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Wärmespeicher

Bei Wärmespeichern, also Speichern thermischer Energie, ist zwischen kleinen technischen Speichern, wie

  • Warmwasserspeichern (sensible Speicher)
  • latenten Speichern
  • chemischen Speichern

und großen Speichern zur Langzeitspeicherung (saisonale Speicher) zu unterscheiden. Saisonale Speicherung großer Wärmemengen ist nur in Erdwärmespeichern (geothermischen Speichern) möglich. Im englische Sprachraum werden diese Speicher als UTES (underground termal energy storage) bezeichnet,

Speichertypen

Es sind eine Vielzahl verschiedener Wärmespeicher möglich und auch realisiert. Ein Überblick (englische Begriffe):

  • UTES   underground thermal energy storage - geothermische Speicher
  • ATES   aquifer thermal energy storage - Aquiferspeicher
  • BTES   borehole thermal energy storage - Erdwärmesondenspeicher
  • PTES   pits thermal energy sorage - Grubenwärmespeicher
  • MTES  mine thermal energy storage - Grubenspeicher
  • TTES   tank thermal energy storage - Behälterspeicher (eingeerdet)

Erwärmesondenspeicher (BTES)

Erdwärmesonden-Speicher sind oberflächennahe Erdwärmespeicher bei denen die Wärme mit Erdwärmesonden sowohl ein- als auch ausgespeichert wird. Sie sind oft mit einer oberflächennahen Erdwärmeheizung aber auch mit Anlagen der Solarthermie kombiniert. Dadurch, dass im Sommer Überschusswärme eingespeichert wird, wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Gesamtanlage deutlich verbessert.

Umweltauflagen gestatten meist nur eine geringe Erhöhung der Temperaturen im Einspeicherbereich des Untergrundes. Als Folge sind Erdwärmesonden-Speicher vorwiegend für eine lokale Anwendung geeignet, wie:

  • Beiheizung von Einzelgebäuden
  • Eisfreihaltung von Straßen etc.
  • Beheizung von Weichen der Bahn
  • vieles mehr

Aquiferspeicher (ATES)

Größere Wärmemengen lassen sich in tieferen, offenen Systemen speichern. Auch hier kann ein Großteil der eingespeicherten Energie rückgewonnen werden, da Grundwasserströmungen meist klein sind. Wegen der großen beteiligten Volumina zusammen mit der hohen Wärmekapazität von Wasser sind die Einspeichermengen nahezu beliebig groß. Die Möglichkeit dieser Speicher ist in Deutschland bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Die zugelassenen Temperaturen sind in größeren Tiefen weitaus höher als bei den oberflächennahen Sondenspeichern.

Hochtemperaturspeicher (HT-UTES, high temperatur underground termal energy storage)

Aquiferspeicher mit Einspeichertemperaturen deutlich über der Aquifertemperatur werden oft als Hochtemperaturspeicher bezeichnet. Eine genaue Definition, also ein Temperaturwert ist nicht vorgegeben. Diese Art Speicher wird interessant, wenn ein Temperaturniveau erreicht wird, dass eine direkte Nutzung (ohne Wärmepumpe) in Fernwärmenetzen erlaubt. Dies dürfte für Netze der 4. Generation bei etwa 55 °C liegen. Noch höhere Temperaturen sind nötig, wenn der Speicher zur thermodynamischen Stromerzeugung genutzt werden soll (Stromspeicher). Man spricht dann auch von Speicherkraftwerken.

Wärmespeicher zur Stromrückgewinnung

Zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung (Wind, Sonne) werden auch Wärmespeicher auf einem Temperaturniveau angedacht, die eine Stromrückgewinnung in einem thermischen Kraftwerk gestatten. Für klassische Dampfkraftwerke sind hier relariv hohe Temperatuten nötig. Denkbar sind hier Flüssigsalz-Latentwärmespeicher in natürlichen Salzstrukturen. Flüssigsalz hat Temperatuten von 800 ºC was einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung gewährleistet.

Tiefenspeicher

Aquiferspeicher in Tiefen > 400m werden gelegentlich auch Tiefenspeicher genannt. Eine genaue Definition ist nicht vorgegeben.

Grubenwärmespeicher (MTES)

Wärmespeicherung, auch im Zusammenhang mit Fernwärmenetzen kann auch ein Thema der Nachnutzung von Bergbauinfrastruktur sein. Erste Versuche hierzu laufen (2018) in einem Foschungsvorhaben am Geothermiezentrum Bochum.

Sonderformen

Eine Sonderform der Wärmespeicher sind die Latentwärmespeicher oder Phasenwechselspeicher. Sie unterscheiden sich von sensiblen Speichern dadurch, dass die Phasenumwandlungsenthalpie und nicht die Wärmekapazität (bezogen auf die Temperaturspreizung) die Speichergröße bestimmt.

Bergrecht, BBergG Wortlaut

§ 4 Begriffsbestimmungen

(9) Untergrundspeicher ist eine Anlage zur unterirdischen behälterlosen Speicherung von Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen mit Ausnahme von Wasser.

§ 126 Untergrundspeicherung

(1) Auf Untersuchungen des Untergrundes auf seine Eignung zur Errichtung von Untergrundspeichern und auf Untergrundspeicher sind die §§ 39, 40, 48, 50 bis 74, 77 bis 104, 106 und 131 entsprechend anzuwenden. Soweit zur Errichtung des Untergrundspeichers ein künstlicher Hohlraum geschaffen wird oder geschaffen worden ist, sind auf die Errichtung und den Betrieb von Untergrundspeichern zudem die §§ 110 bis 123 entsprechend anzuwenden. Mit der Vorlage des ersten Betriebsplans hat der Unternehmer nachzuweisen, daß er eine allgemeine Beschreibung des geplanten Untergrundspeichers unter möglichst genauer Angabe der Lage und der voraussichtlich größten Ausdehnung im Untergrund durch Veröffentlichung in mindestens zwei der im Bereich des Standorts des Untergrundspeichers allgemein verbreiteten Tageszeitungen mindestens einen Monat vorher bekanntgemacht hat. Bei nachträglichen Veränderungen ist dieser Nachweis erneut zu erbringen, wenn sich die Ausdehnung des Untergrundspeichers im Untergrund wesentlich ändert.

(2) Eine Untersuchung des Untergrundes auf seine Eignung zur Errichtung von Untergrundspeichern liegt nur vor, soweit damit eine Aufsuchung nicht verbunden ist.

(3) Auf die Errichtung und den Betrieb einer Anlage zur Lagerung, Sicherstellung oder Endlagerung radioaktiver Stoffe im Sinne des Atomgesetzes in der Fassung der Bekanntmachung vom 31. Oktober 1976 (BGBl. I S. 3053), zuletzt geändert durch Artikel 14 des Gesetzes vom 28. März 1980 (BGBl. I S. 373), sind die §§ 39, 40, 48, 50 bis 74 und 77 bis 104 und 106 entsprechend anzuwenden, wenn die Anlage ihrer Art nach auch zur unterirdischen behälterlosen Speicherung geeignet ist.

Hier sind also Wärmespeicher noch nicht explizit angesprochen, abgleich sie auch dem Bergrecht unterliegen.

Literatur

Rundel, P., Benedikt Meyer, Martin Meiller, Inge Meer, Robert Daschner, Michael Jakuttis, Matthias Franke, Samir Binder, Andreas Hornung: Speicher für die Energiewende, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Kabus, F., Richlak, U.; Beuster, H.: Aquiferwärmespeicher Neubrandenburg vermittelt zwischen GuD-Kraftwerk und Fernwärmenetz. In: VDI-Konferenz \"Thermische Energiespeicher in der Energieversorgung\" (2012)

Wolfgramm, M., Rauppach, K. : Monitoring des geothermischen Tiefenspeichers (Rhät) Neubrandenburg). In: SGGD Nummer 68 (2010), S. 616 

Köhler, S., Kranz, S., Huenges, E., Albers, J., Berkyürek, C., Ziegler, F., Bartels, J., Wolfgramm, M., Seibt, A., Kabus, F., Opel, O., Ruck, W.K.L.: Wärme- und Kälteversorgung der Parlamentsbauten im Berliner Spreebogen mit Aquiferspeicher. In: Statusseminar „Thermische Energiespeicherung“, Freiburg. (2006) 

Kabus, F., Seibt, P.: Aquiferspeicher für das Reichstagsgebäude im Berliner Spreebogen. In: 3. Symp. Erdgekoppelte Wärmepumpen, Rauischholzhausen, IZW-Berichte Nummer 2 (1997) 

Rockel , W., Hoth, P. & Seibt, P.: Charakteristik und Aufschluss hydrogeothermaler Speicher.. In: Geowissenschaften Nummer 15 (8) (1997), S. 244-252 

Kabus, F.: Die Einbindung der saisonalen Wärmespeicherung in Grundwasserleitern in Wärmeversorgungssysteme. In: VDI/GET-Tagung „Energiespeicher für Strom, Wärme und Kälte“, Leipzig, VDI-Berichte 1168 (1994) 

Ignacy, R., Jagert, F., Bracke, R.: Entwicklung eines saisonalen Grubenwärmespeichers in NRW. In: GTE Nummer 86 (2017), S. 14 

Kött, A. & Kracht, M.: Mder CO2-Speicherung in tiefen Aquiferen Hessens. In: Schriftenr. dt. Ges. Geowiss . Nummer 74, In: Müller, C. & Reinhold, K. (Hrsg.): Geologische Charakterisierung tiefliegender Speicher - und Barrierehorizonte in Deutschland – Speicher - Kataster Deutschland (2011), S. 165-187 

Fehn, C. & Wirsing, G. : Speicherpotentiale im tieferen Untergrund Baden - Württembergs. In: Schriftenr. d t. Ges. Geowiss. Nummer Heft 74: In: Müller, C. & Reinhold, K. (Hrsg.): Geologische Charakterisierung tiefliegender Speicher - und Barrierehorizonte in Deutschland – Speicher - Kataster Deutschland. (2011), S. 214-225 

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank

zuletzt bearbeitet August 2020