Das ATES-Projekt „DemoSpeicher“ in Berlin-Mitte demonstriert seit der Inbetriebnahme im Juli 2024 die Praxistauglichkeit und Grenzen eines speziellen Falls der oberflächennahen Aquifernutzung (NT-ATES) im urbanen Raum. Als ein technologisch fortgeschrittenes ATES-Projekt mit einem TRL von 7–8 wird quasi ein Systemprototyp unter realen Bedingungen betrieben. Der Projektstandort Berlin-Mitte ist repräsentativ im Hinblick auf erforderliche hydrogeologische Bedingungen sowie urbane Nutzungseigenschaften. Die installierte Brunnenanlage dient einem energetisch sanierten Altbau zu Kühl- und Heizzwecken. Der thermisch-hydraulische, geochemische sowie ökologische Einfluss auf den Untergrund wurden im Projekt wissenschaftlich begleitet. Dieser Workshop stellt neben den Forschungsergebnissen die Chancen und Herausforderungen der Umsetzung eines NT-ATES im urbanen Gebiet vor und diskutiert Möglichkeiten für weitere Projekte.

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Im Demospeicherprojekt wurde die kleinstmögliche Bauform eines ATES mit 30 kW Quellenleistung realisiert, der mit kleinem Bohrgerät abgeteuft, als Koaxialbrunnen (Monobrunnen) mit einem dynamischen Dichtelement ausgebaut und mit einer vollständig autonomen Hydraulik-Regelungseinheit im Abschlussbauwerk versehen wurde, so dass das System als eigenständige Einheit in einem 5GDHC-Netz („Kaltes Nahwärmenetz“) integriert werden kann. Für größere Leistungen im MW-Bereich ist die vertikale Grundwasserzirkulation mit einem Horizontalfilter-Zirkulationsbrunnen eine technische Möglichkeit und hat ebenfalls in ihrem Abschlussbauwerk die komplette Übergabetechnik. Saisonale Wärmespeicherung im Niedertemperaturbereich ist die Schlüsseltechnologie, um in dicht besiedelten Gebieten Umweltenergie ganzjährig nutzbar zu machen, zugleich Hitzeschutz und Grundwasserqualitätsverbesserung zu ermöglichen. Die Vertikalzirkulation hat gegenüber Dublettensystemen Vorteile bei der Planung einer grundstücksübergreifenden Grundwasserbewirtschaftung, benötigt jedoch Aquifermächtigkeiten größer 15 Meter. Die technische Umsetzung wird dargestellt, planerische Aspekte bei der Errichtung beleuchtet und Hinweise zu Standzeit und Wartung gegeben.

Hochtemperatur-Aquiferspeicher (HT-ATES) bieten die Möglichkeit, große Mengen an sommerlichen Wärmeüberschüssen platzsparend im Untergrund zwischenzuspeichern. In Kombination mit Großwärmepumpen können sehr gute Effizienzen erzielt werden und die winterlichen Netztemperaturen von über 100°C stets bedient werden.

Im Gegensatz zu Tankspeichern (TTES) oder Erdbeckenspeichern (PTES), die aufgrund hoher Leistungen auch als Multifunktionsspeicher mit vielen Zyklen im Jahr realisiert werden können (z.B. PTES Hoje Taastrup, DK), ist die Leistungscharakteristik von ATES limitiert. Zum Einen in der absoluten Höhe durch die realisierbare Förderrate bei der Be- bzw. Entladung, zum anderen bei der Reaktionsgeschwindigkeit der Leistungsbereitstellung. Bei großen Fernwärme-Netzen stellen die Leistungsanforderungen an Großwärmespeicher oftmals eine Herausforderung dar.

In den betrachteten Tiefen-Bereichen von bis zu 1.500 m ist die Leistungsskalierung durch eine Erhöhung der Anzahl an Bohrungen jedoch mit großen Investitionskosten verbunden. Es stellt sich somit die Frage, in welchen Konstellationen die Erweiterung des Speichersystems ATES+WP um einen Leistungsspeicher (obertägiger Stahltankspeicher) kosteneffizienter ist.

In dem Vortrag werden die jeweiligen Erkenntnisse aus den Standortanalysen Hamburg, Augsburg und Freiburg vorgestellt. Dies beinhaltet zudem die übergeordnete Einordnung der Möglichkeiten und Grenzen dieser Speichertechnologie für die Fernwärme im Vergleich zu alternativen Speicher- oder Erzeugeroptionen.

Im Fokus des Beitrags stehen folgende Forschungsfragen:

• Welche Aspekte sind bei der Integration von HT-ATES in urbane FW-Netze relevant (Integrationspfade, Betriebsweisen)
• Anforderungen an Großwärmepumpen im Kontext von HT-ATES (Betriebspunktanalyse, geeignete Kältemittel)
• Betriebsstrategien und Wirtschaftlichkeitsaspekte (Investitionskosten, Betriebskosten, Wärmegestehungskosten, alternative Nacherhitzungsoptionen)

Open geothermal systems and low-temperature aquifer thermal energy storage (LT-ATES) offer significant potential for decarbonising the heating and cooling sector, particularly in urban areas. While open systems such as groundwater heat pump (GWHP) systems are already widely used for heating and cooling in Germany, ATES applications have hardly been adopted yet. As part of the BMBF-funded DemoSpeicher project, a groundwater circulation well (GCW) located in Berlin-Mitte, used to supply a building with heating and cooling energy, was scientifically monitored, and its operational data were analysed. To assess the technical feasibility of an ATES system at this site, a three-dimensional geological model and a heat transport model were developed and calibrated using real operational data from the first year of the system operation. The aim was to examine the existing well configuration and identify potential optimisation measures for an LT-ATES system. First results suggest that the proximity of the screens of the in-place circulation well does cause a thermal shortcut, decreasing system efficiency both during the heating and cooling seasons. Additionally, the uneven energy demand of the building, driven by heating, causes a gradual decline in the groundwater temperatures, further decreasing efficiency during heating season. The heat transport model shows that an optimised well configuration, with increased spacing between well screens, would make an ATES system technically feasible at this site. This would enhance system efficiency and sustainability, decreasing the system's energy demand.

Im DemoSpeicher Projekt wurde die Machbarkeit eines Niedrig-Temperatur Aquiferspeichers (NT-ATES) im urbanen Gebiet demonstriert. Als repräsentativen Standort wurde der Hinterhof eines Bürogebäudes in Berlin-Mitte gewählt. Aufgrund der dichten Bebauung war es nicht möglich ein klassisches Doublettensystem zu realisieren. Stattdessen wurde ein vertikaler, unidirektionaler Koaxialbrunnen (Grundwasserzirkulationsbrunnen, GWZB) mit 27 m Endteufe und Filterstreckenabstand von 6 m installiert. Förderung und Injektion finden ganzjährlich im selben Bohrloch statt. Die zulässige Temperaturspreizung ist in Berlin auf 3 K begrenzt. Bezogen auf die örtliche Grundwassertemperatur von ca. 14 °C kann die thermische Beladung des Grundwasserleiters daher nur zwischen 11 °C und 17 °C variieren was der ökonomischen Effizienz entgegensteht. Die Brunnenanlage wurde als integrierte Wärme- und Kältequelle im Rahmen der energetischen Gebäudesanierung geplant und dient zur Deckung der Grundlast mit einer maximalen Fördermenge von 1.7 l/s. Der Brunnen wurde Ende Juni 2024 in Betrieb genommen.

Wir überwachen die thermohydraulischen, geochemischen und ökologischen Einflüsse auf den Grundwasserleiter an drei Messbrunnen, die sich ebenfalls im Hinterhof befinden. U.a. wurden für tiefendifferenzierte Temperaturmessungen DTS Kabel und eine Temperaturmesskette verlegt.

Die hochauflösenden Temperaturmessungen zeigen eine vertikale Zirkulation des Grundwassers innerhalb des Grundwasserleiters durch die Injektion von abgekühlten/erwärmtem Grundwasser im Winter/Sommer unmittelbar nach Inbetriebnahme. Dies beeinflusst mit zunehmender Betriebsdauer die Fördertemperaturen. Vorläufige Modellierungen deuten ebenfalls auf einen potenziellen thermischen Kurzschluss hin und werfen die Frage auf, ob das Brunnensystem eher eine saisonale thermische Regeneration des Grundwasserleiters als einen aktiven Wärmespeicher darstellt.