Erdbecken-Wärmespeicher eine weitgehend ungenutzte Option - AG E+U

Warum wird nicht die Wärmespeicherung im großen Stile propagiert und gefördert, anstatt sich über die Hitzewellen zu beklagen und verstärkte Klimaschutzmaßnahmen zu fordern? Mit großen Erdbecken-Wärmespeicher liegen praktische Erfahrungen vor.

Etwa 12 Prozent des Heizungs- und Warmwasserbedarfs in Europa wird durch Fernwärmesysteme gedeckt. Die Gaskrise in Deutschland gab den Betreibern von Fernwärmesystemen einen starken Impuls nach zuverlässigen und nachhaltigen alternativen Wärmequellen wie Solarthermie, Abwärme und Erdwärme zu suchen. Der Ausbau und die Einbeziehung erneuerbarer Energiequellen in Fernwärmesysteme ist nur möglich, wenn große thermische Energiespeicher (Large Thermal Energy Storages – LTES) in das Gesamtsystem integriert werden.

Große thermische Energiespeicher sind noch nicht sehr weit verbreitet. Die meisten Erfahrungen liegen mit thermischen Erdbecken-Speichern, die in den letzten 20 Jahren in Dänemark gebaut wurden und mit thermischen Aquifer-Energiespeichern in den Niederlanden vor.

Von 2011 bis 2017 wurden in Dänemark fünf Erdbecken-Wärmespeicher im Großmaßstab nach zwei unterschiedlichen Konzepten umgesetzt. Marstal (75.000 m³) und Dronninglund (60.000 m³) verwendeten PE-Matten (Polyethylen) als Dämmmaterial für die Abdeckung und Gram (125.000 m³), Vojens (210.000 m³) und Toftlund (85.000 m³) verwendeten Blähton als Dämmmaterial. Aufgrund billigerer Preise für Solarkollektoren und Speicherkomponenten und unter der Voraussetzung der höchsten Erdgassteuer in ganz Europa, war es nun möglich, in Dänemark Wärme zum selben Preis wie Wärme aus erdgasbefeuerten KWK-Anlagen zu erzeugen [1]. Angaben zu den erwähnten Speichern sind der Tabelle am Ende dieses Artikels zu entnehmen [2].

„Die Kombination aus Solarthermie und Speicher hat üblicherweise ein bis zwei Speicherzyklen pro Jahr. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Speicherzyklen, z.B. als Kurzzeitspeicher für KWK-Anlagen, können jedoch die Kosten entsprechend gesenkt werden. Zudem werden die Speicher wirtschaftlicher, wenn die gespeicherte Energie aus Überschusswärme von beispielsweise Müllverbrennungsanlagen und Industrieanlagen stammt. Erdbecken-Wärmespeicher werden auch eingesetzt, um Spitzenlasten abzudecken. Alles in allem können Erdbecken-Wärmespeicher in solchen hybriden Energiesystemen fossile Brennstoffe zu fast 100 % ersetzen und damit Fernwärmeversorgungsunternehmen entscheidend dabei helfen klimaneutral zu werden“ [1].

Ein Beispiel dafür findet sich in Kopenhagen, wo Høje Taastrup Fjernvarme und VEKS einen 70.000 m³ Speicher bauen. Auch Fjernvarme Fyn (700.000 m³ in Phase 1 und 350.000 m³ in Phase 2) haben Ausschreibungsverfahren für Erdbecken-Wärmespeicher gestartet, um ihren Wärmeverbrauch nachhaltiger und flexibler zu gestalten [1].

Speicher werden in Zeiten mit hohem Anteil an erneuerbarem Strom durch den Einsatz von Wärmepumpen und Elektrokesseln geladen und in Zeiten mit niedrigem Anteil an erneuerbaren Strom entladen. Fjernvarme Fyn ist das drittgrößte Fernwärmeunternehmen in Dänemark und produziert ca. 9.500 TJ Wärme/Jahr und versorgt damit mehr als 100.000 Kunden. Ihr Kohleverbrauch lag 2009 bei 900.000 Tonnen und wird 2022 voraussichtlich bei null liegen.

In einem Projekt des Energiespeicherprogramms der Internationalen Energieagentur (IEA ES Task39) arbeiten internationale Experten mit dem Ziel zusammen, Lösungen für die Verbesserung und Integration von LTES-Technologien für Fernwärmesysteme zu erarbeiten. Im Rahmen des Task39, der im Oktober 2021 begann und im Oktober 2023 endet, wird an LTES-Materialien an der numerischen Simulation kompletter Wärmespeicher und an der Sammlung und Verbreitung von Informationen für verschiedene Interessengruppen gearbeitet, um sie optimal über die Möglichkeiten und Grenzen von LTES-Technologien zu informieren. Darüber hinaus tauschen sich die Experten auch über die Herausforderungen aus, die sich beim Bau von LTES-Systemen in besiedelten Gebieten ergeben [3].

Thermische Energiespeicherung (Thermal Energy Storage, TES) ist eine Schlüsseltechnologie für die Realisierung eines kohlenstoffneutralen Energiesystems, heißt es bei IEA [4]. Fernwärme ist eine ausgereifte Technologie für die Beheizung der bebauten Umwelt, insbesondere in Großstädten. Großtechnische thermische Energiespeichersysteme sind notwendig, um die Fernwärmesysteme weiter zu dekarbonisieren und einen flexibleren Betrieb zu ermöglichen. LTES werden benötigt, um die spezifischen Kosten der Speichertechnologie weiter zu senken und Speicherkapazitäten zu haben, die besser für die Größen größerer Fernwärmesysteme geeignet sind. Gegenwärtige Erfahrungen mit TES für die Integration in Fernwärme liegen bei der Nutzung von Gruben-Wärmespeichersystemen (PTES) bis zu 200.000 m³ und von Tank-Wärmespeichern (TTES) bis zu 50.000 m³ [4]: