Entwicklung und Monitoring saisonaler Wärme- und Kältespeicherung zur Demonstration eines Aquiferspeichers in Deutschland

Zur Dekarbonisierung des Wärmesektors in Gebäuden und urbanen Quartieren kann die Nutzung des Grundwassers als Träger thermischer Energie eine wichtige Rolle spielen. Mit sogenannten ATES-Systemen (Aquifer Thermal Energy Storage) wird Wärme- und Kälteenergie aus einem Grundwasserleiter (Aquifer) zur Gebäudeversorgung genutzt und saisonal gespeichert.

Im Rahmen des Forschungsprojektes DemoSpeicher sollen die Machbarkeit und Grenzen einer urbanen ATES-Anlage in Deutschland ermittelt werden. Hierzu wird eine Demonstrationsanlage errichtet und dessen thermisch-hydraulischer, geochemischer sowie ökologischer Einfluss auf den Untergrund wissenschaftlich begleitet.

Als Projektstandort wurde ein Hinterhof in Berlin-Mitte ausgewählt. Ein klassisches Doublettensystem war auf diesem kleinen Grundstück nicht möglich. Für dicht bebaute Gebiete eignet sich daher ein Koaxialsystem bzw. Grundwasserzirkulationsbrunnen (GWZB), der aus nur einer Bohrung besteht (siehe Skizze oben): Im Sommer wird Grundwasser dem Aquifer vom unteren Ende des Brunnens entnommen und zum Kühlen der Gebäude verwendet. Mit der Abwärme und einem Wärmetauscher wird das Wasser erwärmt und in eine flachere Schicht des Aquifers zurückgepumpt. Auch im Winter wird das Grundwasser vom Brunnenende entnommen um mittels einer Wärmepumpe das Gebäude zu beheizen. Die Wärmepumpe entzieht dem Grundwasser Wärme, das abgekühlte Wasser wird wieder in den oberen Bereich des Aquifers eingeleitet. Im Aquifer zirkuliert das Grundwasser vertikal nach unten und tauscht thermische Energie aus. Diese Lösung stellt noch keinen vollständigen Aquiferspeicher dar, jedoch wird der saisonale Versatz des Wärmebedarfs reduziert. Eine ausgeglichene Jahresbilanz zwischen Wärmeentnahme- und abgabe ist notwendig, sodass ein Überschuss an Wärmeabgabe an das Grundwasser vermieden wird. Der saisonal erzeugte Temperaturunterschied im Aquifer liegt bei den zulässigen +/-3°C. 

Der GWZB versorgt ein bestehendes Bürogebäude, das energetisch saniert wurde. Das Brunnensystem dient dabei als Wärme- und Kältequelle und ist grundlastfähig. 

Die Bohrungen für den GWZB sowie die im Abstand von 2 m liegende Grundwassermessstelle (GWM1) sind jeweils 27 m tief und haben einen Durchmesser von 22 cm (siehe Abbildungen). An GWZB und GWM1 wurden faseroptische Kabel zur tiefendifferenzierten Temperaturmessung (DTS) installiert. Der Brunnenschacht ist an einen Unterflurverteiler gekoppelt, der die Sensorik zur Messung von Druck, Volumenstrom, Vor- und Rücklauftemperatur und weiteren Betriebsdaten enthält. In dem Hinterhof befinden sich noch zwei ältere Messstellen (10 m und 21 m tief), die ebenfalls mit Druck- und Temperatursensoren ausgestattet wurden.