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84  Tabelle 5 Überblick über die Energien, Erlöse, Kosten und Einsparungen nach dem Betrieb des Aquiferspeichers nach  10 Jahren (10 Speicher‐Heizzyklen). Hinsichtlich der Wärmeauskopplung und Fließrate sind hier der „minimale“ (∆T 

= 30 K; 5 l/s) und der „maximale“ Speicherbetrieb (∆T = 50 K, 40 l/s) gegenübergestellt. 

  Wärmeauskopplung / Fließrate  ∆T = 30 K; 5 l/s  ∆T = 50 K, 40 l/s 

Energie 

Eingespeicherte Energie  29,11 GWht  315,47 GWht 

Produzierte Energie  14,29 GWht  259,94 GWht 

mittlere Effizienz  49,5%  82,4% 

Pumpenenergie  1,53 GWhe  23,30 GWhe 

Einsparung 

Öl‐Äquivalent für prod. Energie  1.433.290 l  26.069.230 l 

CO2‐Einsparung Öl‐Äquivalent (1) 

Mineralöl ‐ 74 t CO2/TJ  3.807 t  69.247 t 

Erlöse/Kosten 

Bruttoverkaufserlös für prod. Energie

      0,07 €/kWht  1.000.393 €  18.195.540 € 

Pumpkosten für Pumpenergie (2) 

      0,20 €/kWhe  305.562 €  4.659.710 € 

Nettoverkaufserlös für prod. Energie  694.831 €  13.535.830 € 

Verhältnis: Netto‐/ Bruttoverkaufserlös  68,9%  74,3% 

Angaben: (1) Umweltbundesamt, 2016; (2) Klotz et al., 2014   

Die  Effizienz  des  zyklischen  Speicherbetriebes  ist  abhängig  von  der  gewählten  Fließrate  und  Temperaturspreizung. Die berechneten Wirkungsgrade in dieser Studie liegen, gemittelt über 10 Speicher‐

Heiz‐Zyklen, zwischen 50 (∆T = 30 K) und 85% (∆T = 50 K). Die Effizienz der einzelnen Speicher‐Heiz‐Zyklen  nimmt  in  allen  betrachteten  Szenarien  von  Jahr  zu  Jahr  zu,  da  sich  die  „heiße“  Seite  des  Speichers  langfristig aufwärmt. Die hier modellierten Rückgewinnungskoeffizienten vergleichbar mit berechneten  Effizienzen vergleichbarer 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 Wirkungsgrade (Sanner et al., 2005; Schmidt & Müller‐Steinhagen,  2005). Generell lässt sich feststellen, dass:  

 vorhandene Überschusswärme mit einem Verlust von ca. 40‐20%, in Abhängigkeit von der  Betriebsdauer und bei optimalen hydrogeologischen Bedingungen,  in einem tiefen Aquifer  zwischengespeichert werden kann.  

 die Temperaturspreizung für den Betrieb eines Aquiferspeichers möglichst groß sein sollte. 

Obwohl  die  Injektionstemperaturen  in  ein  Reservoir  durch  hydrogeologische,  chemisch‐

physikalische  oder  technischen  Randbedingungen  begrenzt  sein  kann,  sollte  die  Wärmeauskopplung dennoch maximiert werden, da sie die Effizienz des Speichers und die  produzierte Wärmemenge maßgeblich kontrolliert. 

 die  Fließrate  auf  die  gegebenen  hydrogeologischen  Randbedingungen  maximiert  werden  sollte.  Geringe  Fließraten  erzeugen  zwar  die  geringsten  Druckänderungen  im  Reservoir  (Magnitude,  Radius)  sind  aber  aus  Wirtschaftlichkeitsgründen  zu  vermeiden.  Die  hohen  Pumpkosten in Relation zu den geringen produzierten Wärmemengen können besonders in 

den ersten Speicher‐Heiz‐Zyklen zu einem unwirtschaftlichen, z.T. defizitären Speicherbetrieb  führen. 

 die produzierte Wärmemenge und damit die Speichereffizienz langfristig steigen. Damit steigt  in  den  betrachteten  Szenarien  die  Rentabilität  (Gewinn  pro  eingesetztes  Kapital)  des  Speicherbetriebs langfristig.  

 

Der Betrieb eines Aquiferspeichers in Verbindung mit solarthermischer Nahwärme bietet zwei wichtige  Anreizsystem für mögliche Investoren: 

1. Rechnet man die im maximalen Speicherbetrieb (∆T = 50 K, 40 l/s) produzierte Wärmemenge  über  den  Heizwert  in  eine  entsprechende  Menge  Heizöl  um,  so  ergibt  sich  eine  jährliche  Einsparung  von  über  2,6  Millionen  Liter,  welche  zur  Deckung  der  Wärmenachfrage  in  der  Heizperiode  bereitgestellt  werden  müssten,  wenn  man  keinen  Aquiferspeicher  und  keine  solare Nahwärme nutzen würde. Bei einem Heizölpreis von 0,70 €/l 1 an, entspräche diese  Heizölmenge  eine  jährliche  finanzielle  Belastung  von  1,82  Millionen  Euro.  Betrachtet  man  einen Abschreibungszeitraum von 30 Jahren, ergäben sich Ausgaben von 54,6 Millionen Euro,  welche allein für fossile Brennstoffe zu heutigen Preisen aufgebracht werden müssten. Diese  Kosten  könnte  man  mit  Investitionen  in  einen  geothermischen  Aquiferspeicher  und  solare  Nahwärme, also regenerative Energiequellen, substituieren. 

 

2. Die potenzielle Heizöleinsparung entspräche dann einer CO2‐Einsparung nach 10 Jahren von  knapp  70.000  Tonnen,  bzw.  7.000 Tonnen  pro  Jahr.  Somit  könnten  geothermische  Aquiferspeicher  einen  Beitrag  zur  Reduktion  fossiler  Energieträger  und  der  damit  verbundenen  CO2‐Emissionen  leisten,  was  einen  Eckpfeiler  des  Integrierten  Energie‐  und  Klimaschutzkonzeptes (IEKK) des Landes Baden‐Württemberg darstellt. 

 

Bei  einem  Einspeisetarif  für  die  produzierte  Wärme  von  0,07  €/kWht  ergäbe  sich  in  diesem  Maximal‐

Szenario ein Bruttoverkaufserlös von ca. 18,2 Millionen Euro bzw. 1,82 Millionen Euro pro Jahr. Die Kosten  für die Pumpen liegen in diesen Szenarien in der Größenordnung von ca. 25% der prognostizierten Erlöse  aus der Wärme, wenn man Energiekosten von 0,20 €/kWhe für den Pumpenbetrieb veranschlagt. Damit  stünden jährlich ca. 75% der Bruttoverkaufserlöse für weiter projektbezogen Kosten (Investments, Zins‐ 

und Tilgungsraten, Personal‐ und andere Fixkosten) zur Verfügung. Abzüglich der Pumpkosten ergeben  sich in diesem Beispiel Nettoverkaufserlöse für die Wärme von knapp 13,5 Millionen Euro nach 10 Jahren. 

Die  prognostizierten  Nettoverkaufserlöse  (nur  Pumpkosten  berücksichtigt)  betragen  bei  einem  Abschreibungszeitraum  von  30  Jahren  knapp  40,5  Millionen  Euro.  Eine  Kommune,  die  im  Zuge  der  Wärmewende  auf  einen  erneuerbaren  Heizbetrieb  umstellen  möchte,  könnte  mit  diesem  Investitions‐ 

bzw.  Projektvolumen  eine  Infrastruktur  wie  in  Abb.  2  dargestellt  aufbauen,  und  damit  die  projektbezogenen  Kosten  für  die  Dublette,  die  Infrastruktur  (Pumpen,  Brenner,  Kurzzeitspeichertank,  Aufstellräume…), das Nahwärmenetz, das Solarthermiefeld oder das BHKW abdecken.  

Diese  Angaben  basieren  auf  einem  Aquiferspeicherbetrieb  mit  175  tägigen  Speicher‐Heiz‐Zyklen  und  konstanten Energieströmen und spiegeln somit einen energetischen und finanziellen Optimalfall dar. Um  die produzierte Energie monetär exakt bewerten zu können, müssten die Wärmegestehungskosten für ein 

86  gewähltes  Szenario  des  Speicherbetriebes  detailliert  berechnet  werden.  Da  die  personal‐,  verbrauchs‐,  betriebs‐  und  kapitalgebundene  Kosten  stark  abhängig  von  der  Art  des  Investors  sind  (Gemeinde,  Energieversorger…),  wäre  eine  weiterführende,  detailliertere  betriebswirtschaftliche  Analyse  eines  saisonalen  Speicherbetriebes  für  einen  spezifischen  Investor  und  einen  spezifischen  Standort  empfehlenswert. Die Initiierung und Förderung eines Pilotprojektes in Baden‐Württemberg würde eine  notwendige und zielgerichtete Fortführung unserer Studie darstellen. 

Unsere Studie zeigt, dass die Durchlässigkeit des Reservoirs eine große finanzielle Rückkopplung auf die  Wirtschaftlichkeit des zyklischen Speicherbetriebes haben kann. Da die Durchlässigkeit eines Reservoirs  vor Projektbeginn stets mit großen Unsicherheiten behaftet ist, sollten in zukünftigen Analysen detaillierte  Sensitivitätsstudien zwischen der Permeabilität und der Wirtschaftlichkeit durchgeführt werden. Unsere  Studie zeigt aber auch, dass der Speicherbetrieb an lokale Standortfaktoren angepasst werden kann. Legt  man den Aquiferspeicher z.B. auf einen spezifischen jährlichen Wärmebedarf von 7 GWht aus, so kann  diese Energie sowohl mit einer Fließrate von 30 l/s und einer Wärmeauskopplung von 30 K, als auch mit  einer Fließrate von 20 l/s und einer Wärmeauskopplung von 40 K realisiert werden (s. Abb. 19). Je nach  Durchlässigkeit  oder  Temperatur  des  Reservoirs  kann  so  die  Injektionstemperatur  und  Fließmenge  für  einen optimierten Speicherbetrieb angepasst werden. Damit lassen sich geothermische Aquiferspeicher  an geologische, technische oder sozioökonomische Standortfaktoren zu einem gewissen Grad anpassen. 

Ziel  des  Projektes  war  es,  Aquiferspeicher  in  geologische  Modelle  zu  integrieren  und  Simulationswerkzeuge  für  deren  Planung  und  Betrieb  zu  erarbeiten  und  zu  testen.  Mit  diesen  soll  es  möglich sein, wesentliche Betriebsparameter wie Speicherleistung, Speicherkapazität, Betriebsdrücke und  Temperaturverläufe  abhängig  vom  bisherigen  Betriebsverlauf  zu  berechnen.  Solche  Modelle  erlauben  nicht nur eine verbesserte Planung dieser Speicher, sie sind auch erforderlich für einen effizienten und  vorausschauenden  Betrieb  eines  Aquiferspeichers,  indem  ein  ständig  durch  reale  Betriebsdaten  aktualisiertes  digitales  Abbild  („digital  twin“)  Prognosen  über  zu  erwartende  Entnahmeleistungen  und  Speicherfüllstände  erlaubt.  Etwaige  weitere  Energiequellen  im  Verbund,  wie  zum  Beispiel  Blockheizkraftwerke,  Müllverbrennungsanlagen  oder  industrielle  Abwärme  können  so  vorausschauend  zugeschaltet  werden.  Aufgrund  der  hohen  Speicherkapazität  und  Leistungen  beim  Abrufen  und  Einspeichern  der  Wärme  ist  ein  Aquiferspeicher  nur  sinnvoll  in  Verbindung  mit  einem  Nah‐  oder  Fernwärmenetz.  Weiterhin  eignet  er  sich  aufgrund  potentiell  langer  Speicherzeiten  hervorragend  als  Saisonalspeicher.  Selbstverständlich  würde  ein  solches  Netz  den  Wärmeverbrauchern  Wärme  aus  verschiedenen  Quellen  erschließen,  so  dass  der  ideale  Einsatzort  für  einen  Aquiferspeicher  in  einem  Verbund zu sehen ist, wie er etwa in Abb. 2 gezeigt ist.  

Der Vorschlag für die RICHTLINIE DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES zur Energieeffizienz  vom  22.06.2011  sieht  eine  Verpflichtung  zur  Erstellung  nationaler  Wärme‐  und  Kältepläne  auf  der  Bundesebene vor. Für Baden‐Württemberg ergeben sich daraus mögliche Handlungsspielräume, z.B. bei  der  Erstellung  kommunaler  Wärme‐  und  Kältepläne  zur  flächendeckenden  Erfassung  von  Wärme‐

/Kältebedarf  sowie  vorhandener  Wärmequellen.  Die  Kenntnis  von  Wärmequellen  und  –senken  ist  die  entscheidende Voraussetzung, um geeignete Gebiete für eine leitungsgebundene Wärmeversorgung auf  Basis  dezentraler  KWK‐Anlagen,  vorhandener  Abwärmepotenziale  und  erneuerbarer  Energien  zu  identifizieren. So kann der Aufbau von Nahwärmenetzen (smart grids) an geeigneten Standorten sinnvoll  vorbereitet werden. Die Identifikation von Wärmequellen und –senken und die Bestandsaufnahme von  Nah‐  und  Fernwärmenetzen  in  Baden‐Württemberg  stellt  somit  eine  sinnvolle  und  zielgerichtete  Fortführung unserer Studie dar. Diese anthropogenen, sozioökonomischen Eingangsparameter müssten 

mit  geologischen  und  geothermischen  Standortfaktoren  kombiniert  werden,  um  potenzielle  Einsatzgebiete  für  tiefe  Aquiferspeicher  in  Baden‐Württemberg  zu  identifizieren.  Die  Verbreitung,  Tiefenlagen  und  Mächtigkeiten  der  wichtigsten  Reservoirgesteine  in  Baden‐Württemberg  sind,  wie  die  nachfolgenden  Abbildungen  veranschaulichen,  vielversprechend.  Der  Obere  Muschelkalk  ist  in  weiten  Gebieten in Teufen < 1500 m erbohrbar (Abb. 52).  

Mit  einer  Gesamtmächtigkeit  des  Muschelkalks  von  bis  zu  250  m  könnten  gezielt  Gebiete  identifiziert  werden,  welche  den  Einsatz  von  sehr  langen  Filterstrecken  begünstigen.  Der  Buntsandstein  bietet  mit  einer  Gesamtmächtigkeit  von  bis  zu  500 m  noch  bessere  Voraussetzungen  für  einen  Aquiferspeicherbetrieb  (Abb.  53).  Er  ist  in  Baden‐Württemberg  ebenfalls  flächenhaft  in  günstigen  Teufenbereichen erschließbar. Gut durchlässige Einheiten im Jura, Keuper oder Tertiär bieten zusätzliche  Einsatzgebiete für Aquiferspeicher, besonders im Oberrheingraben. Im Oberrheingraben sind besonders  Hochschollen als potenzielle Zielgebiete von Aquiferspeicher von Interesse, da man hier die Teufen, und  somit auch die Bohr‐ und Pumpkosten, geringhalten könnte.  

Somit  ist  eine  detaillierte  GIS‐Studie  zur  Identifikation  potenzieller  Zielgebiete  für  tiefe  geothermische  Aquiferspeicher  empfehlenswert,  wobei  man  zielgerichtet  geologische  Daten  (Tiefen,  Mächtigkeiten,  Gipskeuperproblematik  etc.)  mit Regionaldaten (Wärmequellen & ‐senken, Fern‐ und Nahwärmenetze,  Natur‐ & Wasserschutzgebiete etc.) verknüpfen müsste. 

Die Machbarkeitsstudie eines saisonalen Speicherbetriebes belegt, dass geothermische Aquiferspeicher  technisch realisierbar sind und finanziell rentabel betrieben werden können. Im Vergleich zu obertägigen  Wärmespeichern  sind  Aquiferspeicher  besonders  durch  ihre  geringen  energetischen  Verluste  und  ihre  großen  Speichervolumina  gekennzeichnet.  Geothermische  Aquiferspeicher  haben  demnach  ein  großes  Potenzial,  in  Zukunft  einen  signifikanten  Beitrag  für  eine  nachhaltige  Primärenergieversorgung  in  Deutschland bzw. Baden‐Württemberg beisteuern zu können, insbesondere beim kombinierten Einsatz  mit erneuerbarer Energien, z.B. in Verbindung mit Solarthermiefeldern als Wärmelieferant. Regionen mit  bestehenden Nah‐ und Fernwärmenetzen bieten sich bevorzugt an, da der Neu‐ bzw. Ausbau der Netze  sehr kostenintensiv ist. Aus diesem Grund wird empfohlen, für Baden‐Württemberg eine weitergehende  Untersuchung im Hinblick auf besonders geeignete Standorte für Aquiferspeicher durchzuführen. Diese  Untersuchung  sollte  primär  die  geologischen  Möglichkeiten,  die  Lage  von  Wärmesenken  und  ‐quellen,  sowie bereits existierende oder in Planung befindliche Wärmenetze einschließen. 

88    Abb.  52  Errechnete  Tiefenlage  (links)  und  Mächtigkeit  (rechts)  des  Muschelkalks  in  Baden‐Württemberg  basierend  auf  den  Angaben  des  geologischen  3D‐

Landesmodells (Rupf & Nitsch, 2008).  

  Abb.  53    Errechnete  Tiefenlage  (links)  und  Mächtigkeit  (rechts)  des  Buntsandsteins  in  Baden‐Württemberg  basierend  auf  den  Angaben  des  geologischen  3D‐

Landesmodells (Rupf & Nitsch, 2008)

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3. Deutscher Wetterdienst. Jahresgang der Globalstrahlung, langjähriges Mittel, Deutscher  Wetterdienst, RKB Hamburg. 

http://www.dwd.de/DE/leistungen/solarenergie/download/aktueller_jahresgang_einstrahlung.pdf?view

=nasPublication. [Online]  

4. Solvarmedata. http://www.solvarmedata.dk. [Online]  

 

   

92 

Anhang 

 

 

A I: Sensitivitätsanalyse: Einfluss der Vermaschung des Bohrpfades auf die Ergebnisse der numerischen Modellierung 

 

Refinement borehole:  Q = ‐ 10 l/s MK; + 10 l/s BS (50°C)  T = 10000s; time steps = 64; Formation = 64 m; Well: 1m, 2m, 4m, 8m 

  Muschelkalk  Buntsandstein 

Temp eratur

 

Pressure 

94 

 

A II: Sensitivitätsanalyse: Einfluss der Vermaschung des Reservoirhorizonte auf die Ergebnisse der numerischen Modellierung 

 

Refinement formation: Q = ‐ 10 l/s MK; + 10 l/s BS (50°C)  T = 10000s; time steps = 64;  Well = 2 m; Formation: 16m, 32m, 64m, 128m 

  Muschelkalk  Buntsandstein 

Te mp er at ur e  

 

Press u re  

 

 

A III: Sensitivitätsanalyse: Einfluss des Vermaschungsgradients auf die Ergebnisse der numerischen Modellierung 

 

Refinement formation: Q = ‐ 10 l/s MK; + 10 l/s BS (50°C)  T = 10000s; time steps = 64;  Well = 2 m; Formation: 64m; variable mesh gradients 

 

 

Meshit gradient pq1.20   

Meshit gradient pq1.15 

 

   

96 

 

 

 

Refinement formation: Q = ‐ 10 l/s MK; + 10 l/s BS (50°C)  T = 10000s; time steps = 64;  Well = 2 m; Formation: 64m; variable mesh gradients 

  Muschelkalk  Buntsandstein 

Temper ature 

 

Press u re