Storing Energy in the Depths

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 1/2019. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

Der Sommer 2018 hat uns gezeigt: 36 Grad und es wird noch heißer. Wem es nach Abkühlung dürstet, greift gerne auf eine Klimaanlage zurück. So erhalten diese wegen der immer länger andauernden Hitze und der steigenden Temperaturen immer häufiger Einzug in Wohnungen, Büros oder Hotels. Allerdings sind die Geräte nicht nur teuer, auch die Umweltbelastung ist groß: Indirekte CO 2 - und Kältemittelemissionen verstärken den Treibhauseffekt. Aber nicht nur Klimaanlagen gegen die extreme Hitze belasten die Umwelt, auch Temperaturen bis zu minus 40 Grad wie in diesem Winter in den USA fordern jede Menge Energie, um Gebäude zu heizen. Eine energiesparende und umweltfreundliche Alternative könnten in Zukunft Aquiferspeicher sein: Sie können sowohl Wärme als auch Kälte in großen Mengen zwischenspeichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen. Aquifere sind natürlich vorkommende Grundwasserschichten, in denen das Wasser gar nicht oder nur langsam fließt. So wird keine Wärme – oder Kälte – abtransportiert. Das umgebende Gestein wirkt dabei isolierend. Erst Bohrungen können diese Schichten im Untergrund erschließen, um das Grundwasser als thermischen Speicher zu nutzen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT analysieren in dem Projekt GeoSpeicher.bw diese Alternative zu Klimaanlagen. „Das Speichern von sommerlicher Wärme oder der Abwärme von Industrieanlagen in unterirdischen, wasserführenden Schichten ist in den Niederlanden weit verbreitetan über 2 800 Standorten gibt es diese Technologie bereits“, sagt Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT und Koordinator des Forschungsvorhabens. „In Deutschland gibt es bisher nur vier Standorte mit geothermischer Energiespeicherung in Grundwasserleitern, obwohl sich zahlreiche Regionen aufgrund ihrer geologischen Bodenverhältnisse dafür gut eignen.“ Ein prominentes Beispiel sei das Reichstagsgebäude in Berlin, welches über mehrere Aquiferspeicher mit Wärme im Winter und Kälte im Sommer versorgt werde.

„Wir bewerten in dem Projekt verschiedene Standorte auf ihr Potenzial der geothermischen Wärmespeicherung – dazu gehören beispielsweise die Kälte- und Wärmeversorgung des städtischen Klinikums in Karlsruhe“, so Blum. „Außerdem entwickeln wir ein maßgeschneidertes und innovatives Monitoring- und Speicherkonzept für ein großes Schwimm- und Erlebnisbad in Hockenheim. Die Kellerräume sind hier aufgrund des Wärmenetzes sowie der Abwärme technischer Anlagen ganzjährig auf über 30 Grad Celsius aufgeheizt. Diese überschüssige Wärme soll während der Sommermonate in einem Grundwasserleiter gespeichert werden, um sie dann im Winter zu nutzen.“ Auch für den Campus Nord des KIT haben Blum und sein Team eine entsprechende Pilotanlage geplant, die Genehmigungsund Entscheidungsprozesse laufen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben berechnet, dass sich die meisten Anlagen bereits nach zwei bis acht Jahren amortisiert haben.

Aufgrund der großen Kapazität eignen sich Aquiferspeicher nach Einschätzung der Forscher aus wirtschaftlicher Sicht vor allem für große Gebäude wie Museen, Universitäten, Krankenhäuser oder Büros. Aber auch für zusammenhängend geplante Wohnsiedlungen oder Hotels kommen sie in Frage. Deshalb evaluieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von GeoSpeicher.bw die Effektivität einer aquifergebundenen Geothermieanlagen in Europa. Seit 2009 versorgt ein unterirdischer Aquiferspeicher ein Hotel und zwei Bürokomplexe am „Bonner Bogen“ – einem neu entwickelten, gewerblich genutzten Areal am Rheinufer in Bonn – umweltschonend mit Kälte im Sommer und Wärme im Winter. Die Anlage übernimmt bis zu 80 Prozent der Wärme- und Kälteversorgung der Gebäude mit einer Gesamtfläche von rund 60.000 Quadratmetern. Gegenüber einer konventionellen Energieversorgung spart diese Geothermieanlage jährlich rund 1700 Megawattstunden Energie und damit 400 Tonnen CO2 ein. „Wir können hier für unsere wissenschaftliche Analyse auf Daten aus knapp zehn Jahren zugreifen und zahlreiche Aspekte von der Energieeffizienz bis hin zur Gebäudetechnik betrachten“, sagt Paul Fleuchaus, Doktorand am AGW und Betreuer des Teilprojektes. „Um das System zu optimieren, müssen wir die sich verändernden Randbedingungen betrachten. Das Klima verändert sich inzwischen sehr stark. Oft müssen die Räume deshalb schon im März gekühlt anstatt geheizt werden. Studien haben gezeigt, dass der Energiebedarf für Klimaanlagen bis zum Jahr 2100 um das 33-fache ansteigt.“

Um Alternativen aufzuzeigen, werden die technischen Analysen von Studien zur öffentlichen Akzeptanz und der aktuellen Gesetzeslage begleitet. „Am Beispiel der Niederlande haben wir festgestellt, dass eine enge Zusammenarbeit zwischen Behörden, Wissenschaftlern, der Öffentlichkeit sowie Anbietern zukunftsweisender Energietechnik extrem wichtig ist“, so Fleuchaus. Im Verbundprojekt GeoSpeicher.bw arbeiten deshalb die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT, der Universitäten Heidelberg und Stuttgart sowie der Hochschulen Biberach und Offenburg eng mit Fachleuten der Stadtwerke Hockenheim, Biberach, Überlingen, Bad Waldsee und Stuttgart zusammen.

Das Projekt umfasst neben innovativen Monitoring- und Speicherkonzepten, detaillierten Wärmetransportmodellen, Untersuchungen zur Hydrogeochemie und weitreichenden System- und Optimierungsanalysen auch maßgeschneiderte Kommunikationsstrategien und regelmäßige Workshops, Tagungen und Fortbildungen. Die Expertinnen und Experten untersuchen zudem weitere Möglichkeiten der Wärme- und Kältespeicherung, beispielsweise mithilfe von neu gebauten Straßen- und Eisenbahntunneln.

Kontakt: blum ∂does-not-exist.kit edu, paul.fleuchaus@kit.edu

Excerpt in English

Cooling and Heating with Groundwater

Translation: Maike Schröder

The summer of 2018 demonstrated that temperatures may rise up to 36 degrees or even more. Whoever needed cooling used an air conditioning system. However, these devices are not only expensive, but also pollute the environment. Indirect CO 2 and refrigerant emissions reinforce the greenhouse effect. But it’s not just air conditioning systems that pollute the environment. When temperatures reach down to -40 degrees as occurred in the US this winter, heating buildings can cause high energy consumption.

Aquifer storage systems might be an energy-saving and environmentally compatible alternative in future. They can temporarily store large amounts of heat and cold and make them available again later on. Aquifers are natural groundwater layers with little, if any flow. Heat and cold thus can be stored there. The surrounding rocks have an insulating effect.

As part of the GeoSpeicher.bw collaboration project, scientists of KIT’s Institute of Applied Geosciences (AGW) are analyzing this alternative to air conditioning. “Within the framework of the project, we assess various locations for their geothermal heat storage capacity, such as the cold and heat supply for the municipal hospital in Karlsruhe,” project coordinator Blum says. Blum and his team also plan to build a demonstration plant on KIT’s Campus North. The approval and decision procedures are under way. Due to their large capacities, aquifer thermal energy storage (ATES) systems are mainly suited for large buildings, such as museums, universities, hospitals or office blocks. However, they can also be used for large settlements or hotels. Payback times of such ATES systems are low typically ranging between two and eight years.

“The project also covers optimization of existing systems. For this, we have to consider the constantly changing boundary conditions. The climate is changing very strongly. In March, rooms no longer have to be heated, but have to be cooled more often. Studies showed that energy consumption by air conditioning systems will increase by a factor of 33 by 2100,” says Paul Fleuchhaus, doctoral researcher at AGW.

Within the GeoSpeicher.bw project, researchers of KIT and of the universities of Heidelberg, Stuttgart, Biberach, and Offenburg closely cooperate with experts from the municipal utility companies of Hockenheim, Biberach, Überlingen, Bad Waldsee, and Stuttgart.

Contact: blum ∂does-not-exist.kit edu