Relevante Energieformen
Gespeicherte Energieform:
- Thermische Energie (Kälte > 0 °C bzw. Wärme < 100 °C*) * Grenzen zwischen beiden Formen liegt bei 20 °C
Kurzbeschreibung
Physikalisches Prinzip:
Veränderung der fühlbaren Temperatur beim Lade- oder Entladevorgang (Wärmeaufnahme oder -abgabe).
Prozessablauf:
Ein Aquifer bzw. Grundwasserleiter ist ein im Untergrund vorhandener Gesteinskörper mit Hohlräumen, welches zur Weiterleitung von Grundwasser geeignet und durch wasserundurchlässige Schichten begrenzt ist.
Aquiferspeicher nutzen die grundwasserleitenden Schichten, die sich in 100 bis 500 m Tiefe befinden und durch Bohrungen erschlossen werden. Zur Wärme- bzw. Kältespeicherung werden grundsätzlich zwei Brunnen verwendet (als Dubletten-Prinzip oder auch Saug-Schluck-Brunnen bezeichnet).
Wärmespeicherung:
Zunächst wird über den Quell- bzw. Saugbrunnen mit Hilfe einer Tauchpumpe Grundwasser entnommen, was über eine Wärmepumpe (zur kombinierten Nutzung als Wärme- und Kältespeicher sind reversible Wärmepumpen erforderlich, die das Durchströmen der Anlage in beide Richtungen erlauben) aufgewärmt und zum Injektions- bzw. Schluckbrunnen geleitet wird. Der Schluckbrunnen ist dabei etwa 50 bis 300 m vom Saugbrunnen entfernt, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Von dort aus gelangt das aufgewärmte Grundwasser entgegen der Strömungsrichtung wieder in den Aquifer zurück. An dem Schluckbrunnen bildet sich somit eine Wärmeblase, die bei Umkehr der Förderrichtung (Wechselprinzip) im Winter wieder abgebaut wird.
Als Wärmequelle für die sommerliche Speicherung kann neben solarthermisch gewonnener Sonnenenergie, ungenutzte Abwärme von Kraftwerken oder Industrieprozessen eingesetzt werden.
Kältespeicherung:
Ein Aquiferspeicher ist auch als Kältespeicher im Temperaturniveau von 5 bis 15 °C einsetzbar. Dabei kann dem Aquifer im Winter Kälte zugeführt werden, sodass eine Kälteblase entsteht, die im Sommer genutzt werden kann. Dabei wird beim Entladen warmes oder heißes Wasser dem Aquifer entnommen und dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt. Das abgekühlt Wasser fließt dann in den Schluckbrunnen und von dort in den Aquifer zurück.
Beide Brunnen können je nach Jahreszeit abwechselnd als Saug- oder Schluckbrunnen fungieren. Bei dem sogenannten Durchflussprinzip bleibt die Durchflussrichtung gleich, dem Grundwasser wird Wärme zugeführt oder entzogen.
Durch diesen Grundwasseraustausch wird der Speicher be- und entladen. Für die Wärme- und Kältespeicherung empfiehlt es sich unterschiedliche Grundwasserstockwerke zu verwenden.
Die zur Speicherung von Wärme bzw. Kälte dienenden Grundwasserleiter sind nicht von einem Behälter mit wärmedämmender Ummantelung umgeben. Die natürlich vorkommenden Gesteinsschichten dienen durch ihre schlechte Wärmeleitfähigkeit als einzige wärmedämmende Schicht, sodass es einige Jahre dauert bis sich das System eingeschwungen hat und die Nutzung des Speichers wirtschaftlich darstellbar ist. Aus Gründen des Speicherverlustes sollte die natürliche Grundwasserbewegung bei kleinen Speichern geringer als 3 cm je Tag und bei großen Speichern kleiner als 11 cm je Tag sein.
Die Aquifer-Speicher sind aufgrund ihrer großen Speicherkapazität interessant für die Langzeitspeicherung von industrieller Abwärme. Sie eignen sich vor allem für große bis sehr große Kapazitäten (größer 5000 m³ WÄ).
Sonderfall: Integralsonde
Die Integralsonde nutzt die vertikale Zirkulation von Grundwasser und vereint zwei Brunnen in einem Bohrloch. Dabei wird warmes Grundwasser im unteren Bereich der Sonde entzogen und für den Wärmeentzug zur Wärmepumpe transportiert. Das dadurch abgekühlte Grundwasser wird dann in den oberen Bereich der Sonde, also in das gleiche Bohrloch, wieder eingeleitet. Von dort aus fließt das Grundwasser in den Aquifer zurück und nimmt Wärme auf.
Diese Prinzip ist aus hydrogeologischer Sicht vorteilhaft, da das Grundwasser an einem Ort entnommen und eingeleitet wird, womit der Grundwasserspiegel nur im geringen Maße verändert wird. Eine spezielle Form der Integralsonde ist die Aktivsonde. Hier zirkuliert das Grundwasser innerhalb der Sonde und durchströmt einen Wärmetauscher, welches sich innerhalb des Bohrloches befindet.
Damit gelangt das Grundwasser nicht an die Oberfläche.
Speichermedium:
Grundwasser und Gestein
Wärmeträger:
Grundwasser
Be- und Entladesystem:
direkt
Funktionsskizzen
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
![\[ Nutzungsgrad \; eines \; Speichers = \frac{Speicherentladung}{dem\; Speicher\; zugef\"{u}hrte\; Energie} \]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e0bb1ed98db947d93c592531f54f8800_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Nutzungsgrad bis 80 %
Bauarten
Saug-Schluck-Brunnen:
- Die Wärme- bzw. Kältespeicherung erfolgt über zwei Brunnen, wobei die horizontale Grundwasserzirkulation genutzt wird
Integralsonde:
- Die Integralsonde nutzt die vertikale Zirkulation von Grundwasser und vereint zwei Brunnen in einem Bohrloch
Im Folgenden wird nicht zwischen einem Saug-Schluck-Brunnen und einer Integralsonde unterschieden, da die Integralsonde noch in der Pilot- bzw. Entwicklungsphase ist.
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Aquiferspeicher |
| Typische Be- und Entladeleistungen | max. Einspeicherungsleistung: 4,4 MW |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers | Die Verlustleistung ist nicht abhängig vom Alter des Speichers |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Aquiferspeicher |
| Verfügbare Leistungsklassen (kW) | von: 2,9 MW bis: 4 MW |
| Verfügbare Kapazitäten (kWh) | von: 100 MWh bis: 50 GWh |
| Volumetrische Speicherdichte | 30 bis 40 kWh/m³
Volumetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/ (Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT |
| Gravimetrische Speicherdichte | Gravimetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/ (Masse des Speichers in kg)
c * ΔT |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität | Ja
Aufgrund der fehlenden Isolierung um den Grundwasserbereich, sind die Wärmeverluste von Aquiferspeichern sehr hoch. Daher muss auch ihr Volumen ca. 2- bis 3-mal so groß sein wie das der gespeicherten Wärmemenge entsprechende Volumen von Heißwasser-Wärmespeichern. |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes | Ja
Die im Verlauf der Entladungsphase absinkende Temperatur resultiert aus den thermischen Verlusten aufgrund von Wärmeleitung und Konvektion |
| Verfügbare Energieniveaus | Temperaturniveaus von kommerziell verfügbaren Aquiferspeicher: Wärmespeicherung : bis ca. 90 °C Kältespeicherung: bis min. 5 °C |
| Speichervolumen für 1 m³ Wasseräquivalent | 2 bis 3 m³ |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Aquiferspeicher |
| Nutzenergiekosten / kWh | k.A. |
| Laufende Kosten p.a./kW | k.A. |
| Investkosten / kW | Die Investitionskosten sind stark von der Kapazität abhängig
0,3 bis 1,4 €/kWh |
| Platzbedarf / kWh | Das Volumen des Speichers hängt vom Aquifer und der zu speichernden Wärmemenge ab. Projektbeispiel Rostock: Aquifer mit 20.000 m³ → oberirdisch liegt kein Platzbedarf vor |
| Typische Lebensdauer in Jahren | Keine Begrenzung der Zyklenzahl → Lebensdauer sehr hoch |
| Erwartete Baukosten für einen Speicher mit 10000 m³ Wasseräquivalent (WÄ), bezogen auf 1 m³ WÄ | 70 bis 90 €/m³ |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Aquiferspeicher |
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) | keine negativen Aspekte |
| Gefährdungspotenzial | überschaubares Gefährdungspotenzial |
| Systemkomplexität | viele Bauelemente/technisch komplex |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | ||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Spezifische Speicherkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch) | ||
| Spezifische Platzbedarf | Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig) | |||
| Speicherverluste | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) |
Entwicklungstendenz
Für Aquiferspeicher besteht ein weit verbreitetes Potenzial. In Deutschland ist die Entwicklungstendenz von Aquiferspeichern in Hinblick auf die energetische Effizienz des Gesamtsystems, Betriebssicherheit und die Weiterentwicklung der zugehörigen Anlagentechnik zur Wärmetransformation als sehr hoch zu betrachten. In Deutschland gibt es bisher nur drei Pilot-Projekte, in denen Energiesysteme mit Aquiferspeichern betrieben werden.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Geothermie ist ständig/ganzjährig verfügbar
- klimafreundlich
- unabhängig von Rohstoffpreisen
- vergleichsweise geringe Investitionskosten
Nachteile
- Mobilisierung und Verschleppung von Altlasten
- die Wärmeverluste von Aquiferspeichern sind hoch, da keine Dämmung um den Grundwasserbereich vorliegt
- Trägheit des Aquifers: Wechsel von Wärmespeicherung zur Entnahme ist langwierig. Es sind einige Jahre erforderlich bis ein eingeschwungener Zustand erreicht wird → nur eine saisonale Wärmespeicherung/ großes Speichervolumen ist sinnvoll
- die Anwendungsmöglichkeiten des Aquiferspeichers sind aufgrund der hohen Anforderungen an hydrogeologische, hydrochemische und mikrobiologische Randbedingungen begrenzt
- bei Speichertemperaturen von über 50 °C kann es abhängig vom Standort zu biologischen und geochemischen Veränderungen des Grundwassers kommen
- die Grundwasserqualitäten schwanken jahreszeitlich → Gefahr der der Korrosion der Anlagentechnik durch Eisen und Mangan
Anwendungsbeispiele
Zur saisonalen Wärmespeicherung
Pilotanlagen in Deutschland:
- Berlin (Reichstag), Nahwärmenetz, 2.650 MWh/a, 1999
- Rostock-Brinckmannshöhe, Wohnanlage „Helios“, Nahwärmenetz, 20.000 m³, 2000
- Neubrandenburg, Fernwärmenetz, 8.650 MWh/a
Literaturverzeichnis
- Becker, Paul et al. (2010): Geothermie – Kurzreferat zur Vorlesung Energiewirtschaft
- Bremer Energie Institut (2009): Entwicklung der Energieversorgung in Norddeutschland
- Bundesverband Geothermie: Einstieg in die Geohermie. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 02.02.2017
- Bundesverband Geothermie: Erdwärmespeicher. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 20.01.2017
- Bührke, Thomas; Wengenmayr, Roland (2011): Erneuerbare Energie: Konzepte für die Energiewende
- energie-experten.org: Prinzip, Technik und Nutzung von Erdwärmespeichern. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 13.01.2017
- Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (2012): Flex – Flexible Betriebsweise von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
- Gawlik, Wolfgang (2013): Speicher für die Energiewende
- Informationsdienst, BINE (2005): Wärmespeicher – Leseprobe
- Schulz, Heinz (1995): Wärme aus Sonne und Erde. Energiesparende Heizungssysteme mit Erdwärmespeicher, Solarabsorber und Wärmepumpe
- Urbaneck, Thorsten (2012): Kältespeicher – Grundlagen, Technik, Anwendung
- Viernickel, Michael (2016): Saisonale Wärmespeicherung im Untergrund – Berliner Energietage 2016