Hintergrund des Projekts
Die Wärmewende braucht den massiven Zubau von Speicherkapazitäten. Insbesondere in großen städtischen Fernwärmenetzen werden mit zunehmenden erneuerbaren Wärmeerzeugern saisonale Großwärmespeicher benötigt.
Um den saisonalen Versatz zwischen Wärmeerzeugung und -nachfrage in dekarbonisierten Fernwärmesystemen mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien zu überwinden, ist speziell die Erforschung von Großwärmespeichern in urbanen Wärmeversorgungsstrukturen elementar.
- die Effizienz von erneuerbaren Wärmeerzeugern erhöhen
- kontinuierlich anfallende Abwärmeströme (z.B. aus Industrie, Müllverbrennung, Rechenzentren, Umweltwärme) einbinden
- eine verstärkte Nutzung von sommerlichem Überschussstrom ermöglichen, indem Stromspitzen durch Power-to-Heat-Anlagen in den Wärmesektor verschoben und durch die Speicherung nutzbar gemacht werden.
Warum Aquiferspeicher?
Im Fokus der internationalen Forschung zu Großwärmespeichern in Fernwärmenetzen stehen vier Speichertypen. Von denen verursacht die Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern (Aquiferen, engl. ATES Aquifer Thermal Energy Storage) bei passender Geologie die geringsten Speicherkosten.
Darüber hinaus können Aquiferspeicher den städtischen geologischen Untergrund nutzen und erreichen dadurch eine hohe obertägige Flächeneffizienz. Somit eignen sich Aquiferspeicher für die kostengünstige Bereitstellung großer Energiemengen im urbanen Raum mit hoher Flächennutzungskonkurrenz.
Was genau wird untersucht?
Standortspezifische Analysen
Im Zentrum des Vorhabens steht die Analyse konkreter Fernwärmenetze in allen drei Regionen in Deutschland, die für die Wärme- und Kältespeicherung in Aquiferen prinzipiell geeignet sind: Norddeutsches Becken, süddeutsches Molassebecken, Oberrheingraben. Aus jeder dieser Regionen ist ein Fernwärmeunternehmen sowie ein:e Expert:in für die Geologie eingebunden.
Lösungsansätze für die Integration von Aquiferspeichern
Je nach Speicherformation und der vorhandenen Fernwärmeinfrastruktur sollen im Projektverlauf passgenaue Lösungsansätze für die Integration von Aquiferspeichern in urbanen Wärmeversorgungskonzepten erarbeitet werden. Dies betrifft variierende Komponenten (z.B. mit und ohne P2H-Anwendung und Leistungsspeicher), Temperaturniveaus (z.B. Hochtemperatur-Wärmespeicher) und Leistungsanforderungen (z.B. eine oder mehrere Dubletten).
Was genau wird untersucht?
Standortspezifische Analysen
Im Zentrum des Vorhabens steht die Analyse konkreter Fernwärmenetze in allen drei Regionen in Deutschland, die für die Wärme- und Kältespeicherung in Aquiferen prinzipiell geeignet sind: Norddeutsches Becken, süddeutsches Molassebecken, Oberrheingraben. Aus jeder dieser Regionen ist ein Fernwärmeunternehmen sowie ein:e Expert:in für die Geologie eingebunden.
Lösungsansätze für die Integration von Aquiferspeichern
Je nach Speicherformation und der vorhandenen Fernwärmeinfrastruktur sollen im Projektverlauf passgenaue Lösungsansätze für die Integration von Aquiferspeichern in urbanen Wärmeversorgungskonzepten erarbeitet werden. Dies betrifft variierende Komponenten (z.B. mit und ohne P2H-Anwendung und Leistungsspeicher), Temperaturniveaus (z.B. Hochtemperatur-Wärmespeicher) und Leistungsanforderungen (z.B. eine oder mehrere Dubletten).
Entwicklung von Speichersystemen
Auf Basis von geologischen und hydrogeologischen Voruntersuchungen sollen Speicherkonzepte entwickelt und simuliert werden, die den Anforderungen des Fernwärmenetzes in bestmöglicher Art und Weise genügen.
Ziel ist, für Fernwärmenetze mit hohen Vorlauftemperaturen Speichersysteme – also einen Verbund aus Aquiferspeicher, Wärmepumpe(n), Power-to-Heat-Anlage und/oder Leistungsspeicher – zu erarbeiten
Ein Fokus liegt somit auf der detaillierten Ausarbeitung des Zusammenwirkens von Aquiferspeicher und weiteren Komponenten, damit das Speichersystem in rechtlich genehmigungsfähiger Weise optimal im Erzeugungspark des Fernwärmenetzes eingesetzt werden kann.
Welche Ziele stehen hinter dem Projekt?
Die regional-spezifischen Analysen und Simulationen zielen darauf ab, übertragbare Kriterien für das Einbinden von Aquiferspeichern in urbane Wärmeversorgungskonzepte ableiten zu können.
Im Ergebnis soll das Projekt Antworten liefern, welchen Beitrag Aquiferspeicher im Kontext der Transformation und Dekarbonisierung von Wärmenetzen aus technischer Sicht leisten können und welche marktlichen Rahmenbedingungen dafür notwendig sind.
Die Kombination und konkrete Dimensionierung der Fernwärme-Schlüsseltechnologien Aquiferspeicher und Großwärmepumpe soll Energieversorgungsunternehmen in die Lage versetzen, das Potenzial von ATES-Systemen in ihrem zukünftigen Fernwärme-Erzeugermix besser abzuschätzen.
Wie ist das Projekt aufgebaut?
Das Forschungsvorhaben verfolgt einen ganzheitlichen und interdisziplinären Ansatz, um die Möglichkeiten und Grenzen von ATES-Systemen integral beurteilen zu können. Die vier Verbundpartner Hamburg Institut, Öko-Institut, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg und Geothermie Neubrandenburg bündeln wissenschaftliche, technische und energiewirtschaftliche Expertise.
OptInAquiFer ist in drei Teilprojekte untergliedert – jedes davon wird schwerpunktmäßig von einem bzw. zwei Verbundpartnern bearbeitet. Inhaltlich eng verzahnt, werden die Ergebnisse der einzelnen Teilvorhaben im Projektverlauf zusammengeführt.
Das Forschungsprojekt deckt die drei wesentlichen geothermischen Regionen Deutschlands ab. Für einen möglichst hohen Praxisbezug sind drei Fernwärmeunternehmen – eine pro Region – in das Vorhaben eingebunden.
Das Hamburg Institut übernimmt als Konsortialführer das Projektmanagement, die Koordination der Arbeiten der beteiligten Partner und die Kommunikation mit dem Mittelgeber sowie anderen öffentlich geförderten Projekten.
Die drei Teilprojekte
1. Geologische Rahmenbedingungen für die thermische Speicherung im Untergrund
Ziel dieses Teilvorhabens ist, die geologischen Bedingungen für eine thermische Speicherung in den geothermischen Provinzen des Süddeutschen Molassebeckens, des Oberrheingrabens sowie des Norddeutschen Beckens zu untersuchen.
Betrachtet werden hierbei die Tiefenbereiche unterhalb der für die Trinkwassergewinnung genutzten Horizonte und ca. 1.500 m uGel. Geologische Untergrundmodelle bilden die Grundlage für eine Simulation des Be- und Entladeverhaltens eines modellhaften Speichers an den ausgewählten Modellstandorten.
Grundlage der Arbeiten bilden zunächst regionalgeologische Daten und Publikationen, die an den Modellstandorten durch lokale Daten (Bohrungsdaten und evtl. Untergrundmodelle) detailliert werden. Die Ergebnisse der Simulationen fließen in die Auslegung, Modellierung, Simulation und Bewertung von thermischen Untergrundspeichern (Teilprojekt 2) ein.
Die drei Teilprojekte
1. Geologische Rahmenbedingungen für die thermische Speicherung im Untergrund
Ziel dieses Teilvorhabens ist, die geologischen Bedingungen für eine thermische Speicherung in den geothermischen Provinzen des Süddeutschen Molassebeckens, des Oberrheingrabens sowie des Norddeutschen Beckens zu untersuchen.
Betrachtet werden hierbei die Tiefenbereiche unterhalb der für die Trinkwassergewinnung genutzten Horizonte und ca. 1.500 m uGel. Geologische Untergrundmodelle bilden die Grundlage für eine Simulation des Be- und Entladeverhaltens eines modellhaften Speichers an den ausgewählten Modellstandorten.
Grundlage der Arbeiten bilden zunächst regionalgeologische Daten und Publikationen, die an den Modellstandorten durch lokale Daten (Bohrungsdaten und evtl. Untergrundmodelle) detailliert werden. Die Ergebnisse der Simulationen fließen in die Auslegung, Modellierung, Simulation und Bewertung von thermischen Untergrundspeichern (Teilprojekt 2) ein.
2. Optimierte Speichereinbindung in Wärmenetze
Der zweite Forschungsschwerpunkt hat zum Ziel, geeignete Speichersysteme für konkrete Fernwärmenetze detailliert auszulegen und in ein Modell zu überführen.
Unter Berücksichtigung der geologischen und netzhydraulischen Randbedingungen werden Aquiferspeichersysteme simuliert und unter energetischer Maßgabe optimiert.
Als Ergebnis sollen spezifische technologische und wirtschaftlich bewertete ATES-Systemlösungen für die Fernwärme vorliegen. Die Erkenntnisse aus der ganzheitlichen Betrachtung werden mit allen Forschungspartnern zusammengeführt. Zudem werden in diesem Teilvorhaben Empfehlungen erarbeitet, wie Antragstellende und Genehmigungsbehörden den Genehmigungsprozess möglichst effizient und planbarer gestalten können.
2. Optimierte Speichereinbindung in Wärmenetze
Der zweite Forschungsschwerpunkt hat zum Ziel, geeignete Speichersysteme für konkrete Fernwärmenetze detailliert auszulegen und in ein Modell zu überführen.
Unter Berücksichtigung der geologischen und netzhydraulischen Randbedingungen werden Aquiferspeichersysteme simuliert und unter energetischer Maßgabe optimiert.
Als Ergebnis sollen spezifische technologische und wirtschaftlich bewertete ATES-Systemlösungen für die Fernwärme vorliegen. Die Erkenntnisse aus der ganzheitlichen Betrachtung werden mit allen Forschungspartnern zusammengeführt. Zudem werden in diesem Teilvorhaben Empfehlungen erarbeitet, wie Antragstellende und Genehmigungsbehörden den Genehmigungsprozess möglichst effizient und planbarer gestalten können.
3. Optimierter Einsatz von Aquiferspeichern in bestehenden Wärmenetzen
Kern dieses Teilvorhabens ist die Analyse der Eignung und des Nutzens eines Aquiferspeichers für große urbane Wärmenetze. Neben erreichbaren Emissionsminderungen und Verbesserungen hinsichtlich der Einbindungs- und Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Wärme und unvermeidbarer Abwärme werden Betriebs- und Wärmegestehungskosten berechnet und bewertet.
Letztlich wird das Ziel verfolgt, durch die Einbindung von Aquiferspeichern einen möglichst optimalen Einsatz hinsichtlich Gesamtkosten und CO2-Einsparung auf Wärmenetzebene zu erreichen.
Auf Grundlage der simulierten Kapazitäts-, Leistungs- und Effizienzuntersuchungen wird die Frage beantwortet, welchen Beitrag Untergrundspeicher in Abhängigkeit der Ausgestaltung im Rahmen der geplanten Transformationsstrategie leisten kann.
3. Optimierter Einsatz von Aquiferspeichern in bestehenden Wärmenetzen
Kern dieses Teilvorhabens ist die Analyse der Eignung und des Nutzens eines Aquiferspeichers für große urbane Wärmenetze. Neben erreichbaren Emissionsminderungen und Verbesserungen hinsichtlich der Einbindungs- und Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Wärme und unvermeidbarer Abwärme werden Betriebs- und Wärmegestehungskosten berechnet und bewertet.
Letztlich wird das Ziel verfolgt, durch die Einbindung von Aquiferspeichern einen möglichst optimalen Einsatz hinsichtlich Gesamtkosten und CO2-Einsparung auf Wärmenetzebene zu erreichen.
Auf Grundlage der simulierten Kapazitäts-, Leistungs- und Effizienzuntersuchungen wird die Frage beantwortet, welchen Beitrag Untergrundspeicher in Abhängigkeit der Ausgestaltung im Rahmen der geplanten Transformationsstrategie leisten kann.