Ein Ärgernis der Wärmeversorgung ist, dass es im Sommer Wärme im Überfluss gibt, sie im Winter aber fehlt. Auch sind manche Wärmesysteme nicht wirtschaftlich, wenn sie nur einige Monate im Jahr betrieben werden. Eine Lösung für beide Probleme könnte die Aquifer-Wärmespeicherung sein, die Wärme aus dem Sommer in den Winter bringen kann. Zudem ist der Untergrund in Krefeld besonders gut geeignet dafür! Aber der Reihe nach:
Was ist Aquifer-Wärmespeicherung (ATES)?
Der Bundesverband Geothermie erklärt: Aquiferspeicherung (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) ist die Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie in Aquiferen, d.h. durchlässigen Schichten, die Grundwasser enthalten (https://www.geothermie.de/aktuelles/nachrichten/news-anzeigen/ates?tx_news_pi1%5BactbackPid%5D=137&cHash=45cea28bc5612327cf7aba755f33c620 ).
ATES kann angewendet werden, um Gebäude zu heizen und zu kühlen. Im Sommer gefördertes kaltes Grundwasser wird zur Kühlung verwendet, indem Wärme aus dem Gebäude über einen Wärmetauscher an das Grundwasser abgegeben wird. Dieses heizt sich auf und wird wieder in den Boden zurückgeleitet. Im Winter wird die Fließrichtung umgekehrt: Das im Sommer erwärmte Grundwasser aus dem Boden wird entnommen und zum Heizen verwendet. Dazu muss i.d.R. noch mit einer Wärmepumpe nachgeheizt werden – allerdings viel weniger als bei dem kalten Vorlauf-Wasser einer normalen Wasser-Wasser-Wärmepumpe. 80-90% der Sommerwärme kann so im Winter zurückgewonnen werden.
Voraussetzung sind zwei Bohrungen (Dublette), die „bidirektional“ genutzt werden. Diese müssen bis in poröse Sandschichten reichen – in der Regel zwischen 30 und 150 Metern Tiefe. Die Eignung des Bodens muss geologisch geklärt werden (zu Krefeld siehe unten). Eine wasserrechtliche Genehmigung ist erforderlich. Trinkwasserschutzzonen sind bis auf Zone III B ausgeschlossen, obwohl keine direkte Nutzung von Trinkwasser führenden Schichten stattfindet.
Man unterscheidet LT-ATES und HT-ATES (“Low Temperature” and “High Temperature”). LT-ATES ist die Regel bei kombinierter Bereitstellung von Kälte im Sommer und Wärme im Winter. Bei Temperaturen über 50 Grad kann es, je nach chemischer Grundwasserbeschaffenheit zu Problemen beim Betrieb kommen. So geschehen bei einer 1999 gebauten Anlage unter dem Reichstagsareal in Berlin, wo 70 Grad warmes Speicherwasser zum Pumpenverschleiß führte.
Gibt es schon Erfahrungen?
Das Grundwasser darf im Untergrund nur wenige Zentimeter pro Tag fließen, sonst fließt auch die Wärme weg. Diese Bedingungen sind besonders in den Niederlanden erfüllt. Deshalb gibt es dort schon zehntausende solcher Anlagen, vor allem für größere Bürobauten und Gebäudeanlagen. So nutzen fast alle Krankenhäuser dort Aquiferspeicherung. Bei „doppelter Nutzung“ durch Kühlung und Heizung kann sich die Anlage schon nach drei Jahren amortisieren. Insgesamt sparen die Niederlande durch Aquiferspeicherung geschätzte 11% ihres CO2-Ausstoßes.
Und wie ist es in Deutschland?
In einer Studie von Ruben Stemmle et al. von der Uni Karlsruhe (https://geothermal-energy-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40517-022-00234-2 ) wurden die Potentiale für Deutschland eingeschätzt. Sie sind beträchtlich. 54% der Fläche wären geeignet. Bis Ende des Jahrhunderts wird die Fläche sogar durch die allgemeine Erwärmung und damit erhöhte Notwendigkeit der Kühlung bis auf 71% zunehmen. Neben der Geologie ist auch das Verhältnis von Kälte- und Wärmebedarf ein relevanter Faktor: In einer weiteren Studie kommen Stemmle et al. bei einer Gesamtbetrachtung der Stadt Freiburg zu sehr positiven Ergebnissen: Es ließen sich viele Straßenblöcke oder ganze Quartiere ermitteln, in denen sich Kälte- und Wärmebedarf die Waage hielten – ideale Bedingungen für wirtschaftliche Aquifer-Speicherung.
Dennoch ist die Aquiferspeicherung in Deutschland noch nicht in der Breite angekommen. Vielleicht haben die Probleme des Berliner Projektes verschreckt. Nur einzelne weitere Anlagen sind schon in Betrieb, obwohl die Technik ausgereift ist. Weitere sind aber in Planung und Bau. Erfahrung wäre in den Niederlanden zuhauf abgreifbar.
Krefeld hat hervorragende Bedingungen!
Wegen seiner Nähe zu den Niederlanden überrascht es nicht, dass auch in Krefeld gute bis sehr gute Bedingungen für die Speicherung von Wärme im Boden bestehen. Ein Leser der bundesweiten Studie von Stemmle hat dessen Eignungskarte zur Besserung Orientierung mit Google Maps hinterlegt: https://www.google.com/maps/d/viewer?mid=1Dc8rP96oR6jicjfHFdktAQeym3hnvbs&ll=51.32369801182666%2C10.455786999999997&z=6 . Bei Heranzoomen kann man sehen, dass der Untergrund in Krefeld für ATES überall „gut geeignet“ ist, im Norden und Osten von Krefeld sowie östlich von Fischeln sogar „sehr gut geeignet“. Der Geologische Dienst bestätigt dies im Grundsatz, ergänzt aber, dass jeweils im Detail noch die Tonschichtungen überprüft werden müssten.
Gerade im Osten von Krefeld gibt es viele Gewerbegebiete, wo sicherlich auch zunehmend Kühlungsbedarf besteht. Ein Teil davon sind sogar Fernwärmeerweiterungsgebiete. Dies bietet die Chance über das Jahr verteilte Kälte und Wärme effektiver zu nutzen und Primärenergie zu sparen. Gerade für die Gewerbegebiete könnten hier EU-Mittel (Kreislaufwirtschaft) verfügbar sein. Gleichzeitig könnte man dadurch evtl. „unzuverlässig“ anfallende (und damit bisher schwer nutzbare) Industrieabwärme mitspeichern. Wenn Krefeld durch LT-ATES für Einzelgebäude und Gebäudekomplexe ebenso viel Energie sparen kann wie die Niederlande (s.o.), hätten wir 11% mehr „grüne Wärme“ für den Fernwärmeausbau!
Die TU-Delft hat noch eine Idee
Auf der 19. NRW-Geothermiekonferenz am 9. Oktober 2024 in Bochum trug die Technische Universität Delft ein aktuelles Projekt vor: Geothermisch durch Tiefenbohrung gewonnene Wärme soll im Sommer in Aquiferen gespeichert werden. Damit wird im Sommer keine ungenutzte Wärme mehr gepumpt und im Winter wird wesentlich weniger Zuheizung durch Spitzenlastkessel benötigt, da man die im Sommer eingespeicherte Wärme zusätzlich nutzen kann. Wirtschaftlichkeitsberechnungen hätten ergeben, dass dieses System die Unigebäude wirtschaftlich heizen könnte und doppelt so viel CO2 einsparen würde, wie eine reine Geothermiequelle (https://www.dggv.de/e-publikationen/high-temperature-aquifer-thermal-energy-storage-ht-ates-in-combination-with-geothermal-heat-production-on-the-tu-delft-campus-feasibility-study-and-next-steps/ ). Unsicherheit besteht lediglich noch wegen des weniger erprobten „High-Temperature“-Systems (HT-ATES). Hier erfolgen noch weitere Voruntersuchungen des Wassers, um „Berliner“ Zustände zu vermeiden.
Chance für eine Fernwärmeversorgung von Hüls-Zentrum?
Unter Hüls liegen zwei durchlässige Schichten (Kohlekalk und Massekalk), die zur Tiefenwärmegewinnunggeeignet sein könnten (zur Tiefengeothermie siehe Blog 9). Weitere Informationen werden Probebohrungen des Geologischen Dienstes in Krefeld (geplant für den Winter 24/25 am Stadthaus) und der Stadtwerke Düsseldorf (vermutlich 2025 am Flughafen) ergeben. Möglicherweise sind dann noch weitere Erkundungen (Seismik und ggf. Probebohrung) erforderlich. In jedem Fall aber liegen die Schichten nicht tief genug (nur ca. 1600 m) für ausreichend warmes Wasser für direkte Fernwärmenutzung (vielleicht nur 50 Grad). Mit Großwärmepumpen aber könnte es auf ausreichende Temperatur gebracht werden. Mit Aquiferspeicherung wäre ein Betrieb rund um das Jahr möglich, was die Wirtschaftlichkeit der teuren Tiefenbohrung und der Wärmepumpen deutlich erhöhen würde. Ob ein rundum wirtschaftlicher Betrieb real möglich wäre, müsste von Fachleuten durchgerechnet werden. Es gibt noch keine Vorbildanlage. Krefeld wäre Pionier!