Energetische Bilanzierung & Speichereffizienz

Für  die  energetische  Bilanzierung  wurden  die  eingespeicherten  und  produzierten  Energien  für  jeden  Speicher‐Heiz‐Zyklus berechnet. Da die Leistung des Speichers aufgrund variabler Temperaturspreizungen  nicht  konstant  ist,  ergeben  sich  die  gespeicherten  und  produzierten  Energien  aus  dem  Intergral  der  Leistung  über  je  175  Tage.  In  Abb.  17  sind  die  eingespeicherten  und  produzierten  Energien  über  10  Einzeljahre (Speicher‐Heiz‐Zyklen) für verschiedene Fließraten und Wärmeauskopplungen dargestellt. 

Generell lässt sich feststellen, dass die eingespeicherte und produzierte Energie bei größeren Fließraten  und  Wärmeauskopplungen  ansteigt.  Abgesehen  von  der  ersten  Speicherphase  ist  die  jährlich  eingespeicherte  Energiemenge,  unabhängig  von  der  gewählten  Temperaturspreizung  und  Fließrate,  relativ  konstant  über  10  Jahre.  Die  jährlich  eingespeicherte  Energie  schwankt  bei  einer  Temperaturspreizung von 

 30 K zwischen ca. 2,9 (5 l/s) und 22,5 GWh (40 l/s), 

 38,4 K zwischen ca. 3,3 (5 l/s) und 26,7 GWh (40 l/s), 

 50 K zwischen ca. 4,0 (5 l/s) und 32,0 GWh (40 l/s). 

Bei einer Wärmeauskopplung von 30 K ist der Abfall bei der eingespeicherten Energie zwischen dem ersten  und zweiten Jahr durch die kleinere installierte Leistung des Speichers im zweiten Jahr zu erklären; bei  einer Wärmeauskopplung von 50 K durch eine größere. Bei einer Temperaturspreizung von 30 K nimmt  die  speicherbare  Energiemenge über  10  Jahre  geringfügig  ab;  bei  einer  Temperaturspreizung  von  50  K  nimmt sie geringfügig zu. 

Die während der Heizphasen produzierten Energien sind über 10 Jahre hinweg etwas dynamischer. Durch  die langsame Aufheizung der heißen Seite des Speichers steigt die produzierte Energie von Jahr zu Jahr. 

Bei einer Wärmeauskopplung von 30 K steigt der energetische Output über 10 Jahre im Mittel um ca. 50%; 

bei  38,4K  um  ca.  30%;  bei  50  K  um  ca.  20%.  Die  jährlich  produzierte  Energie  schwankt  bei  einer  Temperaturspreizung von 

 30 K zwischen ca. 1,5 (5 l/s) und 13,0 GWh (40 l/s), 

 38,4 K zwischen ca. 2,2 (5 l/s) und 18,8 GWh (40 l/s), 

 50 K zwischen ca. 3,1 (5 l/s) und 26,3 GWh (40 l/s). 

Eine  Erhöhung  der  Fließrate  um  das  8fache  (5  ‐  40  l/s)  führt  demnach  relativ  linear  zu  einer  8fachen  Erhöhung der produzierten Energie. Eine Erhöhung der Temperaturspreizung von 30 auf 38,4 K führt zu  einer mittleren Erhöhung der produzierten Energie von ca. 45%; bei einer Erhöhung von 30 auf 50 K von  ca. 100%. 

Rechnet man die jährlich produzierte Wärmemenge in eine äquivalente Menge Heizöl um (Heizwert 10  kWh/l), ergeben sich mögliche Einsparungen zwischen ca. 100.000 (dT = 30 K, 5 l/s, Jahr 1) und 2,7 Mio. 

Litern pro Jahr (dT = 50 K, 40 l/s, Jahr 10). Diese Mengen müsste aufgebracht werden, wenn die Wärme  ohne  Aquiferspeicher  ausschließlich  durch  den  Einsatz  von  Heizöl  erzeugt  werden  müssten.  Bei  einem  angenommenen  jährlichen  Wärmebedarf  von  25.000  kWht  eines  Haushalts,  könnte  man  mit  der  produzierten Wärme im Mittel zwischen ca. 50 (dT = 30 K, 5 l/s, Jahr 1) und 1000 (dT = 50 K, 40 l/s, Jahr  10) Haushalte versorgen. Hier ist allerding zu beachten, dass aufgrund des Leistungsabfalls (s. Kapitel 4.2.1)  die Wärme während der Heizphase nicht kontinuierlich produziert wird, sondern langsam abnimmt. Die  Angaben über die Haushalte in Abb. 17 sind demnach als Mittelwerte pro Heizphase zu verstehen. 

  ∆T = 30 K  ∆T = 38.4 K  ∆T = 50 K

Energie Speicherphase 

Energie Heizphase 

Energie Pumpenbetrieb 

36  Abb.  17 Vergleich  der  im  Reservoir  eingespeicherten  (oben),  produzierten  Energien  (Mitte)  und  Pumpenergien  (unten) über 10 Jahre mit jeweils 175d langen Speicher‐ und Heizphasen pro Jahr. Berücksichtigt wurden Förderraten  von 5  (lila),  10 (rot),  20  (orange),  30  (grün)  und 40 l/s (blau)  bei  drei  verschiedenen  Betriebsarten  des Speichers; 

jeweils  mit  konstanten  Injektionstemperaturen  von  80°C  während  der  Speicherphase  aber  mit  variierenden  Injektionstemperaturen in der Heizphase von 50 (links), 41.6 (Mitte) und 30°C (rechts).  

Um die notwendigen Pumpenenergien, und damit die Pumpkosten, zu quantifizieren, müssen zuerst die  zeitabhängigen Pumpenleistungen während des Speicherbetriebes berechnet werden. Die Leistung der  Pumpen richtet sich nach der erzeugten Absenkung bzw. Erhöhung des Reservoirdruckes, ∆p, während  der Injektion und Förderung des Thermalwassers. Sie errechnet sich nach 

      𝑷_{𝑷𝒖𝒎𝒑𝒆,𝒆𝒍} ^{𝑻𝑫𝑷 ∙ 𝑸}

𝜼_{𝑷𝒖𝒎𝒑𝒆}              Gl. 2 

mit dem tatsächlichen Pumpendruck TDP, der Fließrate Q und dem Wirkungsgrad der Pumpe 𝜂 . Der  tatsächliche Pumpendruck kann berechnet werden über 

  Injektion:  𝑇𝐷𝑃 Δ𝑝 𝑝  

  Produktion:  𝑇𝐷𝑃 𝑝 ℎ ∙ 𝑔𝜌 ℎ ℎ ∙ 𝑔𝜌 ∆𝑝  

mit dem Systemdruck im Kraftwerk 𝑝 , der Abhängtiefe der Pumpe ℎ , der Fluiddichte 𝜌  und   der Tiefe des freien Wasserspeigels ℎ . Die Pumpenleistung wird im Folgenden für einen hydrostatischen  Reservoirdruck, eine Abhängtiefe der Pumpe von 100 m, dynamischen Fluiddichten, einem Systemdruck  von 5 bar und einem Wirkungsgrad der Pumpen von 0,72 berechnet. Der Wirkungsgrad der Pumpen wird  in erster Näherung als konstant, also unabhängig von der Fließrate, angenommen. Für die Injektion des  Wassers  wird  nur  dann  eine  Pumpe  aktiviert,  wenn  die  erzeugte  Druckerhöhung  im  Reservoir  den  obertägigen Systemdruck übersteigt.  

Die  benötigte  Pumpenleistung  ist  analog  zum  Zeit‐Druck‐Verhalten  des  Reservoirs  nicht  konstant  (s. 

Kapitel 4.1.1). Die maximalen Pumpenleistungen auf der heißen Seite (BS‐Nord) werden ausschließlich von  der gewählten Fließrate bestimmt. Sie schwanken zwischen ca. 18 (5 l/s) und 213 kW (40 l/s) während der  Produktion und 0 (5 l/s, 10 l/s) und 53 kW (40 l/s) während der Injektion. Die maximalen Pumpenleistungen  auf  der  kalten  Seite  (BS‐Süd)  werden  zusätzlich  durch  die  Thermalwassertemperatur  bzw.  Fluiddichte  bestimmt. Die Pumpenleistung während der Produktion schwanken bei einer Temperaturspreizung von  50 K  zwischen  ca.  19  (5  l/s)  und  248  kW  (40  l/s).  Bei  einer  Temperaturspreizung  von  30 K  sind  die  maximalen Pumpenleistungen um ca. 3‐7% kleiner. Die Pumpenleistung während der Injektion schwanken  bei  einer  Temperaturspreizung  von  50 K  zwischen  ca.  0  (5  l/s,  10  l/s)  und  85  kW  (40  l/s).  Bei  einer  Temperaturspreizung von 30 K sind die maximalen Pumpenleistungen um ca. 30‐40% kleiner. 

Die  jährlich  aufzuwendende Pumpenenergie  setzt  sich  zusammen  aus  den  benötigten  Pumpenergien  beider Bohrungen. Sie errechnet sich jeweils aus dem Intergral der Pumpenleistung über 175 Tage. In Abb. 

17  sind  die  für  die  verschiedenen  Betriebsarten  des  Aquiferspeichers  berechneten  Pumpenenergien  dargestellt. Generell lässt sich feststellen, dass die jährlich eingesetzte Pumpenenergie hauptsächlich von  der gewählten Fließrate bestimmt wird. Für eine gegebene Fließrate ist sie über 10 Jahre relativ konstant. 

Sie schwankt zwischen ca. 0,2 (5 l/s) und 2,3 GWhe (40 l/s) pro Jahr. Die Erhöhung der Wärmeauskopplung  von 30 auf 50 K führt zu einer minimalen Erhöhung der jährlich benötigten Pumpenenergie im Mittel um 

<5%. Bei einem angenommenen Strompreis von 0,20 €/kWhe entsprächen die benötigten Pumpenergien 

jährlichen Kosten zwischen ca. 30.500 (30 K, 5 l/s) und 465.000 € (50 K, 40 l/s). Der angesetzte Preis von  0,20  €/kWhe  entspricht  dabei  nicht  dem  Endverbraucherpreis  für  Strom,  welcher  ca.  50%  höher  ist,  sondern einem Industriekundentarif (Klotz et al., 2014). Die Strompreise für Großkunden schwanken in  Abhängigkeit der Abnahmemenge zw. 0,18 € (1 ‐ 10 GWhe) und 0,20 € (0,2 ‐ 1 GWhe). 

Die Effizienz des Speichers kann durch den Rückgewinnungskoeffizienten (recovery factor) ausgedrückt  werden. Er berechnet sich als Quotient von produzierter zu eingespeicherter Energie. Die Effizienzen sind  in Abb. 18 für verschiedene Fließraten und Wärmeauskopplungen dargestellt. Aus Abb. 18 wird ersichtlich,  dass die Effizienz des Speichers vorwiegend durch die gewählte Temperaturspreizung bestimmt wird. Der  Einfluss der Fließrate verändert die Speichereffizienz nur um wenige Prozentpunkte.  

 Bei einer Wärmeauskopplung von 30 K wurden Speichereffizienzen von 30‐36% im ersten Jahr und  56‐64% im zehnten Jahr berechnet. Die Zunahme der Effizienz über 10 Zyklen ergibt sich aus der  langsamen Aufheizung des Speichers auf der heißen Seite. Die damit verbundenen Abnahmen der  Leistungsabfälle während der Heizphasen (s. Kapitel 4.2.1) führen zu einem stetigen Anstieg der  produzierten Wärmeenergie.    

 Bei einer Wärmeauskopplung von 38,4 K wurden Speichereffizienzen von 52‐58% im ersten Jahr  und 69‐74% im zehnten Jahr berechnet. Die Effizienz ist hier deutlich höher als im 30 K Szenario,  da hier während die berechneten Leistungsabfälle während der Heizphasen deutlich geringer sind  (s. Kapitel 4.2.1). 

 Bei  einer  Wärmeauskopplung  von  50 K  wurden  Speichereffizienzen  zwischen  75  und  86% 

berechnet.  Der  Abfall  der  Effizienz  im  zweiten  Zyklus  ergibt  sich  durch  den  Unterschied  in  der  Vorlauftemperatur während der Speicherphase. Sie liegt im ersten Jahr konstant bei 41,6°C. Im  zweiten Jahr liegt sie anfänglich bei 30°C, der Injektionstemperatur während der ersten Heizphase. 

Dadurch  kann  mehr  Energie  im  zweiten  Zyklus  eingespeichert  werden,  wodurch  die  Effizienz  geringfügig abnimmt.  

Die  modellierten  Rückgewinnungskoeffizienten  sind  vergleichbar  mit  den  berechneten  Effizienzen  anderer Studien (e.g. Schout et al., 2014; Sommer et al., 2014; Tordrup et al., 2016) und liegen in der  Größenordnung der in den Aquiferspeichern von Berlin (77%), Rostock (55‐70%) und Neubrandenburg  (72%)  gemessenen  (Sanner  et  al.,  2005;  Schmidt  &  Müller‐Steinhagen,  2005).  Generell  lässt  sich  feststellen,  

 dass vorhandene Überschusswärme mit einem Verlust von ca. 20‐40% in einen tiefen Aquifer,  bei optimalen Bedingungen, zwischengespeichert werden kann. Dies bedeutet, dass 60‐80% 

der  Wärme  in  Zeiten  großer  Nachfrage  bereitgestellt  werden  kann  und  dass  sie  zu  100% 

generiert werden müsste, wenn sie nicht zwischengespeichert wird. 

 dass  für  den  Betrieb  eines  Aquiferspeichers  die  Temperaturspreizung  möglichst  groß  sein  sollte.  Obwohl  die  Injektionstemperaturen  in  ein  Reservoir  oft  durch  hydrogeologische,  chemisch‐physikalische  oder  technischen  Randbedingungen  begrenzt  ist,  sollte  die  Wärmeauskopplung dennoch maximiert werden, da sie die Effizienz des Speichers und die  produzierte Wärmemenge maßgeblich kontrolliert. 

 dass die produzierte Wärmemenge und damit die Speichereffizienz langfristig steigen. Damit  scheint in diesen betrachteten Szenarien die Rentabilität (Gewinn pro eingesetztes Kapital) 

38   

∆T = 30 K ∆T = 41.6 K         ∆T = 50 K 

Abb. 18 Vergleich der Speichereffizienz über 10 Jahre (10 Speicher‐Heiz‐Zyklen) mit jeweils 175d langen Speicher‐ 

und Heizphasen pro Jahr. Die Effizienz ergibt sich aus dem Verhältnis von produzierter zu eingespeicherter Energie  im Reservoir (recovery factor). Betrachtet wurden Förderraten von 5, 10, 20, 30 und 40 l/s in drei verschiedenen  Betriebsarten des Speichers; jeweils mit konstanten Injektionstemperaturen von 80°C während der Speicherphase  aber mit variierenden Injektionstemperaturen in der Heizphase von 50 (oben), 41.6 (Mitte) und 30°C (unten).