Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojekts wurde die Errichtung und Integration von Großwärmespeichern mit mehreren Zehntausend Kubikmeter zur saisonalen Speicherung und Bereitstellung von Wärme im Quartiersmaßstab untersucht. Die bisher bekannten und eingesetzten konventionellen Speichertechnologien, wie Grundwasserspeicher in tieferliegenden Erdschichten (Aquiferspeicher), oberflächennahe Erdbeckenspeicher und Wärmespeicherbehälter, sind nur bedingt für diese Aufgabenstellung geeignet. Mit geeigneten Spezialtiefbauverfahren lassen sich bei Vorliegen geeigneter hydrogeologischer Randbedingungen aquifergebundene Großwärmespeicher errichten, die hohe Speichertemperaturen von 40 °C und mehr zulassen. Die Bauweise, Umweltauswirkungen und Kosten des neu entwickelten Großwärmespeichers GeoHeatStorage werden dargestellt. Der GeoHeatStorage kann einen wesentlichen Beitrag zur künftigen, nachhaltigen Wärmeversorgung leisten. Der Wärmespeicher ist nicht auf den Einsatz in Wohnquartieren begrenzt, sondern eröffnet auch die Chance Abwärme aus gewerblichen und industriellen Anwendungen aufzunehmen und zu einem wichtigen Bindeglied und Baustein in der Sektorenkopplung zu werden.

Textprobe: Veranlassung Förderung und Ausbau von möglichst effizienten Wärmenetzen stehen auf der Agenda des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) weit oben. Der Anteil an erneuerbaren Energien an der Fernwärmeversorgung lag 2021 bei gerade einmal 17,5 %, der größte Anteil stammt aus der mit Kohle und Gas gespeisten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) [Maass, 2022]. Die notwendige Abkehr von fossilen Brennstoffen wird dazu führen, dass erneuerbare Energien, wie solare Wärme, Geothermie, Power-to-Heat oder die umweltverträgliche Nutzung von Prozessabwärme an Bedeutung gewinnen und ihren Beitrag zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung leisten. Nach [Maass, 2022] kommt thermischen Speichern, die Wärme über Tage, Wochen oder Monate speichern können, dabei künftig eine Schlüsselrolle zu. Der Leiter der Abteilung Energiepolitik, Wärme und Effizienz im BMWK, führt in seiner Wortmeldung weiter aus: Wärme aus klimaneutraler KWK und Wärmespeicher werden also künftig für Flexibilität sorgen. Ein Muss sind deshalb ein schneller Rollout der Schlüsseltechnologie Wärmespeicher und ein gesetzlicher Rahmen, der Hürden für klimaneutrale Wärmenetze abbaut . Das Verbundprojekt GeoHeatStorage befasst sich mit der Aufgabenstellung der Errichtung und Integration von Großwärmespeichern zur saisonalen Speicherung und Bereitstellung von Wärme im Quartiersmaßstab. Die bisher bekannten und eingesetzten konventionellen Speichertechnologien, wie Grundwasserspeicher in tieferliegenden Erdschichten (Aquiferspeicher), oberflächennahe Erdbeckenspeicher und Wärmespeicherbehälter, sind nur bedingt für diese Aufgabenstellung geeignet. Im Quartiersmaßstab für einige 100 Wohneinheiten und mehr werden deutlich größere Speichervolumina benötigt, eine Maßstabsvergrößerung der bekannten Technologien ist nicht ohne weiteres möglich und bringt hinsichtlich des erforderlichen Flächenbedarfs, möglichen unerwünschten Veränderungen des Grundwasserleiters bei hohen Speichertemperaturen und den Gesamtkosten (Baugrund und Materialkosten) verschiedene Nachteile mit sich. Die Integration in eine vorhandene Quartiersbebauung gestaltet sich bei oberirdischen Speichern auf Grund der begrenzten Flächen und möglicherweise eingeschränkter Akzeptanz problematisch. Die Nutzung von Grundwasserleitern als offene Speicher mit freiem Grundwasserzufluss bleibt in aller Regel auf Temperaturanhebungen bis maximal 20 °C gemäß [VDI 4640 Blatt 1, 2000] im Genehmigungsverfahren beschränkt, um chemische, physikalische und biologische Veränderungen, die sich nachteilig auf den Grundwasserleiter und die Umwelt auswirken könnten, vorsorgend zu verhindern. Auf Grund der insbesondere in Ballungsräumen bereits erhöhten Temperaturen des oberen Grundwasserleiters sind aus behördlicher Sicht starke Tendenzen zu erkennen, geothermische Anwendungen stark einzuschränken oder ganz zu untersagen. Dies widerspricht dem klimapolitischen Ziel, die Wärme- und Kälteversorgung der Wohn- und Gewerbegebäude durch Erschließung regenerativer Quellen und - dies möglichst auch lokal ohne aufwendige Leitungsverlegungen - künftig zu bewerkstelligen. Auf Grund der hohen Wohnungsdichte ist gerade in Ballungsräumen der Umstieg von fossil betriebenen Heizanlagen auf geothermische Anlagen sinnvoll und erforderlich, um die gesteckten Klimaziele zu erreichen. Mit der Entwicklung des GeoHeatStorage sollen die vorgenannten Nachteile vorhandener, offener Speichersysteme vermieden werden und die Möglichkeit geschaffen werden, in Städten und Ballungsräumen die Wärme- und Kälteversorgung im Quartiersmaßstab nachhaltig und wirtschaftlich zu gestalten. Ziele des Teilprojekts Einen guten Überblick über verschiedene Wärmespeichertypen findet sich bei [Felgentreff, 2022]. Der Begriff ‚Underground Thermal Energy Storage‘ (UTES) umfasst mehrere Methoden zur sensiblen Speicherung thermischer Energie im Untergrund. Als am weitesten verbreiteten UTES-Technologien werden neben Aquiferspeichern (ATES), Borehole Thermal Energy Storage (BTES), Tank Thermal Energy Storage (TTES), Pit Thermal Energy Storage (PTES) und Cavern Thermal Energy Storage (CTES) aufgeführt. Der GeoHeatStorage ist zum einen ein durch einen natürlichen Grundwasserstauer nach unten und zu den Seiten umschlossener Aquiferspeicher. Das natürlich vorhandene Grundwasser wird hierbei als Wärmeträgermedium genutzt. Zum anderen kann der GeoHeatStorage auch den unterirdischen TTES-Speichern zugeordnet werden, da durch die installierte Dichtwand ein Bauwerk im Aquifer hergestellt wird, d.h. ein Zu- und Abstrom des Grundwassers unterbunden wird und ein geschlossenes System (closed-loop) durch Wasserentnahme und Infiltration mittels im Speicher installierter Brunnen erfolgt. Das Teilprojekt 2.3 beschäftigt sich im Rahmen des Verbundprojekts 2 GeoHeatStorage mit der Fragestellung, mit welchen Spezialtiefbauverfahren technisch und wirtschaftlich ein unterirdischer Großwärmespeicher erstellt werden kann unter den hydrogeologischen und infrastrukturellen Randbedingungen Thüringer Wohnquartiere. Hierbei stehen die Entwicklung eines standardisierten und kostengünstigen Spezialtiefbauverfahrens zur Errichtung der Dichtwand des GeoHeatStorage im Vordergrund (Baukastenprinzip). Mittels Spezialtiefbauverfahren sollen Speichervolumen im quartären Grundwasserstockwerk realisiert werden, die in der Lage sind, ganze Quartiere mit Hunderten von Wohneinheiten mit Wärme und Kälte zu versorgen. Mit den bisher angewendeten, bekannten Bauverfahren (z. B. Erstellung eines Betonbehälters in offener Bauweise) lassen sich derartige Großwärmespeicher von mehreren 10.000 m³ Volumen nicht wirtschaftlich umsetzen. Mit dem GeoHeatStorage sollen die spezifischen Investitionskosten deutlich gesenkt werden. Die in der Literatur angegeben Kosten verschiedener Speichertypen variieren in Abhängigkeit der Baugröße und der technischen Ausführung erheblich. Für Heißwasser-Wärmespeicher, d. h. ebenfalls Behälterbauwerke, werden spezifische Investkosten von > 100 €/m³ und mehr genannt [Schmidt, 2001 Projekt Friedrichshafen mit 12.000 m³ Volumen: 220 DM/m³]. Für die Wärmespeicher in Steinfurt-Borghorst werden spezifische Baukosten von 329 €/m³ Wärmeäquivalent ermittelt, für das Projekt Hannover-Kronsberg von 279 €/m³ und für das Projekt München-Ackermannbogen werden 133 €/m³ angeführt [Benner, 2003]. Um die Wirtschaftlichkeit des GeoHeatStorage zu gewährleisten, müssen Grundwasserleiterspeicher errichtet werden, die im Modellquartier mindestens die 8-fache Größe gegenüber herkömmlichen Beckenspeichern erreichen. Konkret bedeutet dies für das Modellquartier eine Grundfläche des GeoHeatStorage von > 6.000 bis 10.000 m², die zur Verfügung gestellt werden muss, um die versorgungstechnischen und wirtschaftlichen Anforderungen erfüllen zu können. Es wird ein Zielwert im Bereich von ca. 10 €/m³ Speichervolumen (Nettokosten ohne Wasserentnahme und -verteilung) angestrebt unter den definierten Randbedingungen eines Thüringer Modellquartiers. Hierbei sind Speichervolumina von rund 60.000 bis 100.000 m³ brutto (gesättigte und ungesättigte Bodenzone) zu realisieren. Der Gestaltung der Dichtwand (z. B. vierseitige Umschließung, Teilwand), die Bauform (offen, zusätzliche Abdeckung (Wärmedämmung) nach oben) und der Ausführungstechnik (z. B. Spundwände, Injektionstechnik) kommen hierbei besondere Bedeutung im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit, Genehmigungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu. Für die Realisierung im Bestandsquartier bedarf es zudem zusätzlicher Lösungen zur schadlosen Integration vorhandener Leitungstrassen. Folgende wissenschaftlich-technischen Fragestellungen sind daher im Rahmen des Vorhabens zu beantworten: - Minimierung der Beeinträchtigung der natürlichen Grundwasserströmungsverhältnisse durch Optimierung der Bauform des Speichers - Weitgehende Minimierung der Wandfläche durch wärmetechnische Modellierung des Speichers - Materialauswahl für die Dichtwand des Speichers aus wärmetechnischer Sicht (z. B. Isolationsverhalten) und bautechnischer Sicht (z. B. Durchlässigkeit, Haltbarkeit) - Entwicklung von Spezialtiefbaulösungen zur schadlosen Integration vorhandener Leitungstrassen und Sparten, die im Quartier vorhanden sein können - Anpassung und Auswahl geeigneter Gerätetechnik für den Spezialtiefbau, um auch unter beengten Verhältnissen des Quartiers arbeiten zu können - Reduzierung der spezifischen Investitionskosten im Vergleich zu konventionellen Wärmespeichern von > 100 €/m³ auf ca. 10 €/m³ durch vorgenannte Lösungsansätze Mit der Nutzung eines natürlichen Grundwasserleiters, der als Wärmespeicher ausgebaut wird, wird in der vorgenannten Größenordnung Neuland beschritten. Ergebnisse und Erfahrungen aus der Praxis, die für diese Art von Wärmespeicher herangezogen werden könnten, liegen bisher nicht vor. In den Niederlanden und weiteren nordeuropäischen Ländern werden bereits seit längerem Aquiferspeicher zur Wärme- und Kälteversorgung genutzt. Allein in den Niederlanden existieren bereits mehr als 2.000 Aquiferspeicher [Sanner, 2016], die sich als integraler Bestandteil der Energieversorgung bewährt haben. Auf der anderen Seite ergeben sich in Städten, wie z. B. Utrecht auf Grund der hohen Dichte von Wärme- und Kältespeichern bereits Einschränkungen im weiteren Ausbau [Haller, 2019]. Dies verdeutlicht, welche Möglichkeiten und Chancen im GeoHeatStorage für eine zukunftsweisende Wärmeversorgung in Thüringen und anderen Bundesländern bestehen können. Der wesentliche Unterschied zu herkömmlich hergestellten TTES-Systemen besteht in dem innovativen Ansatz die Behälterkonstruktion mittels in-situ-Bauverfahren ohne Herstellung einer tiefen und offenen Baugrube zu realisieren. Gegenüber offenen Aquiferspeichern bleibt der natürliche Grundwasserleiter von Temperaturänderungen weitgehend unbeeinflusst.Vorüberlegungen zum Spezialtiefbau und Arbeitsplan Mögliche Spezialtiefbauverfahren Die geplante Bauweise des GeoHeatStorage sowie die zu erwartenden Dichtwandtiefen und Anforderungen der Geologie an das Bauverfahren führen zu einer technologischen Ein- engung der bekannten Spezialtiefbauverfahren. Bereits während der Antragstellung wurde intensiv über die Anwendung verschiedenster Verfahren mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen diskutiert, wobei im weiteren Bearbeitungsprozess die nachfolgenden Spezialtiefbauverfahren als prinzipiell geeignet identifiziert wurden: - Spundwände - Schlitzwände (Einphasen- und Zweiphasenschlitzwand) - Mixed-in-Place (MIP) Wand - Cutter-Soil-Mixing (CSM) Wand - HDI-Injektionswand Die Aufzählung der Spezialtiefbauverfahren ist als nicht abschließend zu sehen, beispielsweise werden hier überschnittene Bohrpfahlwände und Schmalwände nicht behandelt, da im Vorhaben keine wirtschaftliche und technisch geeignete Anwendung gegeben sein wird. Der Einsatz von Spundwänden wurde auf Grund der erschütterungssensitiven Umgebung von Wohnquartieren, der erforderlichen und standortbedingt variierenden Einbringtiefen sowie der hohen Stahlpreise verworfen. Schlitzwände als bewährtes Verfahren des Dichtwandbaus sind insbesondere bei Tiefen von 25 m und mehr auch unter schwierigen geologischen Bedingungen einsetzbar. Der gerätetechnische Aufwand mit dem erforderlichen Platzbedarf für die Baustelleneinrichtung, das Handling der Stützsuspension sowie Entsorgung der ausgehobenen Bodenmassen und die vergleichsweise höheren spezifischen Kosten führten dazu, dieses Verfahren nicht weiter in die Untersuchung einzubeziehen. Eine Überprüfung und interne Bewertung der drei folgenden Spezialtiefbauverfahren lässt geeignete Lösungen für den GeoHeatStorage erwarten.

• Geothermie

• Saisonaler Wärmespeicher

• Großwärmespeicher

• Aquifergebundener Wärmespeicher

• Spezialtiefbau

Prof. Dr.-Ing. Frank Tidden ist seit fast 25 Jahren in verantwortlicher Position in der BAUER Gruppe in Schrobenhausen und seit 2014 als Lehrbeauftragter an der Technischen Hochschule in Deggendorf tätig. Die Schwerpunkte seiner Arbeit liegen in den Bereichen des technischen Umweltschutzes sowie in den letzten Jahren der oberflächennahen Geothermie.