Aquifer-Wärmespeicher

1. Grundlagen / Aufbau

Neben den Erdsonden-Wärmespeichern gibt es eine weitere Möglichkeit, Wärme im Untergrund zu speichern. Die Aquifer-Wärmespeicher nutzen dabei entweder das oberflächennahe Erdreich oder wasserführende Gesteinsschichten in tieferen Bereichen, d.h. ab ca. 100 m. /Fisch et al./ Da die erste Möglichkeit aber meist mit der Nutzung des Grundwassers verbunden ist und dieses unter Umständen thermisch oder chemisch belastet werden könnte, ist dafür eine Sondergenehmigung notwendig. Aus diesem Grund wird hauptsächlich auf die Nutzung tiefer gelegener Gesteinsformationen zurück-gegriffen. /AEE/, /Reuß/

Abb. 1: Schema Aquifer-Wärmespeicher

Trotz der relativ einfachen Technik wird die Wirtschaftlichkeit dieser Wärmespeicher erst nach mehreren Jahren erreicht. Aufgrund der fehlenden Wärmedämmung stellt sich ein eingeschwungener Zustand mit deutlich ausgeprägten Temperaturzonen um die Bohrungen erst nach längerer Betriebszeit ein. In den ersten Jahren nach der Inbetriebnahme kann daher kaum Wärme aus dem Speicher entnommen werden, da sich das gesamte Speichervolumen und das umgebende Erdreich erst auf Betriebstemperatur erwärmen muss.

2. Speichermaterial

Als Speichermaterial dient das in den Gesteinsschichten vorgefundene Wasser, welches unbedingt in einem abgeschlossenen Bereich vorliegen muss, da sonst die eingespeicherte Wärme nicht wieder entnommen werden kann und mit dem heißen Wasser abfließt.

3. Be- und Entladung

Für die Be- und Entladung sind mindestens zwei Bohrungen notwendig. Bei der ersten Bohrung, der sogenannten „kalten Bohrung“, wird das Grundwasser entnommen und oberirdisch erwärmt bevor es dann durch die zweite „warme Bohrung“ wieder in den Untergrund gepumpt wird. Dadurch stellen sich um die Bohrungen zwei voneinander getrennte Temperaturniveaus ein. Diese sind in erster Linie von den Lade- bzw. Entladebedingungen abhängig. Die beiden Bohrungen sollten in einem Abstand von 50 bis 300 m zueinander liegen, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Bei Wärmebedarf wird dann einfach die Strömungsrichtung umgekehrt, sodass das warme Wasser wieder nach oben gefördert werden kann. Bei diesem Wechsel verhält sich das System jedoch relativ träge, sodass es auf schnelle Nachfragen nicht reagieren kann. /AEE/, /Mangold, Brenner/

4. Größe

Am effizientesten lässt sich bei diesem Typ die Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau speichern, da hierbei die Wärmeverluste am niedrigsten sind. Es ist eine bestimmte Mindestgröße sinnvoll, um ein wirtschaftlich tragfähiges Konzept zu erhalten. Das Speichervolumen sollte dabei 100.000 m³ nicht unterschreiten. /Al-Addous/ Da der Speicher nicht von einem Behälter umgeben ist, können auch keine Dämmmaßnahmen getroffen werden, die den Speicher vor Wärmeverlusten schützen. Deswegen ist mit relativ großen Verlusten zu rechnen. Umgerechnet auf einen Heißwasserspeicher muss der Aquifer-Wärmespeicher das 2- bis 3- fache Volumen aufweisen, um die gleiche Wärmemenge bereitstellen zu können. /Friedrich 1/

5. Anforderungen / Einsatzbedingungen

Da Aquifer-Wärmespeicher nicht konstruiert, sondern nur erschlossen werden können, ist eine Nutzung nicht an jedem beliebigen Standort möglich. Der Untergrund muss geeignete, abgeschlossene Gesteinsformationen aufweisen. Ebenso müssen ein Mindestvolumen und eine bestimmte Wassertiefe vorliegen.

6. Kosten / Wirtschaftlichkeit

Dieser Speichertyp gehört durch seine geringen Konstruktionsanforderungen im Vergleich zu anderen Wärmespeichern zu den kostengünstigsten Speichern. Etwa 0,3 - 1,4 EUR pro kWh müssen für die Errichtung kalkuliert werden. Jedoch sind vorher aufwändige geologische Untersuchungen notwendig. Auch nach der Errichtung müssen in gewissen Abständen Analysen des Untergrundes und des Wassers durchgeführt werden, um eventuelle Veränderungen frühzeitig erkennen zu können. /AEE/

7. Technische Reife

Die Entwicklung solcher Speicher wird seit 20 Jahren vorangetrieben. Wenn die geeigneten Rahmenbedingungen für ein solches Projekt vorhanden sind, sind die Umsetzung und der kommerzielle Betrieb mittlerweile weitestgehend unproblematisch. Jedoch sind die bis jetzt errichteten Speicher noch in der Pilotphase, sodass Aussagen über das Langzeitverhalten noch nicht umfassend getroffen werden konnten.

8. Nutzungssektor

Der bekannteste Speicher in Deutschland befindet sich in Berlin unter dem Reichstag. Dabei werden 2 separate Speicher für Wärme und Kälte genutzt. In einer Tiefe von ca. 300 m können pro Jahr etwa 2.650 MWh an Wärme ein-gelagert und bei Bedarf wieder abgerufen werden. Dabei liegt das Verhältnis zwischen eingelagerter und wieder abgerufener Wärme bei ca. 77%. /Boeing/

9. Hersteller

Die Geophysica Beratungsgesellschaft mbH, Aachen, berät Kunden in Bezug die Erschließung von Aquifer-Wärmespeichern.