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Die Idee, Wasser als Speichermedium zu nutzen, ist nicht neu. Schon in den 1970er-Jahren wurde sie diskutiert, als die Ölkrise die Endlichkeit fossiler Energieträger in Erinnerung rief. Der Grundgedanke war, Wasser in den Sommermonaten in solarthermischen Anlagen zu erhitzen, um es im Winter für Heizung und Warmwasser zu nutzen. Zu diesem Zweck wollte man das erhitzte Wasser in wasserenthaltende Gesteinsschichten (Aquifere) pumpen und dort über Monate zwischenspeichern (Fig. 1). Aquiferspeicher wurden zum Beispiel in Colombier (Kt. Neuenburg) und Lausanne praxisnah erforscht. Wegen fehlender Rentabilität wurden solche Speicher in der Schweiz aber nicht in industriellem Massstab realisiert.
Hierzulande erlebt die Idee der Aquiferspeicher möglicherweise eine Renaissance: als Hochtemperatur-Speicherlösung für Fernwärmenetze. Fernwärme hat eine wachsende Bedeutung bei der Versorgung von Haushalten und Gewerbe mit Heizwärme und Warmwasser. Gerade in städtischen Gebieten kann sie einen wichtigen Beitrag zum Umstieg auf eine nichtfossile Energieversorgung leisten. Bislang stammt der Löwenanteil der Fernwärme aus Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) oder holzbefeuerten Heizwerken. Um die Fernwärme weiter auszubauen, braucht es neue Wärmequellen.
Hier knüpft das Konzept eines Forscherteams der Universität Genf an: Als Wärmequelle wollen die Wissenschaftler Abwärme oder Umweltwärme aus dem Erdreich, aus Seen oder der Umgebungsluft nutzen. Die Wärme aus diesen Quellen wird durch Wärmepumpen und vorzugsweise mit Solarstrom auf ein höheres Temperaturniveau (ca. 40–85 °C) gebracht. Die Urheber des Konzepts plädieren dafür, die Wärmepumpen in den Sommermonaten für die Produktion von Überschusswärme zu nutzen und diese dann in Aquiferspeichern bis zum Winter zwischenzuspeichern. Konkret könnte das wie folgt aussehen: Dem 10-grädigen Genfersee wird ganzjährig Umweltwärme entzogen und mit Wärmepumpen auf 85 °C erhitzt. Im Winter wird diese Wärme für Heizung und Warmwasser direkt genutzt. In den Sommermonaten hingegen entstehen Wärmeüberschüsse. Diese werden in einen Aquifer in 1000 m Tiefe, wo eine natürliche Temperatur von 40 bis 45 °C herrscht, gespeichert. Durch die zugeführte Wärme steigt die Temperatur im Aquifer auf 60 bis 70 °C. Die eingespeicherte Wärme kann im nächsten Winter an das Fernwärmenetz übertragen und so für Heizzwecke genutzt werden.
Das Konzept der Genfer Wissenschaftler mag auf den ersten Blick erstaunen. Ist es nicht sinnvoller, Umweltwärme ausschliesslich im Winter im Fernwärmenetz zu nutzen, wenn tatsächlich ein Bedarf besteht? Fleury de Oliveira von der Universität Genf sieht gute Gründe für die saisonale Wärmespeicherung in einem Aquiferspeicher (Fig. 2): «Wird die Wärme im Sommer erzeugt und dann bis zum Winter gespeichert, hat das mehrere Vorteile: Der Strom ist im Sommer günstiger und verursacht zudem bei seiner Erzeugung deutlich tiefere Treibhausgasemissionen als Winterstrom. Ausserdem lassen sich die Investitionen in Wärmepumpen besser amortisieren, wenn diese ganzjährig betrieben werden.»
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 für Energie (BFE) unterstützt das Projekt im Rahmen seines Forschungsprogramms Solarthermie.
Um die Vorzüge eines Aquiferspeichers zu verstehen, kann man sich als beispielhaft ein Fernwärmenetz mit drei Wärmequellen vorstellen: Eine Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) liefert die Grundlast für den Wärmeverbund (30% der Spitzenlast). Sie wird ergänzt durch eine Wärmepumpe (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 Wärmeüberschuss in einem Aquiferspeicher gespeichert wird: Im ersten Szenario wurde nur der Sommerüberschuss aus der KVA im Aquifer gespeichert, im zweiten Szenario der Sommerüberschuss von KVA und Wärmepumpe.
Die Berechnungen zeigen: In Szenario 1 (nur KVA) sinken die jährlichen CO2-Emissionen des Fernwärmenetzes im Vergleich zu einem Betrieb ohne Aquiferspeicher um 10 bis 20 Prozent. Noch deutlich grösser ist die Senkung der CO2-Emissionen in Szenario 2 (KVA und Wärmepumpe): Hier sinken die CO2-Emissionen des Fernwärmenetzes um 30 bis 40% gegenüber einer Wärmeversorgung ohne Speicherung.
Gemäss den Berechnungen der Genfer Wissenschaftler erlaubt der Sommerbetrieb von Wärmepumpen in Kombination mit einem Aquiferspeicher also einen grossen Schritt hin zu einer CO2-armen Wärmeversorgung. Dieses Konzept bringt allerdings mehrere Herausforderungen mit sich. Dazu gehört die richtige Dimensionierung der Wärmeerzeugungseinheiten in Bezug auf die thermische Last des Fernwärmenetzes, aber auch die Festlegung der erforderlichen Vor- und Rücklauftemperaturen. Anspruchsvoll ist auch die Auslegung des Aquiferspeichers (insbesondere hinsichtlich Grösse und Durchflussmenge).
Das P2ATES-Team hat zu diesen Fragen theoretische Antworten entwickelt. Sie ermöglichen, diese Parameter auf einfache Weise miteinander zu verknüpfen und Dimensionierungsregeln abzuleiten. Mit ihnen lässt sich im Voraus bestimmen, in welchem Fall ein Aquiferspeichersystem eine optimale Leistung erbringt. Ergänzend simulierten die Forscher mit einem numerischen Modell mehrere Tausend Aquiferspeichersysteme für Fernwärmenetze mit 1 MW (230 Haushalte), 10 MW (2300 Haushalte) und 100 MW (23'000 Haushalte) Leistung und unterschiedliche Parameter wie z. B. Temperatur des Wärmenetzes oder Mächtigkeit, Durchlässigkeit 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 veröffentlicht werden soll.
Aquiferspeicher können nur in Gebieten gebaut werden, die nicht der Trinkwasserversorgung dienen. Der Bau der neuartigen Wärmespeicher bedarf umfangreicher Abklärungen (Fig. 3). So muss sichergestellt werden, dass bei den Bohrungen und später während der Nutzung keine Erdbeben entstehen wie bei den Geothermieprojekten in Basel (2006/2007) und St. Gallen (2013). «Wir schätzen die Erdbebengefahr als deutlich geringer ein, weil wir zum einen weniger tief bohren», sagt Co-Projektleiter Pierre Hollmüller von der Universität Genf. «Zudem nutzen wir geologische Formationen, in denen natürlicherweise schon Grundwasser zirkuliert, es geht also nicht darum, heisse Gesteinsschichten durch Einpressen von Hochdruckwasser zu stimulieren, wie bei den Bohrungen in Basel und St. Gallen.» Unter Geobest2020+ wurde jüngst ein neues Regelwerk vom Schweizer Erdbebendienst zur Festlegung der geeigneten Verfahren während Bohrungen und zur Nutzung implementiert.
Eine weitere Herausforderung: Abhängig von der Temperatur treten im Aquiferspeicher chemische Reaktionen auf, die zu Ablagerungen von Mineralien (z. B. Kalk) im Rohrsystem und in den Wärmetauschern führen können. Solche unerwünschten Effekte müssen durch Gegenmassnahmen (z. B. Spülungen mit geeigneten Säuren) kontrolliert werden.
Wie ein Aquiferspeicher für das Genfer Wärmenetz konkret aussehen könnte, ist derzeit noch offen. Bern hingegen ist einen Schritt weiter: Dort erprobt der städtische Energieversorger Energie Wasser Bern bei der Energiezentrale Forsthaus einen Geospeicher, der die sommerlichen Wärmeüberschüsse aus der KVA im Winter in wasserführende Sandsteinschichten in 240 bis 500 m Tiefe bringt (Fig. 4 und 5). Der Sandstein soll dabei als saisonaler Wärmespeicher fungieren. Der Speicher hat gemäss Planung eine Kapazität von 12 bis 15 GWh. Dies entspricht rund fünf Prozent des jährlichen Wärmeabsatzes 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 für 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 – also ob das «Laden» und «Entladen» des Geospeichers wie vorgesehen funktioniert. Diese Tests werden voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2024 abgeschlossen sein.
Es wird interessant sein, zu sehen, wie sich Aquiferspeicher in Schweizer Wärmenetzen in den kommenden Jahren entwickeln werden. In Dänemark ist es seit Längerem üblich, künstlich angelegte Wasserbecken als Wärmespeicher zu nutzen. Das heisse Wasser stammt dort typischerweise von Solarkollektoren. Jüngere Projekte zielen darauf ab, mit Windstrom angetriebene Wärmepumpen für die Wärmeproduktion zu nutzen. Weitere Vorbilder gibt es in den Niederlanden: Hier sind Aquiferspeicher heute schon für die Bereitstellung von Gewerbekälte im Einsatz: Die Speicher werden bei tiefen Temperaturen (rund 10 °C) 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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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 Wärmespeicher: In den Sommermonaten nimmt er überschüssige Wärme (bis 70 °C) aus einer Wärme-Kraft-Kopplungsanlage auf. Durch die Wärmezufuhr erwärmt sich der Aquifer auf über 60 °C. Diese Wärme wird in den Wintermonaten für die Beheizung der Gebäude genutzt. Dabei sinkt die Temperatur im Aquifer wieder auf seine natürliche Temperatur von ca. 20 °C.
Ein zweiter Aquifer – er liegt 60 m unter der Erdoberfläche – dient als Kältespeicher: In dieser Tiefe hat die Erde eine natürliche Temperatur von 12 °C: In den Wintermonaten wird diese Wärme über eine Wärmepumpe zur Beheizung der Gebäude genutzt. Dabei kühlt das Erdreich auf 5 °C ab. Diese Kühlenergie kann in den Sommermonaten zur Kühlung der Gebäude genutzt werden.
Gemäss einer Simulationsrechnung für die beiden Aquiferspeicher können auf diesem Weg 93% der eingespeicherten Kälte und 77% der eingespeicherten Wärme genutzt werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Aquifere von wärmeisolierenden Gesteinsschichten geschützt sind.
Jedes Aquiferspeichersystem braucht Energie für den Betrieb der Pumpen, die das Wasser beim Laden der Speicher ins Erdreich befördern und beim Entladen der Speicher an die Oberfläche bringen. Die Rohre des Berliner Wärmespeichers sind wegen des Salzgehalts des Wassers aus glasfaserverstärkten Harzen gefertigt (bei den Rohren des Kältespeichers war diese Vorkehrung nicht nötig). 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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