nt 04 | 2024 Infrastrukturen der Zukunft: Wärmespeicher XXL
Erforschung von Großwärmespeichern im urbanen Raum zur Dekarbonisierung der Fernwärme
Lisa Sophie Weginger, Helene Mooslechner, Rusbeh Rezania
Damit Wien in Zukunft klimaneutral und unabhängig von fossiler Energie wird, braucht es nachhaltige Energiequellen. Von allen analysierten Sektoren erfordert der Wärmebereich (Niedertemperaturwärme, das heißt Raumwärme und Warmwasser) die größten Investitionen innerhalb Wiens zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele. Insbesondere die in Wien verbreiteten wohnungsindividuellen Gasthermen sind ab 2040 nicht mehr vorgesehen. Die Dekarbonisierung wird daher nur durch einen umfangreichen Systemwechsel bei Heizen und Warmwasser erreicht. Die Fernwärme spielt dabei eine wesentliche Rolle, während Grüngas in der Individualwärme weitestgehend nicht zum Einsatz kommen soll.
Schema Erdbeckenspeicher im Projekt „ScaleUp“. Quelle: Wien Energie
2040 sollen 56 Prozent des Wärmebedarfs in Wien über die Fernwärme abgedeckt werden. Während die Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen heute rund 52 Prozent der Fernwärmeproduktion ausmachen, soll ihr Anteil 2040 nur mehr bei 13 Prozent liegen. Ab den 2030-er Jahren werden diese zunehmend mit Grünem Gas betrieben und erreichen so bis 2040 Null-Emissionen. Auch der Anteil an Heizkraftwerken wird massiv zurückgehen, während der Anteil an Wärmeproduktion aus Müllverbrennungsanlagen gleichbleiben wird. Um die Wärme aus den KWK-Anlagen und Heizkraftwerken ersetzen zu können, spielt neben der Tiefengeothermie die Großwärmepumpentechnologie eine wichtige Rolle. Zusammen werden diese beiden Technologien mehr als die Hälfte der Fernwärme in Wien produzieren.
Durch die Nutzbarmachung von lokalen Abwärmequellen mittels Großwärmepumpen und dem Ausbau von Geothermie-Anlagen, welche ganzjährig Wärme produzieren, entsteht in den Sommermonaten ein Überschuss an erneuerbar erzeugter Wärme, der nicht genutzt werden kann. Um diesen Überschuss nutzbar zu machen, spielen saisonale Großwärmespeicher eine zentrale Rolle, da durch diese die überschüssige Wärme aus den Sommermonaten langfristig zwischengespeichert und somit in den Wintermonaten genutzt werden kann, wodurch die Flexibilität des Systems erhöht wird. Wien Energie setzt bei saisonalen Wärmespeichern auf zwei Technologien. Zum einen auf innovative Erdbeckenspeicher und zum anderen auf Aquifer-Speicher (Aquifer Thermal Energy Storage - ATES). Da beide Technologien noch nicht den notwendig Technologiereifegrad für eine großtechnische Umsetzung haben, wurden für beide Technologien Forschungsprojekte aufgesetzt. Während bei der Technologie ATES aktuell noch das FFG-Forschungsprojekt „ATES Vienna“ läuft, wurde für die Technologie Erdbeckenspeicher ein erstes Forschungsprojekt bereits im Jahr 2021 abgeschlossen. Unter dem Projektnamen „ScaleUp“ wurde gleich anschließend im Jahr 2021 eine Konzeptionierung und Vorstudie mit den Ergebnissen des Forschungsprojektes, angewendet auf einen konkreten Standort der Wien Energie, durchgeführt und daraufhin wurde 2023 ein Folge-FFG-Forschungsprojekt namens „ScaleUp“ aufgesetzt.
Schema Aquiferspeicher. Quelle: Wien Energie
ScaleUp - Innovativer Erdbeckenspeicher
Im aktuell laufenden Forschungsprojekt ScaleUp soll zusammen mit den Projektpartnern PORR, GeoSphere Austria, AEE INTEC und ste.p der Weg für die Realisierung einer Pilotanlage mit einem Speichervolumen von 40 000 m³ geebnet werden. ScaleUp verfolgt das langfristige Ziel einen saisonalen Erbeckenspeicher im Untergrund mit benutzbarer Deckeloberfläche zu entwickeln, sodass im urbanen Bereich das Stadtbild erhalten bleibt und die Flächen, die für die Errichtung des Wärmespeichers benötigt werden, nutzbar bleiben. Damit sich das Grundwasser und das Erdreich nicht durch den Wärmeaustrag des Mediums (Wasser) erwärmen und der Wirkungsgrad der Anlage hoch ist, werden für den Speicher im Rahmen des Forschungsprojektes unter anderem der Wandaufbau und neuartige Dämmmaterialen für den Speicher erforscht. Für die angedachte benutzbare Deckeloberfläche wurde ein Modell (Maßstab 1:4) errichtet und ausführlich getestet. Außerdem werden die Aspekte der Systemintegration in das Fernwärmenetz eines solchen Speichers beleuchtet, ein Monitoringkonzept für die Anlage, aber auch für die Umweltaspekte entwickelt und umweltrelevante, sowie geologische Themen betrachtet. Das Ziel ist es, die Pilotanlage bis 2029 zu errichten. Das entwickelte Konzept für die Pilotanlage soll noch im Rahmen des Forschungsprojektes (Laufzeit bis 2026) hochskaliert werden, sodass langfristig, nachdem mit der Pilotanlage Erfahrungswerte gesammelt wurden, die Realisierung von saisonalen Speichern mit mehreren 100 000m³ ermöglicht wird.
ATES Vienna - Aquifer Thermal Energy Storage
Im Forschungsprojekt „ATES Vienna“ arbeitet Wien Energie gemeinsam mit den Partnern GeoSphere Austria, Geo5, Heinemann Oil, AEE INTEC und dem Austrian Institute of Technology daran, die Einsatzmöglichkeiten von Aquiferspeichern im städtischen Bereich zu erforschen, um überschüssige Wärme im Untergrund zu speichern.
Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher (HT-ATES, >60 °C) sind aus technologischer Sicht entscheidend für die Dekarbonisierung der Fernwärme. Diese Technologie nutzt Thermalwasservorkommen in Tiefen von 600 bis 3 000 Metern, die nicht für die Trinkwassergewinnung geeignet sind. Ähnlich wie bei Geothermie-Anlagen bestehen ATES-Systeme aus einer oder mehreren Förder- und Injektionsbohrungen. Der Hauptunterschied liegt darin, dass bei ATES-Anlagen die Fließrichtung des Wassers in der Regel umgekehrt werden kann (Push-Pull-Verfahren). Dafür ist es notwendig, in beiden Bohrungen jeweils eine Förderpumpe zu installieren.
Im Sommer wird Thermalwasser aus einem unterirdischen Reservoir gefördert und mithilfe überschüssiger Wärme über einen Wärmetauscher erhitzt. Anschließend wird das erwärmte Wasser durch eine zweite Bohrung zurück in dasselbe Reservoir geleitet, um die Wärme im Untergrund zu speichern.
Entwicklung von Wärmespeicherprojekten. Quelle: Wien Energie
Durch die Umkehrung der Fließrichtung im Winter wird das heiße Thermalwasser wieder an die Oberfläche gefördert und für die Wärmeversorgung genutzt. Ein wesentlicher Vorteil von ATES liegt im geringen Oberflächenbedarf, weshalb diese Speichertechnologie vor allem für urbane Gebiete interessant ist.
Im Rahmen des Forschungsprojekts ATES Vienna werden auf Basis der bereits vorliegenden Explorationsdaten aus dem Projekt GeoTief Wien potenzielle ATES-Lagerstätten bewertet und charakterisiert. Mithilfe thermischer, hydraulischer und chemischer Prozessmodellierungen werden die Speichereigenschaften dieser Lagerstätten untersucht und die verfügbaren Kapazitäten abgeschätzt. Anhand der geologischen Analysen und Simulationen werden potenzielle Standorte für die Errichtung einer Pilotanlage sowie für künftige Speicheranlagen ermittelt.
Des Weiteren wird in ATES Vienna ein technisches Konzept für die Durchführung eines Fördertestprogramms im Rahmen einer Pilotanlage entwickelt. Dieses Konzept umfasst unter anderem die Bohrplanung sowie die Planung der oberirdischen Anlagen. Zudem wird ein technisches Konzept für eine voll funktionsfähige ATES-Anlage erstellt, die in das bestehende Fernwärmenetz integriert werden kann.
Beide Forschungsprojekte beinhalten auch eine wirtschaftliche Analyse der jeweiligen Technologie. Dabei wird die betriebliche, wirtschaftliche und ökologische Relevanz der ATES-Anlage bzw. Erdbeckenspeicher-Anlage sowie anderer erneuerbarer Energietechnologien in einem Gesamtportfolio der Fernwärmeerzeuger simuliert und bewertet.
Die Ergebnisse der beiden Wärmespeicher-Projekte legen den Grundstein für die zukünftige erneuerbare Wärmeversorgung in urbanen Ballungsräumen und sind eine der Schlüsseltechnologien zur Dekarbonisierung der Fernwärme.
Die Forschungsarbeiten werden vom Klima- und Energiefonds und von der EIB (European Investment Bank) unterstützt und vom Green Energy Lab begleitet.
Kommentar
"Die vollständige Dekarbonisierung der Fernwärme kann unter anderem mit der Integration saisonaler Wärmespeicher erfolgen. Damit kann etwa die überschüssige Wärme aus den Sommermonaten für die kalten Jahreszeiten zur Verfügung gestellt werden. Um die Entwicklung solcher Wärmespeicher voranzutreiben, sind Forschungsaktivitäten, aber auch Investitionsförderungen wichtig."
Karl Gruber, Geschäftsführer Wien Energie GmbH. Foto: Wien Energie / Stefan Joham
Weiterführende Informationen
Autor*innen
Dipl.-Ing.in Lisa Sophie Weginger, Projektleitung Strategische Fernwärmeprojekte, Wien Energie GmbH Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing.in Helene Mooslechner, Projektmanagerin Tiefengeothermie, deeep Tiefengeothermie GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Dr. Rusbeh Rezania, Abteilungsleiter Ausbau erneuerbare Fernwärmeversorgung, Wien Energie GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!