Oberflächennahe Geothermie wird bei großmaßstäblichen Bauvorhaben wie Schulen, Einkaufszentren oder Stadtquartieren zunehmend als nachhaltige Energiequelle eingesetzt. Bei hohem Energiebedarf bieten direkte Grundwassernutzungen eine leistungsfähige und wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Erdwärmesonden.

In der Praxis zeigen sich jedoch häufig Unsicherheiten bei der technischen Auslegung sowie Herausforderungen im Genehmigungsprozess. Frühzeitige Planungssicherheit ist daher entscheidend – wird jedoch in etablierten Planungsprozessen (z. B. nach HOAI) bislang nur unzureichend berücksichtigt.

Auf Basis praktischer Erfahrungen wird aufgezeigt, wie eine frühzeitige Rückkopplung zwischen technischer Planung und Genehmigungspraxis die Umsetzbarkeit solcher Systeme deutlich verbessern kann.

Die Nutzung von Aquiferwärmespeichern (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) mit geringen Speichertemperaturen bis zu 30°C hat in den letzten 10-15 Jahren, insbesondere in den Niederlanden, gezeigt, dass es eine wirksame Technologie zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen ist. In urbanen Gebieten mit einer hohen Heterogenität der Gebäudestruktur variieren die Anforderungen an die Wärmeversorgung jedoch stark, sodass weiterhin Temperaturen bis 100°C oder sogar darüber benötigt werden. Hochtemperatur (HT)-ATES ist eine vielversprechende Speichermöglichkeit, die einen geringen städtischen Flächenbedarf bei gleichzeitig großer Speicherkapazität aufweist. Die Verfügbarkeit geeigneter geologischer Bedingungen stellt, wie bei jedem ATES, eine essentielle Voraussetzung dar. Dies ist insbesondere beim HT-ATES (>70°C) der Fall, bei dem eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen der natürlichen und der Speichertemperatur vorliegt. Die hohen induzierten Temperaturänderungen können das thermohydraulische Speicherverhalten, die Aquifergeochemie und -mikrobiologie sowie die Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen beeinflussen. Die hier weiterentwickelten Push-Pull-Tests ermöglichen die gezielte Untersuchung gekoppelter Prozesse an ATES-Pilot- und Forschungsstandorten. Basierend auf den aus der Hydrogeologie bekannten Tracer-Push-Pull-Tests wird das zuvor produzierte Formationswasser zunächst bei Umgebungstemperatur und anschließend in weiteren Zyklen mit 90°C injiziert. Konservative und reaktive Tracer dienen der thermohydraulischen Charakterisierung. Ein umfassendes Monitoringprogramm ermöglicht die Analyse der Wärme- und Stofftransportprozesse sowie reaktiver Wechselwirkungen im Aquifer und an den obertägigen Anlagenteilen. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse der komplexen Feldversuche, die im Sommer 2025 an der Forschungs- und Monitoringbohrung in Berlin-Adlershof durchgeführt wurden präsentiert. Untersucht wurden schwach verfestigte jurassische Hettangsandsteine, die in der Teufe von 371-389 m uGOK verfiltert sind. Diese Ergebnisse dienen als Grundlage für die Errichtung eines HT-ATES, der in ein bestehendes Fernwärmenetz integriert werden soll.

Aquiferwärmespeicher (ATES) sind eine Schlüsseltechnologie für die saisonale Wärmespeicherung. Allerdings wird ihre Effizienz in Aquiferen mit hohen Grundwasserfließgeschwindigkeiten durch advektiven Wärmeverlust stark beeinträchtigt. Ein neuartiges Drei-Brunnen-Konzept kann diesen Verlusten mit einer aktiven hydraulischen Barriere entgegenwirken. Durch einen zusätzlichen Entnahmebrunnen, der sich stromaufwärts des ATES-Dubletten-Systems befindet, wird eine lokale Zone mit verlangsamter Strömung erzeugt, die den Wärmespeicher schützt.

Mittels numerischer Simulationen in FEFLOW wurde eine umfassende Parameterstudie durchgeführt, bei der die Grundwassergeschwindigkeit, der Brunnenabstand und die Pumprate systematisch variiert wurden. Die Bewertung erfolgte anhand des thermischen Rückgewinnungsgrads und einer techno-ökonomischen Analyse. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die hydraulische Barriere die Wärmerückgewinnung im Vergleich zu einer konventionellen Zwei-Brunnen-Anlage mehr als verdoppeln kann (bei 100 m/a). Die Analyse deckt jedoch eine kritischen Kompromiss zwischen hydraulischer Barrierewirkung und thermischen Kurzschlüssen auf.

Eine techno-ökonomische Bewertung zeigt, dass die erzielten Kosten- und CO₂e-Einsparungen die zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten übersteigen. Somit kann das Drei-Brunnen-System eine technisch und wirtschaftlich robuste Lösung sein, um das Potenzial von HT-ATES auf Standorte mit erhöhten Grundwassergeschwindigkeiten zu erweitern. Der Erfolg hängt jedoch von einer sorgfältigen, modellbasierten Optimierung der sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren ab.

Aquifer thermal energy storage (ATES) offers a solution to decarbonize the space heating sector by bridging the seasonal mismatch between excess heat during summer and heat demand in winter. However, the practical implementation and design of ATES systems are affected by geological and energy demand uncertainties. This study evaluates the impact of these uncertainties through a numerical case study at Kiel University, where a section of the campus will be redeveloped over the next decade. An ATES system is designed to provide cooling for a computational center in summer, storing excess heat for office space heating in winter.

Uncertainty in hydraulic conductivity stems from the lack of on-site pumping tests, while uncertainty in aquifer thickness reflects ambiguity in stratigraphic interpretation of borehole logs. As the ATES system design precedes the construction and integration of buildings into the local heating and cooling network, load profile uncertainty results from potential changes in building stock, the size and heat load of the computational center, injection temperatures, and rising air temperature from climate change. Ensembles of scenarios were simulated over 30 years of ATES operation, varying the aforementioned parameters across reasonable ranges.

Results show that the required number of well doublets is predominantly influenced by geological uncertainty and hydraulic constraints. When dimensioned according to geological conditions, the ATES system demonstrates high robustness to load profile variations and reliably meets target rates and capacities for all simulated scenarios. Thus, the ATES system provides strong operational flexibility, effectively accommodating changing demands in the future.

Die künftige Wärmversorgung basiert zunehmend auf Elektrizität und Wärmepumpen. Innerhalb dicht bebauter Bestandsquartiere fehlen dabei in der Regel Umweltwärmequellen. Gleichzeitig führt der Klimawandel in diesen Bereichen zu einer steigenden gesundheitlichen Hitzebelastung, für die es bislang keine ausreichenden Lösungen gibt. Überschüssige Wärme kann auf niedrigem Temperaturniveau in „kalten“ 5 GDHC-Netzen mit hohen Leistungen gesammelt und saisonal in Aquiferspeichern gespeichert und im Winter bereitgestellt werden. Der Umgang mit häufig vorkommenden anthropogenen Grundwasserkontaminationen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz der Grundwasserbewirtschaftung und Schutzgüterabwägung, der genehmigungsrechtlich herausfordernd ist. Im Gebäudebestand macht die Ungleichzeitigkeit von Sanierungsmaßnahmen zentrale Ansätze oft unwirtschaftlich. Dezentrale Konzepte und eine maschenförmige Vernetzung im Rahmen einer zellularen Quartierssanierung sind daher eine sinnvolle Strategie. Anhand eines Beispiels mit einem Horizontalfilterzirkulationsbrunnen in einem sozial benachteiligten Berliner Quartier werden diese Aspekte vorgestellt und diskutiert.