Ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft benötigt geeignete Speichertechnologien zum Ausgleich zwischen Energiebereitstellung und Nachfrage. Vom Fachausschuss Wissenschaft & Bildung des Bundesverbands Geothermie wurde daher die Erstellung eines Hintergrundpapiers über „Geothermische Speicher“ initiiert. Bei der Verfassung war eine Gruppe international renommierter Experten beteiligt.

Geothermische Speicher sind grundsätzlich Wärmespeicher (Thermal Energy Storage, TES) im Untergrund (Underground Thermal Energy Storage, UTES). Generell versteht man hier unter „Wärme“ sowohl Wärme im üblichen Sinne als auch Kälte. Geothermische Speicher dienen der temporären, meist saisonalen, Speicherung von Wärme, aber auch von Kälte zur Überbrückung der zeitlichen Diskrepanz zwischen Angebot und Bedarf. Zu den geothermischen Speicher gehören u.a. Erdsondenspeicher (BTES), Aquiferspeicher (ATES), Grubenspeicher (MTES).

Im Vortrag wird das Hintergrundpapier vorgestellt, das sich mit den Grundlagen geothermischer Speichertechnologie befasst und in dem auch zahlreiche Beispiele besprochen sind.

Innerhalb des Europäischen Konsortiums PUSH-IT (Piloting Underground Storage of Heat In geoThermal reservoirs; Förderkennzeichen 101096566) soll die Speicherung von Überschusswärme aus bestehenden Wärme- bzw. Kältenetzen im lokalen Untergrund an insgesamt sechs Standorten anhand von verschiedenen Untergrundspeichertechnologien (ATES, BTES und MTES) europaweit demonstriert werden.

Das übergeordnete Ziel besteht darin, Umweltauswirkungen, Kosten und bestehende Risiken für die Einbindung von Untergrundspeichersystemen im Rahmen des Forschungsprojektes zu verringern, u. a. durch neu entwickelte Überwachungs- und Qualitätskontrollen sowie mittels verbesserter Bohr- und Ausbauverfahren. Die Einbindung öffentlicher bzw. privater Unternehmen, Bürgerinnen und Bürger, die Analyse und Wahrnehmungen in Bezug auf derartige Technologien sowie die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle stehen dabei im Vordergrund.

Das PUSH-IT-Konsortium besteht aus Wärmeversorgern, Brunnenbauern, öffentlichen Planungsbüros und akademischen Partnern. Durch eine transdisziplinäre europaweite Zusammenarbeit sollen die einzelnen Demonstrationsstandorte entwickelt werden.

Das Fraunhofer IEG ist Teil des Konsortiums und Demonstrator für die Weiterentwicklung von Untergrundspeichersystemen in ehem. Grubenbauten (Grubenwärmespeicher). Hierfür wurde ein Demonstrationsstandort in Zusammenarbeit zwischen der Ruhr-Universität (RUB) und des Fraunhofer IEG auf dem Gelände des technischen Zentrums der RUB ausgewählt.

Die Konzeptidee sieht vor, überschüssige Abwärme am Technischen Zentrum langfristig in das bestehende Versorgungsnetz der RUB zu integrieren. Um diese Wärme im System zu speichern, werden im Rahmen des PUSH-IT Projektes Teile des stillgelegten Bergwerks Mansfeld über vier vertikale Bohrungen in das ehemalige Grubengebäude, das sich in einer Tiefe von ca. 120 m direkt unter dem Technischen Zentrum der RUB befindet, hydraulisch erschlossen und als potentieller Wärmespeicher für das RUB-Netz untersucht und getestet.

Grubenwasser stellt eine nachhaltige Quelle für die Beheizung und Kühlung von Wohnhäusern dar und kann zudem als thermischer Energiespeicher genutzt werden. Zur Ermittlung der Effizienz und zur Analyse der Funktionsweise eines Grubenwasserspeichers wurde im ehemaligen Freiberger Erzbergwerk „Reiche Zeche“ ein Versuchslabor errichtet. Mittels Temperatur-, Durchfluss- und Drucksensoren wurde die 3D-Temperaturverteilung und -entwicklung im Gestein und im Wasser im Verlauf der Speicherversuche ermittelt und zudem die technischen Komponenten wie Wärmepumpe, Wärmeübertrager und Rohrleitungen überwacht.

Über einen Zeitraum von 1,5 Jahren wurden insgesamt 4 Heiz- und Kühlzyklen durchlaufen. Während dessen konnten verschiedene Randparameter und Wärmeverluste, einschließlich einer unbekannten Unterströmung im Wasser und Verluste an die Umgebungsluft, quantifiziert werden.

Bei den Versuchen zur Ein- und Ausspeicherung von Wärme konnten Wirkungsgrade von mehr als 50 % erzielt werden. Die aufgezeichneten Daten wurden anschließend ausgewertet, für die bilanzielle Darstellung der Wärmespeicherung und deren Verluste, für zukünftige Prognosen. Anhand der Temperaturkurven konnten die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse in der Gesteinswand erfasst und die Entzugsprozesse über das Grubenwasser analysiert werden. Die Ergebnisse dienen der Optimierung der Auslegung zukünftiger Anlagen, da sie zur Berechnung der Speicherkapazität eines Bergwerks genutzt werden können. Außerdem können wirtschaftlichen Optimierungsmaßnahmen wie z.B. der gezielten Wärmeeinspeisung zur langfristigen Leistungssteigerung, abgeleitet werden.

Das Versuchsprinzip des Grubenwasserwärmespeichers wird aktuell auf oberflächennahe Wasserspeicher übertragen, um deren Eignung als thermische Speicher zu untersuchen. Es wird eine Prognose zu aktuellen Versuchen an oberflächennahen Speichern für die lokale Wärmenutzung gezeigt.

The long-term performance of a borehole thermal energy storage (BTES) using arrayed borehole heat exchangers is of key importance for assessing the potential of such system to partly meet the local energy demand. The performance of borehole thermal energy storage could be optimized by planning the array of borehole heat exchangers, accounting for the thermodynamic properties of the subsurface materials as well as the thermal interference among the boreholes. The present study aimed to assess the performance of a 13-borehole-arrayed thermal energy storage within the framework of the SKEWs project. The temperature profiles in an existing borehole heat exchanger EWS2 was monitored using distributed temperature sensing (DTS) technique in a geothermal response test. These temperature profiles helped positioning the shallow aquifer and allowed evaluating the thermal conductivity of the near-borehole materials. A numerical model of the borehole heat exchanger EWS2 as calibrated using the DTS data permitted evaluating the near-borehole temperature during the geothermal response test. This numerical model was extended to a 13-borehole-arrayed thermal energy storage. The long-term performance of this system was assessed via conducting parametric studies on the shape of the array, the inter-borehole distances as well as on the scheme of storing and producing heat.

Im Zuge der globalen Energiewende sind saisonale Wärmespeichersysteme essentizell für eine grundlastfähige Bereitstellung von Wärme aus fluktuierenden, regenerativen Wärmequellen wie z. B. Solarthermie. Eine vielversprechende Technologie stellen mittelteife Erdwärmesondenspeicher dar, die das untertägige kristalline Grundgebirge als Speichermedium mittels konduktiven Wärmetransport nutzen. Diese Speicherform kombiniert geringen Oberflächenbedarf mit großen nutzbaren Speichervolumina im Untergrund. Zum Nachweis der technischen Machbarkeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts SKEWS (Saisonaler Kristalliner ErdWärmeSondenspeicher, BMWE-Förderkennzeichen: 03EE4030A) am Campus Lichtwiese in Darmstadt ein mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher mit einer Tiefe von 750 m errichtet. Der Speicher besteht aus drei 750 m tiefen koaxialen Erdwärmesonden mit einem Abstand von jeweils 8,6 m in einer dreieckigen Anordnung. Mit dem Folgeprojekt Push-IT (Piloting Undergorund Storage of Heat in Geothermal Reservoirs, EU-Projektnummer 101096566) wird der Erdwärmesondenspeicher an das Fernwärmenetz der TU Darmstadt angeschlossen und durch CO-Simulationsansätze optimale Betriebsstrategien untersucht.

Nach der Errichtung des Speichers wurde zur Ermittlung der thermischen Eigenschaften der Sonde und des Untergrunds ein Distributed Geothermal Response Test (dGRT) durchgeführt. Im Anschluss erfolgte zur Charakterisierung des Speichers und zur Kalibrierung der numerischen Modelle ein einjähriger Testbetrieb, bestehend aus je 5 Aufheiz- und Entladezyklen. Die Datenerhebung erfolgte mittels Durchfluss- und Temperatursensoren am Ein- und Auslass und durch Glasfasermesstechnik, die in Innenrohren, Ringleitungen und Zement installiert ist. Diese Messdaten ermöglichten eine tiefenaufgelöste, räumliche Darstellung der Temperaturentwicklung und damit der Kalibrierung thermo-hydraulischer Simulationen.

Basierend auf diesen Modellen wurden verschiedene Ausbau- und Betriebsszenarien simuliert, um die Potenziale zur Integration des Speichers in das Fernwärmenetz der TU Darmstadt sowohl unter ökonomischen als auch ökologischen Gesichtspunkten zu bewerten.