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Prinzip, Technik und Nutzung von Erdwärmespeichern

Zur Wärmeerzeugung aus Erneuerbaren Energien bieten sich unterschiedlichste Technologien an. Häufig ist die so erzeugte Wärme jedoch an ihrem Entstehungsort ohne weiträumige Verteilungsnetze nicht direkt nutzbar, da das Energieangebot tageszeitlich und saisonal schwankt und der Energiebedarf häufig zeitversetzt auftritt. Während zum Ausgleich tageszeitlicher Schwankungen hinreichend effiziente Pufferspeichertechnologien einsetzbar sind, stellt die saisonale Wärme- als auch Kältespeicherung einen wesentlichen Schritt hin zur Steigerung des Nutzungspotenzials Erneuerbarer Energien dar. Eine Möglichkeit, mittel und langfristig Wärme zu speichern, stellen Erdwärmespeicher dar.

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Prinzip von Langzeit-Wärmespeichern

Für die Speicherung von Wärmeenergie ist stets ein bestimmtes Speichermedium bzw. Wärmeträger nötig, um die Wärme über längere Zeiträume speichern zu können. Wärmeenergie kann dabei auf drei unterschiedliche Weisen gespeichert werden:

  • Speicherung als sensible Wärme: Wärme wird einem Energieträger (meistens Wasser) zugeführt, mit der Folge, dass sich dessen Temperatur verändert
  • Speicherung als latente Wärme: Die dem Energieträger zugeführte Wärme führt zur Änderung seines Aggregatzustandes (meistens von fest zu flüssig), ohne dass sich dabei die Temperatur verändert
  • Speicherung als chemische Energie: Energieträger wie Holz, Kohle, Gas oder Öl werden (meist durch Verbrennung) physisch verändert

Eine effiziente Langzeitwärmespeicherung ist grundsätzlich vom Energieträger und dessen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität abhängig, der physisch und in der Folge wirtschaftlich dem Erzeugungs- und Bedarfsprofil entsprechen muss. Die Eignung wird insbesondere vom Temperaturbereich sowie der erreichbaren Energiedichte des Energieträgers beschrieben, womit ebenso das Speichervolumen sowie seine Speicherdauer einhergehen.

Eine Langzeitspeicherung bzw. saisonale Speicherung über Wochen und Monate erfordert in der Regel hohe Investitionen in die Projektentwicklung, -planung und letztlich in die technische Realisierung. Als Langzeitspeicher kommen große Wassertanks, Latentwärmespeicher oder das Erdreich in Betracht. Wird das Erdreich selbst zur zeitversetzten Nutzung von Energie als "Erdwärmespeicher" herangezogen, so bezeichnet man diese je nach der Art der Einbringung als Aquiferwärmespeicher oder Erdwärmesondenspeicher.

Erdwärmespeicher mit Aquiferen

Prinzip des Aquifer-Erdwärmespeichers

Wird Wärme Untertage im Erdreich bzw. in Wasser führenden Gesteinsformationen gespeichert, so ist das Wärmespeichermedium von keinem eigens hierfür konstruierten Behälter umgeben und vermeidet damit die sonst notwendigen Aufwendungen für die Wärmedämmung. Da die Wärmeverluste mit zunehmenden eingespeicherten Wärmemengen ebenfalls steigen, lässt sich Wärme in Gesteinsformationen am effizientesten auf niedrigem Temperaturniveau wei dem von Erdwärme speichern.

Bei Grundwasserleitern sogenannten Aquiferen handelt es sich um natürlich vorkommende, abgeschlossene Gesteinsformationen, die in bis zu einigen hundert Metern Tiefe Grundwasser führen. Oberflächennahe Aquifere sind häufig der Trinkwasserversorgung vorbehalten, weshalb für die Wärmespeicherung eher auf Schichten in mehr als 100 Meter Tiefe zurückgegriffen wird. Die Technik der Nutzung von Aquiferen als Erdwärmespeicher ist seit vielen Jahren bekannt und erprobt und wird bei großen Speichervolumina (> 100.000m3) wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.

Technik des Aquifer-Erdwärmespeichers

Um die Wärme im Grundwasser zu speichern, wird zunächst einem Brunnen Grundwasser entnommen, das Übertage z. B. solarthermisch erwärmt wird. Das so erwärmte Grundwasser wird nun über eine zweite Bohrung in den gleichen Grundwasserleiter zurückgeführt. An der Injektionsbohrung entsteht in der Folge eine Wärmeblase, die bei Umkehr der Förderrrichtung im Winter wieder abgebaut wird. Der Antrieb des Wasserkreislaufs erfolgt über Pumpen, mit denen beide Bohrungen ausgestattet sind und das Durchströmen der Anlage in beide Richtungen erlauben.

Beide Bohrungen sollten je nach Grundwasserströmungsrichtung, Fließgeschwindigkeit und Umfang der geplanten Wärmespeicherung in ausreichendem Abstand von einander eingebracht werden, um einen thermischen Kurzschluss (gegenseitige Beeinflussung) zu verhindern. Da die Nutzung des Grundwassers als Erdwärmespeicher dieses thermisch und chemisch beeinflussen kann, ist für die Genehmigung eines Aquifers als Wärmespeicher eine umfassende Prüfung der unter Umständen betroffenen Schutzgüter und deren Wertigkeit im Zuge der Genehmigungsplanung vorzunehmen.

Eigenschaften von Aquifer-Erdwärmespeichern

Aquifer-Wärmespeicher benötigen einige Jahre bis ein eingeschwungener Zustand erreicht wird. Da keine Dämmung um den Grundwasserbereich herum vorhanden ist, sind die Wärmeverluste von Aquifer-Erdwärmespeichern zudem besonders hoch. Daher muss auch ihr Volumen ca. 2- bis 3-mal so groß sein wie das der gespeicherten Wärmemenge entsprechende Volumen von Heißwasser-Wärmespeichern. Aufgrund der Trägheit des Aquifers ist der Wechsel von Wärmespeicherung zur Entnahme von langen Intervallen geprägt, sodass die hydrogeologische Eigenschaft des Aquifers nur der saisonalen Überbrückung von Wärmeerzeugung und -bedarf dienlich ist.

Ein Aquiferspeicher ist ebenfalls für Klimatisierungszwecke im Temperaturniveau von 5°C bis 15°C einsetzbar. Dabei kann dem Aquifer im Winter auch "Kälte" zugeführt werden, sodass eine Kälteblase resultiert, die im Sommer genutzt werden kann. Da in vielen Anwendungsbereichen große Teile des Wärme- und Kältebedarfs abgedeckt werden können, amortisiert sich die Investition in solche Erdwärmespeicher innerhalb weniger Jahre. Allerdings bedingen hydrogeologische Voruntersuchungen sowie umfangreiche Genehmigungsprozesse Kosten, deren Investitionsrisiko meist der Auftraggeber selbst tragen muss.

Erdwärmspeicher mit Erdwärmesonden

Prinzip des Erdsonden-Wärmespeichers

Bei der oberflächennahen Nutzung der Erdwärme durch Erdsonden erfolgt die Wärmeübertragung meist über U-förmige, vertikal eingebrachte Rohre aus Kunststoff, die mit einem speziellen hydraulisch abbindenden Fertigmörtel an das sie umgebende Erdreich thermisch angebunden sind. Mit dieser Technik kann nicht nur die Erdwärme entzogen und zu Heizzwecken genutzt werden, sondern auch umgekehrt Wärme aus anderen Quellen direkt im trockenen oberflächennahen Erdreich als Erdwärmespeicher eingespeichert werden. Die Erdsonden-Wärmespeicherung erschließt damit das oberflächennahe Erdreich bzw. Gesteinsschichten in Tiefen von 20 bis 100 Metern als Speichermedien.

Während Aquiferspeicher aufgrund der mit Ihnen verbundenen spezifischen Kosten nur für große Speichervolumen wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind, so lassen sich Erdwärmesonden zur Wärmespeicherung variabel an die Bedarfssituation anpassen. Dazu können mehrere Erdsonden zu einem so genannten Sondenfeld zusammengeschlossen werden, so dass sich Wärme auch in großem Umfang über Monate im Erdwärmespeicher speichern lässt. Erdwärmesonden zur Wärmespeicherung sind vor allem in Untergründen mit einer hohen Wärmekapazität und Dichtheit sinnvoll einsetzbar, da nur in diesen Untergründen kaum Grundwasserbewegungen herrschen, die Wärmeverluste verursachen würden.

Technik des Erdsonden-Wärmespeichers

Wird die Erdsonde im Sommer per Wärmepumpe zur passiven oder auch aktiven Deckung des Kühlbedarfs genutzt, so wird dem die Erdsonde umgebenden Erdreich Wärme zugeführt. Der Transport der Wärme in das Erdreich wird durch ein in den Erdsonden zirkulierendes Wasser-Glykol-Gemisch oder Ammoniak herbeigeführt. Diese Flüssigkeiten nehmen die Wärme vom Erdreich auf bzw. geben sie an das Erdreich ab. Sie tolerieren auch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Vergleichbar mit den Aquiferen weisen auch solche Sonden-Erdwärmespeicher durch die träge Wärmeleitung deutlich längere Zugriffszeiten als Heißwasser-Wärmespeicher auf. Ihr Volumen muss ca. 3- bis 5-mal so groß wie ein Heißwasser-Wärmespeicher sein, um dieselbe Wärmemenge speichern und wieder abgeben zu können. Der Erdwärmespeicher kann sinnvoll durch einen Pufferspeicher ergänzt werden und ist somit flexibel erweiterbar.

Neben der Einbringung von Wärme durch den Kühlbetrieb per Wärmepumpe kann auch Solarthermie genutzt werden, um im Sommer "gesammelte" Wärme saisonal zu speichern. Wie auch der Kühlbetrieb per Wärmepumpe kann somit im Winter auf die Wärmeblase zurückgegriffen und ein höheres Ausgangstemperaturniveau nutzbar gemacht werden. In beiden Fällen führt dieser Erdsondenbetrieb zur einer Steigerung der Systemeffizienz.

Eigenschaften des Erdsonden-Wärmespeichers

Erdsonden-Wärmepumpen weisen grundsätzlich einen relativ hohen Fixkostenanteil bei vergleichsweise geringen Betriebskosten auf. Tendenziell lässt sich daraus ableiten, dass mit zunehmender Anlagengröße geringere Gestehungskosten pro kWh resultieren. Dieser Zusammenhang gilt auch für die Nutzung der Erdsonden als Erdwärmespeicher, sodass auch hier tendenziell größere Speichervolumina wirtschaftlich vorteilhaft sind. Da Erdsondenwärmespeicher jedoch eine geringere Fixkostendegression als Aquiferspeicher aufweisen, ist ab einer gewissen Anlagengröße der Aquiferspeicher zu favorisieren.

Systeme zur Einspeicherung von Wärme durch Erdsonden sind jedoch im Allgemeinen wartungsärmer als die Wärmespeicherung in Aquiferen. Zudem ist der Genehmigungsprozess in der Erhebung und Analyse der genehmigungsrelevanten Daten weniger aufwendig. Das Risiko des Totalverlustes der Projektplanungskosten ist daher geringer. Die Amortisation dauert jedoch aufgrund der höheren Investitionskosten häufig deutlich länger und je nach Kältebedarf werden auch zusätzliche Kältequellen zur Spitzenlastdeckung notwendig. In vielen Anwendungsgebieten resultieren jedoch niedrigere Gesamtkosten des Kühlbetriebs als dies durch herkömmliche Kälteanlagen möglich wäre.

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Weitere Erdwärme-Wärmespeicher

Kies-Wasser-Speicher

Kies-Wasser-Speicher eignen sich für Speichertemperaturen bis 90 °C und werden bislang hauptsächlich zur Langzeitspeicherung von Solarwärme zur Heizungsunterstützung von Gebäudekomplexen eingesetzt oder als Zwischenspeicher in Nahwärmenetzen integriert. Sie gehören zur Gruppe der sensiblen Speicher und sind auch gut für die Speicherung von Abwärme geeignet.

Für den Bau wird eine Grube ausgehoben, welche mit einem Kies-Wassergemisch befüllt wird. Dieses Kies-Wassergemisch dient als Speichermaterial, wobei der Kiesanteil etwa 60–70 % beträgt. Aufgrund der Grubenbauweise und der Möglichkeit, das Speichermaterial statisch belasten zu können, kann die wasserdichtende Hülle das Speichers relativ einfach mittels Kunststofffolie oder wasserdichtem Beton ausgeführt und auch der Platz über dem Speicher wieder natürlich genutzt werden.

Da Kies bzw. Gestein eine niedrigere Wärmekapazität besitzt als Wasser, muss der Speicher ein etwa 1,3- bis 2-mal höheres Volumen als ein Heißwasserspeicher aufweisen, um die gleiche Wärmemenge speichern zu können. Bislang realisierte Anlagen liegen in der Größenordnung von 1.000 bis 8.000 m3. Die Speicherleistung ist dabei vom Kiesanteil im Füllmaterial abhängig.

Bei der Be- und Entladung des Speichers wird zwischen zwei Varianten unterschieden: Dem direkten und dem indirekten Wärmeeintrag. Bei der direkten Beladung wird das Wasser getauscht, wobei ähnlich wie bei dem Pufferspeicher auf eine gute Schichtung geachtet werden muss, damit sich das kältere Wasser nicht mit dem wärmeren mischt. Häufiger wird die indirekte Methode bevorzugt. Hier werden Kunststoff-Rohrschlangen in das Kiesbett eingebracht, welche als Wärmetauscher fungieren.

Luftdurchströmte Gesteinsspeicher ("Schotterspeicher")

Der Schotterspeicher ist eine dem Kies-Wasser-Speicher verwandte Technologie, welche nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie die regenerativen Wärmetauscher. Hauptsächlich wird er als Unterstützung für die Gebäudeheizung bzw. Klimatisierung eingesetzt. Das Wärmespeichermaterial ist dabei die Gesteinsschüttung. Diese wird wechselweise von Luft durchströmt, die während der Speicherdurchströmung entweder Wärme aufnimmt oder abgibt.

Der Schotterspeicher ist in Form eines Quaders aufgebaut, wobei an den Stirnseiten jeweils Luftverteilersysteme installiert sind, in welche die Luft ein- bzw. austritt. Als Speichermaterial wird relativ grober Schotter verwendet (Korngrößen 45–150 mm), sodass der Druckabfall der durchströmenden Luft nicht zu groß ist. Im Sommer wird warme Außenluft durch den unterirdisch angelegten Schotterspeicher geführt, wodurch diese ihre Wärme und Feuchtigkeit an das noch relativ kalte Gestein abgibt. Somit kann die abgekühlte und entfeuchtete Außenluft für die Klimatisierung eines Gebäudes verwendet werden. Zur Regeneration des Speichers kann die kühlere Nachtluft den Speicher wieder herunterkühlen.

Im Winter durchströmt nachts die kalte Umgebungsluft den Speicher und erwärmt sich dadurch bis auf das Temperaturniveau des Schotters. Anschließend kann die vorgewärmte Luft mit einer Wärmepumpe bis auf die gewünschte Heiztemperatur erhöht werden. Zur Regeneration des Speichers wird tagsüber die Abluft durch den Speicher gedrückt, sodass sich dieser wieder etwas erwärmt. Durch den Einsatz dieses Speichers können im Sommer bis zu 90 % der notwendigen Kältemenge und im Winter bis zu 15 % an Heizenergie eingespart werden.

Latentwärmespeicher

In Latentwärmespeichern werden spezielle Phasenwechselmaterialien (PCM, engl. Phase Change Material) als Speichermedium eingesetzt. Diese Stoffe, meist Salze oder Paraffine, nutzen die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen für die Speicherung der Wärme. Für Wärmepumpen setzt man häufig auf sogenannte Eisspeicher, bei denen der Phasenwechsel des Wassers von fest zu flüssig als Latentwärmespeicher genutzt wird.

Die an die Phasenwechselmaterialien übertragene thermische Energie führt nicht zu einer Temperaturänderung, sondern zur Änderung des Aggregatzustandes. Meist wird hierfür der Phasenübergang fest-flüssig genutzt. Wenn der Wärmespeicher aufgeladen wird, muss Wärme oberhalb der Phasenwechseltemperatur durch einen in den Speicher integrierten, innenliegenden Wärmetauscher zugeführt werden.

Die Energie wird durch den Wechsel des Aggregatzustandes von fest zu flüssig aufgenommen. Die Temperatur im Speicher bleibt bis zur vollständigen Phasenumwandlung weitgehend konstant, d. h. der Phasenwechsel verläuft annähernd isotherm. Beim Entladen wird dann Wärme leicht unterhalb dieser Temperatur bereitgestellt.

Damit ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

  • Durch geringe Temperaturänderung lassen sich verhältnismäßig große Wärmemengen speichern und somit hohe Leistungsdichten erzielen.
  • Unabhängig von schwankenden Beladungstemperaturen erfolgt die Wärmeabgabe annähernd bei konstanter Temperatur.

Mit der Wahl des Speichermediums wird auch die Temperatur des Phasenwechsels festgelegt. Damit ist es möglich, durch die Wahl des Speicherstoffs den Wärmespeicher speziell auf einen bestimmten Anwendungsfall abzustimmen. Derzeit sind über 50 organische und anorganische Latentwärmespeichermaterialien im Temperaturbereich von –30 °C bis 1.000 °C verfügbar.

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Weitere Informationen über Erdwärmetauscher

"Prinzip, Technik und Nutzung von Erdwärmespeichern" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.