Abstract:
Aufgrund des jahreszeitlichen Versatzes zwischen Wärmeangebot und -nachfrage herrscht im Bereich der gemäßigten Klimazone weniger ein Energie- als ein Speicherproblem. Die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern, auch genannt Aquiferspeicherung (ATES), zeichnet sich im Vergleich zu anderen Speichertechnologien durch geringe Speicherkosten und hohe Speicherkapazitäten aus. Deshalb ist die Technologie in den vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus gerückt. Allerdings gibt es nur sehr wenige Informationen über die weltweite Verbreitung sowie die Art der Nutzung von ATES. ... mehrFolglich ist der Einfluss unterschiedlicher Marktbarrieren auf eine weltweite Kommerzialisierung der Technologie noch weitgehend unbekannt. Ziel der ersten Studie ist es deshalb, einen Überblick über die historische Entwicklung sowie die weltweite ATES Nutzung zu geben. Auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Konzepte und Nutzungsformen zusammengefasst und diskutiert. Mit einer 50-jährigen Entwicklungsgeschichte befinden sich derzeit weltweit mehr als 2.800 ATES Systeme im Einsatz. Über 99% aller ATES sind Niedrigtemperaturspeicher (LT-ATES) mit einer Speichertemperatur von < 25°C. 85% aller Aquiferspeicher befinden sich in den Niederlanden, weitere 10% in Schweden, Belgien und Dänemark. Diese Unterschiede in der globalen Aquiferspeicherentwicklung lassen sich weniger durch Untergrund-spezifische Faktoren, als vielmehr durch sozioökonomische und legislative Marktbarrieren erklären.
In Studie 2 wird basierend auf den Monitoringdaten von 73 niederländischen Anlagen die technischen Leistungsdaten und energetische Effizienz von LT-ATES untersucht sowie Optimierungsmöglichkeiten diskutiert. Mit einer durchschnittlichen Entnahmetemperatur von 10 °C im Sommer und rund 15 °C imWinter ist die Differenz zwischen Entnahme- und Einspeisetemperatur (DT) mit 3-4 K deutlich geringer als ursprünglich geplant. Dies ist weniger auf Speicherverluste im Untergrund, als auf eine ineffiziente Beladung des Speichers durch die gebäudeseitige Heizungs- und Klimatisierungsanlage zurückzuführen. Zudem wird im Durschnitt nur 50% des Untergrundes genutzt, der jeweils von der Genehmigungsbehörde für die geothermische Nutzung freigegeben wurde. Eine exakte Analyse des erwarteten Energieverbrauchs sowie ein effizientes Zusammenspiel zwischen ATES und Gebäude sind deshalb entscheidend um eine nachhaltige Nutzung von LT-ATES weltweit zu gewährleisten.
Im Gegensatz zu LT-ATES birgt die Speicherung von Temperaturen über 40-50 °C (HT-ATES) deutliche höhere Risiken. In Studie 3 werden deshalb potentielle Risken von HT-ATES Projekten basierend auf den Erfahrungen vergangener Projekte identifiziert und von Geothermieexperten analysiert. Eine online Umfrage unter 38 internationalen Experten hat gezeigt, das technische Risiken weniger kritisch eingeschätzt werden als insbesondere rechtliche, soziale oder organisatorische Risiken. Dies bestätigen die Erfahrungen aus vergangenen HT-ATES Projekten, wo hohe Wiedergewinnungsraten erzielt, und die technische Machbarkeit erfolgreich demonstriert werden konnte. Schwerwiegende Probleme waren dagegen häufig auf schwankende oder sinkende Energiebedarfe oder einen Verlust der Wärmequelle zurückzuführen. Bei einer zu erwarteten Laufzeit von über 30 Jahren, ist es deshalb entscheidend, ganzheitliche Energiekonzepte zu entwickeln, die sowohl sich verändernde Randbedingungen im Bereich der Wärmequelle, als auch Wärmesenke berücksichtigen. Ein projekt-spezifisches Risikomanagement ist deshalb essenziell und sollte auch in der Forschung stärker Berücksichtigung finden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aquiferspeicherung ein hohes Potenzial hat, bedeutende Energiemärkte zu erschließen. Sowohl im Bereich LT ATES als auch HT-ATES bedarf es allerdings weitere Forschung, um eine flächendeckende Kommerzialisierung voranzutreiben: Im Niedrigtemperaturbereich sollten zukünftige Studien darauf abzielen, die Betriebseffizienz weiter zu optimieren. Dies betrifft (1) die Interaktion zwischen Untergrund und Gebäude sowie (2) ein urbanes Untergrundmanagement, wo durch die Schaffung von Synergien benachbarter Untergrundnutzer der verfügbare Raum noch nachhaltiger genutzt werden soll. Für HT-ATES sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich um die betriebliche Stabilität zu erhöhen. Die Forschung sollte sich daher nicht nur auf die Gestaltung des Untergrundes konzentrieren, sondern auch auf die Entwicklung von ganzheitlichen Energiekonzepten. Dies sollte auch die Identifizierung potentieller Wärmequellen und -senken sowie die Berücksichtigung langfristiger politischer, technischer und gesetzlicher Änderungen während einer ATES-Lebensdauer von 30 Jahren umfassen.
Abstract (englisch):
Renewable heat sources are intermittent in nature, which is why they are characterized by an abundant but limited instantaneous availability. Peak time shaving and shifting by thermal energy storage are thus considered as a key to the transition of the heating and cooling sector from fossil-based to zero-carbon. To balance the temporal variations in the availability and demand, Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) is characterized by high storage capacities and low storage costs and is, therefore, drawing growing attention. However, only very little is known about global application and distribution of ATES. ... mehrConsequently, barriers and driving forces for a global technology adoption are still not comprehensively understood.
In order to provide a clear picture of ATES technology, the first study reviews the historical development and current application status worldwide. Based on a holistic literature review, different concepts and designs developed over time are summarized and discussed. With a 50-year history of research and development (R&D), there are currently more than 2,800 ATES systems in operation worldwide. 99% are low temperature systems (LT-ATES) with storage temperatures of < 25 °C. Most of these systems (85%) are located in the Netherlands, and a further 10% are found in Sweden, Denmark, and Belgium. The great discrepancy in global ATES development is attributed to several market barriers that impede market penetration. Such barriers are mainly of socio-economic and legislative nature.
With respect to the identified market barriers, study 2 aims at facilitating global technology adoption by evaluating the technical performance of LT-ATES in the Netherlands. Based on the monitoring data of 73 Dutch LT-ATES systems, operational characteristics are identified and the optimization potential is discussed. With abstraction temperatures of 10 °C in summer and 15 °C in winter, the temperature difference ($\Delta$T) between abstraction and injection is by 3-4 K lower compared to the optimal design value. This can be mainly explained by insufficient charging of the ATES by the heating and cooling system. In addition, the monitored ATES store only 50% of the capacities originally licensed by the authorities. To allow LT-ATES to be sustainably applied on a global scale, the interaction between subsurface and building has to be optimized by a holistic design and monitoring of the entire energy system.
In contrast to LT-ATES, the storage of temperatures higher than 40-50 °C (HT) faces multidisciplinary risks. However, no attempt was made to identify and assess all potential risks of geothermal and in particular HT-ATES projects. Hence, in the third study, risks of HT-ATES projects are identified based on the experiences made in the past and analyzed by experts from the field of geothermal energy. An online survey among 38 international experts revealed that technical risks are expected to be less critical than, in particular, legal, social and organizational risks. This is confirmed by the lessons learned from past HT-ATES projects, where high heat recovery values were achieved, and technical feasibility was demonstrated. Critical issues were, however, primarily attributed to a loss of the heat source and fluctuating or decreasing heating demands. When considering a lifetime of more than 30 years, it is crucial to develop holistic energy concepts that account for changing boundary conditions both for heat sources and heat sinks. A project-specific risk management is, therefore, indispensable and should be addressed in future HT-ATES projects.
Within the scope of this thesis, a clear picture of ATES technology was developed, showing that ATES technology has a high potential to tackle significant energy markets. Further research is, however, required to facilitate market penetration of both the LT- and HT-ATES technology. For LT-ATES, future studies should strive to optimize operational efficiency by (1) enhancing the subsurface-building interaction and by (2) facilitating urban underground planning by creating synergies between common subsurface users, particularly in areas with high population densities. For HT-ATES, more research is required to increase operational robustness. Research should, therefore, not only focus on subsurface design, but also on the development of holistic energy concepts. This should also include the identification of potential heat sources and sinks and should, in addition, consider of long-term political, technical and legislative changes during an expected ATES lifetime of 30 years.
