• Die durch die praktische Umsetzung dieser Demonstrationsanlage gewonnenen Erkenntnisse sollen dabei eine Grundlage für potentielle Nachahmer darstellen und damit zu einer breiteren ATES Anwendung in Deutschland beitragen, um einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der thermischen Energieversorgung und zur Energiewende zu liefern. Im Projekt wird eine Kombination aus klassischem und neuen innovativem Monitoring umgesetzt, das insgesamt die Akzeptanz bei Bürgern, Industrie sowie Behörden erhöhen soll und Impulse für fehlende Richtlinien und Standards gegeben werden. 

• Aufgrund der komplexen geologischen und hydrogeologischen Situation im Untersuchungsgebiet soll mittels numerischer Modellierung soll geprüft werden inwiefern der Ausbau der Brunnen Verbesserungen ermöglicht. 

• Innerhalb des Projektes soll zudem die technischen Anforderungen an der Systemintegration des Aquiferspeichers in eine bestehende gebäudetechnische Anlage sowie an den effizienten und nachhaltigen Betrieb untersucht und zusammengestellt werden.

• Über gekoppelte Wärmetransportmodelle sollen nicht nur die Brunnenanordnung und benötigte Speichertiefe der Demonstrationsanlage abgeleitet und optimiert werden, sondern insbesondere die technische Machbarkeit der Aquiferspeicherung in Abhängigkeit unterschiedlicher Energiebedarfsszenarien sowie der kombinierten Nutzung mit anderen Zusatztechnologien geprüft werden.

• Außerdem sollen weitere potentiell an einer Nachahmung bzw. ATES-Nutzung interessierte Standorte identifiziert werden.

• Ziel ist die Steigerung der Bekanntheit und Akzeptanz der Technologie sowohl innerhalb der Geothermiebranche, den Behörden aber auch gegenüber der interessierten Öffentlichkeit, eine Verbesserung der Betriebseffizienz und des technischen Verständnisses sowie eine Reduzierung derzeit bestehender genehmigungsrechtlicher Hürden. 

Zu Beginn des Forschungsprojektes werden standortspezifische Vorerkundungen vorgenommen, diese beinhalten die Ermittlung hydrogeologische, hydrogeochemsiche, thermische und ökologische Untergrundeigenschaften. Diese Standortcharakterisierung soll zunächst mittels vorhandener Literatur, Berichten und zugänglichen fachspezifischen Plattformen- und Datenbanken erfolgen. Zudem werden Grundwassermessstellen sowie Brunnenanlagen im Ballungsraum Berlin ausfindig gemacht und für die speziell für die Sondierungsuntersuchungen der faunistischen und mikrobiellen Grundwasserökologie ausgewählt.

In diesem Arbeitspaket wird für den geplanten Standort eine numerische Modellierung der thermisch-hydraulischen Untergrundprozesse durchgeführt. Diese soll standortspezifisch die technische Machbarkeit des Aquiferspeichers untersuchen und Aufschluss über die räumliche und zeitliche Ausbreitung sowie die Kontrollierbarkeit der thermischen Energiespeicherung (z. B. Effizienz der Speicherzyklen) liefern, um insbesondere die Herausforderung des für gewöhnlich geringen unterirdischen Platzangebots im städtischen Raum wie Berlin optimal für die geothermische Anwendung zu nutzen. 

Grundvoraussetzung für eine bundesweit breitere Anwendung und Durchsetzung der ATES-Technologie auf dem Energiemarkt ist neben ökologischen Vorteilen insbesondere auch die positive Wirtschaftlichkeit gegenüber herkömmlichen Energieversorgungstechnologien. Daher soll die Wirtschaftlichkeit des geplanten Aquiferspeichers unter Berücksichtigung von Investition-, Betriebs- und Wartungskosten gemäß VDI 2067 betrachtet werden. 

Dieses Arbeitspaket soll die lokalen Genehmigungsanforderungen des geplanten Aquiferspeichers behandeln. Daher soll ein Antrag auf Erlaubnis zur Gewässerbenutzung durch die Errichtung und den Betrieb des ATES ausgearbeitet und auf Landkreisebene bei der Wasserbehörde unter Anwendung des Wasserhaushaltsgesetz sowie des jeweils geltenden Landesrechts eingereicht werden.

Meilensteine

-          Abschluss der faunistischen, mikrobiellen und abiotischen Erkundung

-          Abschluss der gekoppelten thermisch-hydraulischen Modellierung

-   (Wasserrechtliche) Genehmigung des Aquiferspeichers

Um ein ATES-System effizient und wirtschaftlich betreiben zu können, muss die bestehende gebäudeseitige Anlagentechnik mittels dynamischer Gebäudesimulation und gekoppelter Anlagensimulation genau analysiert werden. Daher soll zunächst eine Bedarfspräzisierung von Wärme und Kälte in dynamischen Jahreslastgängen mit einer konservativen Betrachtung erfolgen sowie die Heiz- und Kühllasten des zu versorgenden Gebäudeareals bestimmt werden. Außerdem soll ein Schwerpunkt auf dem Nutzungs- und Betriebsverhalten der Gebäude (z.B. saisonal benötigte Temperaturniveaus und Lastprofile) liegen, um die nicht genutzte thermische Energie für die saisonale Speicherung (z. B. Abwärmepotential) quantifizieren zu können.

Die Integration eines ATES-Symstems in bestehende thermische Energiesysteme ist sehr standortspezifisch und keine Standardaufgabe Daher soll in diesem Arbeitspaket basierend auf den ermittelten Gebäudedaten ein Integrationskonzept des ATES in die bestehende gebäude-technische Anlage oder Wärmenetze erarbeitet werden. Dafür sollen u. a. hydraulische Anbindung an einzelnen Objekten und Integration in ein „Kaltes Netz der 5. Generation“, Leistungsregelung, Regelungstechnik, Energieverteilung, untertätiges Grundwasserwärmemanagement sowie die Betriebspunkte der Wärmepumpe genau untersucht werden, um ggf. Anpassungs- und Umbaumaßnahmen der gebäudeseitigen Anlagentechnik einleiten und durchführen zu können. Die Vorgehensweise und gewonnenen Erkenntnisse sollen entsprechend aufbereitet und dokumentiert werden, um Handlungsempfehlungen zur Integration von ATES-Systemen für die Planungspraxis ableiten zu können.

Zur Fertigstellung des gesamten Aquiferspeichers gehört die Errichtung der Energiezentrale im Gebäude. Diese besteht mindestens aus Wärmetauscher und Wärmepumpe. Zudem muss geprüft werden ob und in welcher Form Zusatztechnologien (z. B. Pufferspeicher) benötigt werden und in die thermische Energieversorgung des Gebäudes integriert werden können.

Meilensteine

-          Abschluss der Analyse des Nutz- und Betriebsverhalten der Gebäude

- Abschluss des ATES-Integrationskonzepts

Dieses Arbeitspaket beinhaltet die messtechnische Überwachungstätigkeit der thermisch-hydraulischen Untergrundprozesse. Dafür sollen im Rahmen von AP2 Glasfaserkabel für faseroptische Temperaturmessungen in mindestens zwei Brunnen (warme und kalte Seite) installiert werden, um die Temperaturentwicklung in den Brunnen zeitlich und tiefenorientiert auflösen zu können. Zusätzlich dazu sollen mobile One-Wire-Messketten angefertigt und verwendet werden, die kostengünstig und auch unter hohen Wasserdrücken langzeitstabil hochaufgelöste (1 m) präzise tiefenorientierte Temperaturmesswerte liefern. Des Weiteren sollen über einen Auftrag von EIFER zusätzliche Grundwassermessstellen (GWM) vor allem im Abstrombereich der Brunnen errichtet und mit Messtechnik zur Druck- und Temperaturaufzeichnung ausgestattet werden, um dauerhaft und hochaufgelöste Pegel- und Temperaturänderungen des Grundwassers zu erfassen. Ebenfalls sollen die Brunnenanlage des später errichteten Aquiferspeichers mit entsprechender Messtechnik ausgestattet werden, um dauerhaft Entnahme- und Einspeisetemperaturen zu überwachen. 

Thermische Einflüsse im Grundwasser können sich auf eine Veränderung der Grundwasserchemie, dem Redoxpotential, der Biodiversität und der Funktion des Ökosystems auswirken, wodurch nicht selten genehmigungsrechtliche Erschwernisse für oberflächennahe geothermische Vorhaben entstehen. Jedoch ist bislang unklar, wie genau die Grundwasserökologie auf Temperatur-veränderungen im Zusammenhang mit geothermischer Nutzung reagiert. Deshalb soll ein besonderes Augenmerk auf der Untersuchung und der Überwachung insbesondere der lokalen faunistischen und mikrobiellen Grundwasserökologie am Standort liegen. Dabei werden sowohl klassische Taxonomie als auch das für die Grundwasserfauna von der IGÖ und der TUK neu entwickelte UmweltDNA (eDNA)-Verfahren angewandt. Dafür soll zunächst die natürliche Grundwasserökologie beprobt und untersucht werden, um anschließend den Einfluss unterschiedlicher Speichertemperaturen am warmen und kalten Brunnen durch den ATES-Betrieb auf die faunistische Zusammensetzung und Vielfalt im Grundwasser analysieren zu können. Insbesondere die Regenerationsfähigkeit der Fauna und des Mikrobioms bei periodischer Reduzierung des thermischen Einflusses soll genau beobachtet werden. Außerdem soll analog zum ökologischen Monitoring die hydrogeochemische Zusammensetzung des Grundwassers in Abhängigkeit der jeweiligen Speichertemperaturen untersucht werden. 

Diese Ergebnisse sollen in enger Zusammenarbeit mit lokalen Wasserbehörden auf die aktuelle genehmigungsrechtliche Situation in Deutschland übertragen werden, mit dem vorrangigen Ziel, Handlungsempfehlungen für zukünftige ATES-Vorhaben in Deutschland ableiten zu können.

 Um den thermischen Energieaustausch zwischen Aquiferspeicher und des zu versorgenden Gebäudeareals zu ermitteln, sollen auf beiden Seiten der Wärmetauscher jeweils Energiezähler angebracht werden, um die Temperaturen und Förder- bzw. Durchflussmengen zeitlich hochaufgelöst aufzeichnen zu können. Dadurch lassen sich die wichtigsten Leistungskennziffern (KPI) eines ATES-Systems, darunter Speichereffizienz, energetische Wiedergewinnungsrate sowie die hydraulische und thermische Balance des messtechnisch bestimmen und quantifizieren.

Meilensteine

-          Abschluss des thermisch-hydraulischen Monitoringkonzepts

-          Abschluss des geochemischen und ökologisches Monitorings

- Abschluss des Energieflussmonitorings

Die wichtigsten Erkenntnisse aus der wissenschaftlichen Begleitung von Bau, Installation und Betrieb des Aquiferspeichers sollen in Form von Handlungsempfehlungen für zukünftige ATES-Vorhaben zusammengefasst werden. Diese sollen insbesondere die wasserrechtliche Genehmigung adressieren, mit dem Ziel, einheitlichere Vorgehensweisen umzusetzen und diese spezifischer für ATES-Vorhaben anwenden zu können. Basierend auf den Ergebnissen der Erkundung (AP1) sowie des ökologisch-geochemischen Monitorings (AP3) sollen im überregionalen Kontext diesbezüglich sensible Gebiete mit hohen Wärmebedarfsdichten sowie großem ATES-Nutzungspotential ermittelt werden, um daraus Schwellenwerte der thermischen Nutzung ableiten zu können. Des Weiteren sollen Empfehlungen aus den Erfahrungen des Projektes für die Integration von ATES in Bestandsgebäude abgeleitet werden. Daher sollen insbesondere die Erkenntnisse aus AP1, AP2, sowie AP3 als Grundlage für Handlungsempfehlungen dienen. Überdies sollen weitere mögliche Standorte im Rahmen der Projektlaufzeit ausfindig gemacht und bzgl. der Umsetzung eines Aquiferspeichers geprüft werden, um im Idealfall bereits während des Projekts mögliche Nachahmer-Vorhaben einzuleiten. 

Um dem Ziel des Wissenstransfers gerecht zu werden, sollen verschiedene Workshops mit externen Interessenten vorbereitet, organisiert und moderiert werden. Insgesamt sollen drei Workshops durchgeführt werden.

Um technische Erfolgsaussichten der Aquiferspeicherung in Deutschland besser einordnen zu können, ist es von besonderer Bedeutung diese Technologie mit vergleichbaren oberflächennahen geothermischen Systemen, die in Deutschland bereits etabliert sind, gegenüberzustellen. Daher sollen insbesondere die technischen Unterschiede, sowie wirtschaftliche und betriebliche Vor- und Nachteile der Aquiferspeicherung gegenüber offenen Brunnensysteme, Erdwärmesonden sowie anderen thermischen Speichertechnologien (z. B. Erdsondenspeicher, Erdbeckenspeicher etc.) ausgearbeitet werden. Außerdem soll das Marktpotenzial der ATES-Technologie für Deutschland untersucht und mit anderen europäischen Märkten verglichen werden.

Zur weiteren Sicherstellung des Wissenstransfers sollen die wichtigsten Erkenntnisse aus der Umsetzung und dem Betrieb des Aquiferspeichers auf wichtigen nationalen und internationalen Fachtagungen (z.B. Geothermiekongress, EGU Wien) vorgestellt werden. Des Weiteren sind internationale peer-reviewed und Open-Access-Veröffentlichungen geplant. Im Rahmen von Abschlussarbeiten und Vorlesungen am KIT werden die neuen Erkenntnisse zudem direkt in die Lehre eingebunden und den Studierenden zugänglich gemacht werden.

Meilensteine

-   Abschlussworkshop

- Veröffentlichungen