigkeit des Untergrunds, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Grundwassers. Bei Temperaturen über 50°C kann es je nach Beschaffenheit des vorliegenden Grundwassers zu chemischen und physikalischen Veränderungen kommen, die ohne geeignete Maßnahmen zu einem Erliegen der Förderung führen können. Jede Einleitung von Wasser in den Untergrund muss wasserrechtlich genehmigt werden. Innerhalb von Trinkwasserschutzgebieten können Aquifer-Wärmespeicher in der Regel nur in Zone III B (erweiterte Schutzzone) errichtet werden.

Projekte in Deutschland (2003)

Weitere Pilotprojekte werden in Rostock und Neubrandenburg betrieben. Die Anlage Rostock-Brinckmanshöhe – im Rahmen des Förderkonzepts „Solarthermie-2000“ mit einem oberflächennahen Aquiferwärmespeicher realisiert – ist seit Herbst 2000 in Betrieb und versorgt ein großes Mehrfamilien- Reihenhaus mit 108 Wohneinheiten. Mit guten Ergebnissen: Nach der Aufheizphase im ersten Jahr konnten in 2002 43% des Jahreswärmebedarfs der Gebäude (664 MWh) durch Solarenergie gedeckt werden. Dies war möglich durch niedrige Netzrücklauftemperaturen und die hohe Jahresarbeitszahl (von 4,3) der elektrischen Wärmepumpe, mit der die saisonal gespeicherte Wärme aus dem Aquifer zurückgewonnen wird.

In Neubrandenburg soll in Zukunft überschüssige Sommerwärme des seit 1997 in Betrieb befindlichen GuD-Kraftwerks der Stadtwerke im Untergrund für eine Nutzung im Winter gespeichert werden. Als Speicher dienen Thermalwasser führende Schichten in 1.200 bis 1.300 m Tiefe, deren 55 °C heißes Wasser seit 1990 für die Fernwärmeversorgung genutzt wird. Ein Probebetrieb ist Ende 2003 angelaufen.

Literatur

Schmidt,T., H. Müller-Steinhagen: Nutzung des Untergrundes zur Kälteversorgung von Gebäuden – Ergebnisse aus dem EUProjekt Soil-Cool; OTTI-Profiforum „Oberflächennahe Geothermie“, Regenstauf, 2005

Benner, M., B. Mahler, D. Mangold, T. Schmidt, M. Schulz, H. Seiwald, E. Hahne:Solar unterstützte Nahwärmeversorgung mit und ohne Langzeit-Wärmespeicher; Forschungsbericht zum BMFT-Vorhaben 0329606C, ITW, Universität Stuttgart, 1999, ISBN-Nr.: 3-9805274-0-9

Nußbicke,J.r: Messdatenauswertung zum Projekt Neckarsulm, Interner Bericht, Institut für Thermodynamik, Universität Stuttgart, 2005

Raab,S., W. Heidemann, D. Mangold, H. Müller-Steinhagen: Die solar unterstützte Nahwärmeversorgung in Crailsheim, 15. OTTI-Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein, 2005

H. Jung, H.,: Energiekonzept Max-Planck-Campus Golm unter Einbeziehung eines Erdspeichers, OTTI-Profiforum „Oberflächennahe Geothermie“, Garching, 2004 van Loon L.J.M.,: Relevant characteristics for open (ATES) storage. IEA ECES Annex 7, Proc. WS on Generic Config. Of Seasonal Cold Storage Applications, Utrecht, 1991

BINE Informationsdienst: Aquiferspeicher für das Reichstagsgebäude, BINE Projektinfo 13/03, Fachinformationszentrum ,Karlsruhe, Bonn, 2000

Schmidt, T., H. Müller-Steinhagen: The Central Solar Heating Plant with Aquifer Thermal Energy Store in Rostock - Results after four years of operation, EuroSun 2004, Freiburg 2004

Kabus,F.,  G. Möllmann, F. Hoffmann: Speicherung von Überschusswärme aus dem Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk Neubrandenburg im Aquifer, Fachtagung Geothermische Vereinigung e.V., Landau in der Pfalz, 2005

Weblink

https://en.wikipedia.org/wiki/Aquifer_thermal_energy_storage

http://www.bine.info/publikationen/publikation/aquiferspeicher-fuer-das-reichstagsgebaeude/technik-und-anwendung/

zuletzt bearbeitet April 2020