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Fachartikel
29. Januar 2024

Fernwärme

Wenn Geospeicher Wärmenetze versorgen

Wasser ist ein hervorragendes Speichermedium. Mit ihm lässt sich Wärme über Tage, Wochen und Monate aufbewahren und sogar vom heissen Sommer in den kalten Winter transportieren. Diese Eigenschaft machen sich sogenannte Aquiferspeicher zunutze: Dabei dienen wasserführende ­Gesteinsschichten ‚Äď sogenannte Aquifere ‚Äď in Tiefen von einigen Hundert Metern als saisonale Wärmespeicher. Wissenschaftler der Universität Genf untersuchen aktuell das Potenzial von Aquiferspeichern für die Versorgung des Genfer Fernwärmenetzes.
Benedikt Vogel 

Die Idee, Wasser als Speichermedium zu nutzen, ist nicht neu. Schon in den 1970er-Jahren wurde sie diskutiert, als die √Ėlkrise die Endlichkeit fossiler Energietr√§ger in Erinnerung rief. Der Grundgedanke war, Wasser in den Sommermonaten in solarthermischen Anlagen zu erhitzen, um es im Winter f√ľr Heizung und Warmwasser zu nutzen. Zu diesem Zweck wollte man das erhitzte Wasser in wasserenthaltende Gesteinsschichten (Aquifere) pumpen und dort √ľber Monate zwischenspeichern (Fig. 1). Aquiferspeicher wurden zum Beispiel in Colombier (Kt. Neuen¬≠burg) und Lausanne praxisnah erforscht. Wegen fehlender Rentabilit√§t wurden solche Speicher in der Schweiz aber nicht in industriellem Massstab realisiert.

Umweltwärme saisonal speichern

Hierzulande erlebt die Idee der Aquiferspeicher m√∂glicherweise eine Renaissance: als Hochtemperatur-Speicherl√∂sung f√ľr Fernw√§rmenetze. Fernw√§rme hat eine wachsende Bedeutung bei der Versorgung von Haushalten und Gewerbe mit Heizw√§rme und Warmwasser. Gerade in st√§dtischen Gebieten kann sie einen wichtigen Beitrag zum Umstieg auf eine nichtfossile Energieversorgung leisten. Bislang stammt der L√∂wenanteil der Fernw√§rme aus Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) oder holzbefeuerten Heizwerken. Um die Fernw√§rme weiter auszubauen, braucht es neue W√§rmequellen.

Hier kn√ľpft das Konzept eines Forscherteams der Universit√§t Genf an: Als W√§rmequelle wollen die Wissenschaftler Abw√§rme oder Umweltw√§rme aus dem Erdreich, aus Seen oder der Umgebungsluft nutzen. Die W√§rme aus diesen Quellen wird durch W√§rmepumpen und vorzugsweise mit Solarstrom auf ein h√∂heres Temperaturniveau (ca. 40‚Äď85‚ÄȬįC) gebracht. Die Urheber des Konzepts pl√§dieren daf√ľr, die W√§rmepumpen in den Sommermonaten f√ľr die Produktion von √úberschussw√§rme zu nutzen und diese dann in Aquiferspeichern bis zum Winter zwischenzuspeichern. Konkret k√∂nnte das wie folgt aussehen: Dem 10-gr√§digen Genfersee wird ganzj√§hrig Umweltw√§rme entzogen und mit W√§rmepumpen auf 85‚ÄȬįC erhitzt. Im Winter wird diese W√§rme f√ľr Heizung und Warmwasser direkt genutzt. In den Sommermonaten hingegen entstehen W√§rme√ľbersch√ľsse. Diese werden in einen Aquifer in 1000‚ÄČm Tiefe, wo eine nat√ľrliche Temperatur von 40 bis 45‚ÄȬįC herrscht, gespeichert. Durch die zugef√ľhrte W√§rme steigt die Temperatur im Aquifer auf 60 bis 70‚ÄȬįC. Die eingespeicherte W√§rme kann im n√§chsten Winter an das Fernw√§rmenetz √ľbertragen und so f√ľr Heizzwecke genutzt werden.

Effiziente Wärmeproduktion

Das Konzept der Genfer Wissenschaftler mag auf den ersten Blick erstaunen. Ist es nicht sinnvoller, Umweltw√§rme ausschliesslich im Winter im Fernw√§rmenetz zu nutzen, wenn tats√§chlich ein Bedarf besteht? Fleury de Oliveira von der Universit√§t Genf sieht gute Gr√ľnde f√ľr die saisonale W√§rmespeicherung in einem Aquiferspeicher (Fig. 2): ¬ęWird die W√§rme im Sommer erzeugt und dann bis zum Winter gespeichert, hat das mehrere Vorteile: Der Strom ist im Sommer g√ľnstiger und verursacht zudem bei seiner Erzeugung deutlich tiefere Treibhausgasemissionen als Winterstrom. Ausserdem lassen sich die Investitionen in W√§rmepumpen besser amortisieren, wenn diese ganzj√§hrig betrieben werden.¬Ľ

Der ausgebildete Physiker MAS arbeitet in der Gruppe Energiesysteme der Universität Genf. Gemeinsam mit Kollegen untersucht de Oliveira seit 2019 die Nutzung von Aquiferspeichern im Zusammenhang mit Fernwärmenetzen.

Am Forschungsprojekt namens P2ATES sind die Industriellen Werke Genf (SIG) als Ideen- und Geldgeber beteiligt. Das Bundesamt f√ľr Energie (BFE) unterst√ľtzt das Projekt im Rahmen seines Forschungsprogramms Solarthermie.

Aquiferspeicher haben tiefere CO2-Emisssionen

Um die Vorz√ľge eines Aquiferspeichers zu verstehen, kann man sich als beispielhaft ein Fernw√§rmenetz mit drei W√§rmequellen vorstellen: Eine Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) liefert die Grundlast f√ľr den W√§rmeverbund (30% der Spitzenlast). Sie wird erg√§nzt durch eine W√§rmepumpe (Zwischenlast, 20% der Spitzenlast) und eine Gasheizung (Spitzenlast, 50% der Spitzenlast). Die Genfer Forscher haben in ihrer Studie zwei Szenarien berechnet, bei denen der sommerliche W√§rme√ľberschuss in einem Aquiferspeicher gespeichert wird: Im ersten Szenario wurde nur der Sommer√ľberschuss aus der KVA im Aquifer gespeichert, im zweiten Szenario der Sommer√ľberschuss von KVA und W√§rmepumpe.

Die Berechnungen zeigen: In Szenario 1 (nur KVA) sinken die j√§hrlichen CO2-Emissionen des Fernw√§rmenetzes im Vergleich zu einem Betrieb ohne Aquiferspeicher um 10 bis 20 Prozent. Noch deutlich gr√∂sser ist die Senkung der CO2-Emissionen in Szenario 2 (KVA und W√§rmepumpe): Hier sinken die CO2-Emissionen des Fernw√§rmenetzes um 30 bis 40% gegen√ľber einer W√§rmeversorgung ohne Speicherung.

Fragen der Dimensionierung

Gem√§ss den Berechnungen der Genfer Wissenschaftler erlaubt der Sommerbetrieb von W√§rmepumpen in Kombination mit einem Aquiferspeicher also einen grossen Schritt hin zu einer CO2-armen W√§rmeversorgung. Dieses Konzept bringt allerdings mehrere Herausforderungen mit sich. Dazu geh√∂rt die richtige Dimensionierung der W√§rmeerzeugungseinheiten in Bezug auf die thermische Last des Fernw√§rmenetzes, aber auch die Festlegung der erforderlichen Vor- und R√ľcklauftemperaturen. Anspruchsvoll ist auch die Auslegung des Aquiferspeichers (insbesondere hinsichtlich Gr√∂sse und Durchflussmenge).

Das P2ATES-Team hat zu diesen Fragen theoretische Antworten entwickelt. Sie erm√∂glichen, diese Parameter auf einfache Weise miteinander zu verkn√ľpfen und Dimensionierungsregeln abzuleiten. Mit ihnen l√§sst sich im Voraus bestimmen, in welchem Fall ein Aquiferspeichersystem eine optimale Leistung erbringt. Erg√§nzend simulierten die Forscher mit einem numerischen Modell mehrere Tausend Aquiferspeichersysteme f√ľr Fernw√§rmenetze mit 1‚ÄČMW (230 Haushalte), 10‚ÄČMW (2300 Haushalte) und 100‚ÄČMW (23'000 Haushalte) Leistung und unterschiedliche Parameter wie z.‚ÄČB. Temperatur des W√§rmenetzes oder M√§chtigkeit, Durchl√§ssigkeit und Wasserdruck des Aquifers. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden derzeit mit den theoretisch vorhergesagten Ergebnissen verglichen. Die Ergebnisse werden im Projektbericht enthalten sein, der bis Ende 2023 ver√∂ffentlicht werden soll.

Gefahren realistisch einschätzen

Aquiferspeicher k√∂nnen nur in Gebieten gebaut werden, die nicht der Trinkwasserversorgung dienen. Der Bau der neuartigen W√§rmespeicher bedarf umfangreicher Abkl√§rungen (Fig. 3). So muss sichergestellt werden, dass bei den Bohrungen und sp√§ter w√§hrend der Nutzung keine Erdbeben entstehen wie bei den Geothermieprojekten in Basel (2006/2007) und St.‚ÄČGallen (2013). ¬ęWir sch√§tzen die Erdbebengefahr als deutlich geringer ein, weil wir zum einen weniger tief bohren¬Ľ, sagt Co-Projektleiter Pierre Hollm√ľller von der Universit√§t Genf. ¬ęZudem nutzen wir geologische Formationen, in denen nat√ľrlicherweise schon Grundwasser zirkuliert, es geht also nicht darum, heisse Gesteinsschichten durch Einpressen von Hochdruckwasser zu stimulieren, wie bei den Bohrungen in Basel und St.‚ÄČGallen.¬Ľ Unter Geobest2020+ wurde j√ľngst ein neues Regelwerk vom Schweizer Erdbebendienst zur Festlegung der geeigneten Verfahren w√§hrend Bohrungen und zur Nutzung implementiert.

Eine weitere Herausforderung: Abh√§ngig von der Temperatur treten im Aquiferspeicher chemische Reaktionen auf, die zu Ablagerungen von Mineralien (z.‚ÄČB. Kalk) im Rohrsystem und in den W√§rmetauschern f√ľhren k√∂nnen. Solche unerw√ľnschten Effekte m√ľssen durch Gegenmassnahmen (z.‚ÄČB. Sp√ľlungen mit geeigneten S√§uren) kontrolliert werden.

Bern testet einen Geospeicher

Wie ein Aquiferspeicher f√ľr das Genfer W√§rmenetz konkret aussehen k√∂nnte, ist derzeit noch offen. Bern hingegen ist einen Schritt weiter: Dort erprobt der st√§dtische Energieversorger Energie Wasser Bern bei der Energiezentrale Forsthaus einen Geospeicher, der die sommerlichen W√§rme√ľbersch√ľsse aus der KVA im Winter in wasserf√ľhrende Sandsteinschichten in 240 bis 500 m Tiefe bringt (Fig. 4 und 5). Der Sandstein soll dabei als saisonaler W√§rmespeicher fungieren. Der Speicher hat gem√§ss Planung eine ¬≠Kapazit√§t von 12 bis 15‚ÄČGWh. Dies entspricht rund f√ľnf Prozent des j√§hrlichen W√§rmeabsatzes der Energiezentrale Forsthaus.

Mit den Bohrungen in Bern konnten viele Hundert Meter Kernmaterial gewonnen werden. Ein Team von Fachexperten untersucht das Gestein aktuell auf die Zusammensetzung und die Eignung f√ľr den Geospeicher. Parallel zur Auswertung der geologischen Daten bereitet Geo-Energie Suisse die Testphasen des Speichers vor. Sobald ein genaueres Bild von den Gesteinsschichten vorliegt, wird das Pump- und Zirkulationsverhalten des Wassers im Untergrund untersucht ‚Äď also ob das ¬ęLaden¬Ľ und ¬ęEntladen¬Ľ des Geospeichers wie vorgesehen funktioniert. Diese Tests werden voraussichtlich in der zweiten Jahresh√§lfte 2024 abgeschlossen sein.

Es wird interessant sein, zu sehen, wie sich Aquiferspeicher in Schweizer W√§rmenetzen in den kommenden Jahren entwickeln werden. In D√§nemark ist es seit L√§ngerem √ľblich, k√ľnstlich angelegte Wasserbecken als W√§rmespeicher zu nutzen. Das heisse Wasser stammt dort typischerweise von Solarkollektoren. J√ľngere Projekte zielen darauf ab, mit Windstrom angetriebene W√§rmepumpen f√ľr die W√§rmeproduktion zu nutzen. Weitere Vorbilder gibt es in den Niederlanden: Hier sind Aquiferspeicher heute schon f√ľr die Bereitstellung von Gewerbek√§lte im Einsatz: Die Speicher werden bei tiefen Temperaturen (rund 10‚ÄȬįC) betrieben und nutzen Erdschichten in geringer Tiefe.

Auskunft und Kontakt
Stephan A. Mathez, externer Leiter des BFE-Forschungsprogramms Solarthermie und Wärmespeicherung
stephan.a.mathez@solarcampus.ch

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Aquiferspeicher heizt Deutschen Bundestag

Im Erdreich unter den Gebäuden des Deutschen Bundestags in Berlin sind seit 2003 zwei Aquiferspeicher (engl. Aquifer Thermal Energy Storage/ATES) in Betrieb.


Einer der beiden Aquifer befindet sich in 320 m Tiefe und dient als W√§rmespeicher: In den Sommermonaten nimmt er √ľbersch√ľssige W√§rme (bis 70‚ÄȬįC) aus einer W√§rme-Kraft-Kopplungsanlage auf. Durch die W√§rmezufuhr erw√§rmt sich der Aquifer auf √ľber 60‚ÄȬįC. Diese W√§rme wird in den Wintermonaten f√ľr die Beheizung der Geb√§ude genutzt. Dabei sinkt die Temperatur im Aquifer wieder auf seine nat√ľrliche Temperatur von ca. 20‚ÄȬįC.

Ein zweiter Aquifer ‚Äď er liegt 60‚ÄČm unter der Erdoberfl√§che ‚Äď dient als K√§ltespeicher: In dieser Tiefe hat die Erde eine nat√ľrliche Temperatur von 12‚ÄȬįC: In den Wintermonaten wird diese W√§rme √ľber eine W√§rmepumpe zur Beheizung der Geb√§ude genutzt. Dabei k√ľhlt das Erdreich auf 5‚ÄȬįC ab. Diese K√ľhlenergie kann in den Sommermonaten zur K√ľhlung der Geb√§ude genutzt werden.

Gem√§ss einer Simulationsrechnung f√ľr die beiden Aquiferspeicher k√∂nnen auf diesem Weg 93% der eingespeicherten K√§lte und 77% der eingespeicherten W√§rme genutzt werden. Voraussetzung daf√ľr ist, dass die Aquifere von w√§rmeisolierenden Gesteinsschichten gesch√ľtzt sind.

Jedes Aquiferspeichersystem braucht Energie f√ľr den Betrieb der Pumpen, die das Wasser beim Laden der Speicher ins Erdreich bef√∂rdern und beim Entladen der Speicher an die Oberfl√§che bringen. Die Rohre des Berliner W√§rmespeichers sind wegen des Salzgehalts des Wassers aus glasfaserverst√§rkten Harzen gefertigt (bei den Rohren des K√§ltespeichers war diese Vorkehrung nicht n√∂tig). Alle Rohre stehen dauerhaft unter Druck, um zu vermeiden, dass Sauerstoff ins Grundwasser gelangt.

 

Temperaturen des Aquifers am Brunnenkopf beim Aquiferspeicher beim Bundestag in Berlin. (Grafik: nach Vorlage B. Sanner et al.)

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