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Erdwärmespeicher
Übersicht
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>> Prinzip des Erdsondenwärmespeichers
>> Technik des Erdsondenwärmespeichers
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Entwicklungsstand von Langzeitspeichern
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.
Die Kurzzeitspeicherung von Wärme über wenige Tage ist im kleinen Massstab material- und steuerungstechnisch ausgereift. Eine Langzeitspeicherung bzw. saisonale Speicherung über Wochen und Monate konnte sich am Markt jedoch noch nicht flächendeckend etablieren, da die Implementation von Langzeitspeichern hohe Investitionen in die Projektentwicklung, –planung und letztlich technischen Realisierung erforderte. Die so gespeicherte, erneuerbare Wärme überstieg damit die Kosten der konventionell erzeugten Wärme, sodass Langzeitspeicher bisher nur in geförderten Pilotprojekten umgesetzt wurden.
Prinzip der Wärmespeicherung
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. Wird das Erdreich selbst zur zeitversetzten Nutzung von Energie als Speicher herangezogen, so bezeichnet man diese je nach der Art der Einbringung als Aquifer- oder Erdsondenspeicher.
Prinzip des Aquifer-Wärmespeichers
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 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 zur Wärmespeicherung ist seit vielen Jahren bekannt und erprobt und wird bei großen Speichervolumina (> 100.000m3) wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.
Technik des Aquifer-Wärmespeichers
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 Wärmespeicher 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-Wärmespeichern
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-Wärmespeichern 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 - 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 innerhalb weniger Jahre. Allerdings bedingen hydrogeologische Voruntersuchungen sowie umfangreiche Genehmigungsprozesse Kosten, deren Investitionsrisiko meist der Auftraggeber selbst tragen muss.
Prinzip des Erdsondenwärmespeichers
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 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 Erdreich 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 Erdsondenwärmespeichers
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 Erdsondenspeicher 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. Das System 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.
>> Hier finden Sie weiterführende Informationen zur Solargeothermie
Eigenschaften des Erdsondenwärmespeichers
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 Wärmespeicher, 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 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.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Erdwärmegewinnung
>> Erdwärme aus Flächenkollektoren
>> Weitere Formen der Erdwärmenutzung
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