Global application, performance and risk analysis of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)

Aufgrund des jahreszeitlichen Versatzes zwischen Wärmeangebot und -nachfrage herrscht im Bereich der gemäßigten Klimazone weniger ein Energie- als ein Speicherproblem. Die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern, auch genannt Aquiferspeicherung (ATES), zeichnet sich im Vergleich zu anderen Speichertechnologien durch geringe Speicherkosten und hohe Speicherkapazitäten aus. Deshalb ist die Technologie in den vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus gerückt. Allerdings gibt es nur sehr wenige Informationen über die weltweite Verbreitung sowie die Art der Nutzung von ATES. Folglich ist der Einfluss unterschiedlicher Marktbarrieren auf eine weltweite Kommerzialisierung der Technologie noch weitgehend unbekannt. Ziel der ersten Studie ist es deshalb, einen Überblick über die historische Entwicklung sowie die weltweite ATES Nutzung zu geben. Auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Konzepte und Nutzungsformen zusammengefasst und diskutiert. Mit einer 50-jährigen Entwicklungsgeschichte befinden sich derzeit weltweit mehr als 2.800 ATES Systeme im Einsatz. Über 99% aller ATES sind Niedrigtemperaturspeicher (LT-ATES) mit einer Speichertemperatur von < 25°C. 85% aller Aquiferspeicher befinden sich in den Niederlanden, weitere 10% in Schweden, Belgien und Dänemark. Diese Unterschiede in der globalen Aquiferspeicherentwicklung lassen sich weniger durch Untergrund-spezifische Faktoren, als vielmehr durch sozioökonomische und legislative Marktbarrieren erklären. In Studie 2 wird basierend auf den Monitoringdaten von 73 niederländischen Anlagen die technischen Leistungsdaten und energetische Effizienz von LT-ATES untersucht sowie Optimierungsmöglichkeiten diskutiert. Mit einer durchschnittlichen Entnahmetemperatur von 10 °C im Sommer und rund 15 °C imWinter ist die Differenz zwischen Entnahme- und Einspeisetemperatur (DT) mit 3-4 K deutlich geringer als ursprünglich geplant. Dies ist weniger auf Speicherverluste im Untergrund, als auf eine ineffiziente Beladung des Speichers durch die gebäudeseitige Heizungs- und Klimatisierungsanlage zurückzuführen. Zudem wird im Durschnitt nur 50% des Untergrundes genutzt, der jeweils von der Genehmigungsbehörde für die geothermische Nutzung freigegeben wurde. Eine exakte Analyse des erwarteten Energieverbrauchs sowie ein effizientes Zusammenspiel zwischen ATES und Gebäude sind deshalb entscheidend um eine nachhaltige Nutzung von LT-ATES weltweit zu gewährleisten. Im Gegensatz zu LT-ATES birgt die Speicherung von Temperaturen über 40-50 °C (HT-ATES) deutliche höhere Risiken. In Studie 3 werden deshalb potentielle Risken von HT-ATES Projekten basierend auf den Erfahrungen vergangener Projekte identifiziert und von Geothermieexperten analysiert. Eine online Umfrage unter 38 internationalen Experten hat gezeigt, das technische Risiken weniger kritisch eingeschätzt werden als insbesondere rechtliche, soziale oder organisatorische Risiken. Dies bestätigen die Erfahrungen aus vergangenen HT-ATES Projekten, wo hohe Wiedergewinnungsraten erzielt, und die technische Machbarkeit erfolgreich demonstriert werden konnte. Schwerwiegende Probleme waren dagegen häufig auf schwankende oder sinkende Energiebedarfe oder einen Verlust der Wärmequelle zurückzuführen. Bei einer zu erwarteten Laufzeit von über 30 Jahren, ist es deshalb entscheidend, ganzheitliche Energiekonzepte zu entwickeln, die sowohl sich verändernde Randbedingungen im Bereich der Wärmequelle, als auch Wärmesenke berücksichtigen. Ein projekt-spezifisches Risikomanagement ist deshalb essenziell und sollte auch in der Forschung stärker Berücksichtigung finden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aquiferspeicherung ein hohes Potenzial hat, bedeutende Energiemärkte zu erschließen. Sowohl im Bereich LT ATES als auch HT-ATES bedarf es allerdings weitere Forschung, um eine flächendeckende Kommerzialisierung voranzutreiben: Im Niedrigtemperaturbereich sollten zukünftige Studien darauf abzielen, die Betriebseffizienz weiter zu optimieren. Dies betrifft (1) die Interaktion zwischen Untergrund und Gebäude sowie (2) ein urbanes Untergrundmanagement, wo durch die Schaffung von Synergien benachbarter Untergrundnutzer der verfügbare Raum noch nachhaltiger genutzt werden soll. Für HT-ATES sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich um die betriebliche Stabilität zu erhöhen. Die Forschung sollte sich daher nicht nur auf die Gestaltung des Untergrundes konzentrieren, sondern auch auf die Entwicklung von ganzheitlichen Energiekonzepten. Dies sollte auch die Identifizierung potentieller Wärmequellen und -senken sowie die Berücksichtigung langfristiger politischer, technischer und gesetzlicher Änderungen während einer ATES-Lebensdauer von 30 Jahren umfassen.

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