Klimakrise: Grundwasserspeicher für die Wärmewende nutzen

Kühlen im Sommer und Heizen im Winter: Dafür eignen sich Aquiferspeicher, also wasserführende Schichten im Untergrund. (Grafik: Ruben Stemmle, AGW/KIT)

Grundwasserspeicher sind vielversprechend für eine klimaschonende Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden. Deutschland weist ein hohes Potenzial für solche Niedertemperatur-Aquiferspeicher auf, das in Zukunft voraussichtlich wachsen wird.

12.11.2022 – Energie- und Gaskrise machen einmal mehr unsere Abhängigkeit deutlich: Über 30 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland entfallen derzeit auf das Heizen und Kühlen von Gebäuden. Die Dekarbonisierung dieses Sektors könnte also einen enormen Anteil an Treibhausgasemissionen einsparen. Während im Bundestag über Gasfracking debattiert wird, weisen Wissenschaftler darauf hin, dass in der Erde auch Erneuerbare Wärme steckt, die zudem wesentlich umweltverträglicher zu fördern ist.

Zur saisonalen Speicherung und flexiblen Nutzung von Wärme und Kälte eignen sich Aquiferspeicher, also wasserführende Schichten im Untergrund. Denn Wasser besitzt eine hohe Fähigkeit, thermische Energie zu speichern, und das umgebende Gestein wirkt isolierend. Thermische Aquiferspeicher könnten daher wesentlich zum klimafreundlichen Heizen und Kühlen von Gebäuden beitragen, berichten Forschende in der Zeitschrift Geothermal Energy: Erwärmtes Wasser wird unter der Erde gespeichert und bei Bedarf heraufgepumpt. Ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat nun ermittelt, dass Deutschland ein beträchtliches Potenzial für Niedertemperatur-Aquiferspeicher aufweist. Zu der Studie gehört die bis jetzt detaillierteste Karte der Möglichkeiten in Deutschland.

Aquiferspeicher werden durch Bohrungen erschlossen, um beispielsweise Wärme aus Solarthermieanlagen oder Abwärme aus Industrieanlagen unter der Erde zu speichern und bei Bedarf heraufzupumpen. Sie lassen sich ideal mit Wärmenetzen und Wärmepumpen kombinieren. Als besonders effizient haben sich oberflächennahe Niedertemperatur-Aquiferspeicher (Low-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage, kurz LT-ATES) erwiesen: Da die Temperatur des Wassers nicht viel höher ist als die der Umgebung, geht während der Speicherung wenig Wärme verloren.

Großes Potenzial in Deutschland

Welche Regionen in Deutschland sich für Niedertemperatur-Aquiferspeicher besonders eignen, haben die Wissenschaftler am Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) und in der Nachwuchsgruppe Nachhaltige Geoenergie des KIT untersucht. Mehr als die Hälfte der Fläche in Deutschland wäre sehr gut oder gut geeignet, schreiben die Studienautoren. „Zu den Kriterien für einen effizienten LT-ATES-Betrieb gehören geeignete hydrogeologische Gegebenheiten wie die Produktivität der Grundwasserressourcen und die Grundwasserströmungsgeschwindigkeit“, erläutert Ruben Stemmle, Mitglied der Forschungsgruppe Ingenieurgeologie am AGW und Erstautor der Studie. „Wichtig ist auch ein ausgeglichenes Verhältnis zwischen Heiz- und Kühlenergiebedarf.“ Dieses ließe sich annäherungsweise über das Verhältnis von Heiz- und Kühlgradtagen ermitteln.

Das Forscherteam hat die hydrogeologischen und klimatischen Kriterien in einer räumlichen Analyse kombiniert. Dabei zeigte sich, dass 54 Prozent der Fläche in Deutschland in den kommenden Jahrzehnten bis 2050 sehr gut oder gut für LT-ATES geeignet sind. Die Potenziale konzentrieren sich im Wesentlichen auf das Norddeutsche Becken, den Oberrheingraben und das Süddeutsche Molassebecken. Visualisiert sind sie detailliert auf einer Karte, welche die Forschenden mit einem Geoinformationssystem erstellt haben.

Das Norddeutsche Becken, der Oberrheingraben und das Süddeutsche Molassebecken weisen besonders große Potenziale für die Nutzung von thermischen Aquiferspeichern auf. (Grafik: Ruben Stemmle, AGW/KIT)

Wie die Studie weiter ergeben hat, werden die für LT-ATES sehr gut oder gut geeigneten Flächen für den Zeitraum 2071 bis 2100 voraussichtlich um 13 Prozent wachsen. Dies sei vor allem durch einen relativ starken Zuwachs bei den sehr gut geeigneten Flächen bedingt und zurückzuführen auf einen steigenden Kühlbedarf. In Wasserschutzgebieten sind Aquiferspeicher nur eingeschränkt und in Einzelfällen zulässig. Dadurch fallen elf Prozent der technisch sehr gut oder gut geeigneten Flächen weg. „Alles in allem zeigt unsere Studie jedoch, dass Deutschland ein großes Potenzial für die saisonale Wärme- und Kältespeicherung in Aquiferen besitzt“, sagt Stemmle.