Promotionsstipendium: Dr. Ruben Stemmle

Kolleg-Energiewende: Beitrag thermischer Untergrundspeicher zur Energiewende Quantifizierung thermischer Energiebilanzen und Bewertung ökologischer Aspekte

Die Energiewende in Deutschland stellt eine Herausforderung bei der Bekämpfung des Klimawandels dar. Während bei der Stromproduktion der Anteil an erneuerbaren Energien stetig zunimmt, wird der Dekarbonisierung im Bereich der Wärme- und Kälteerzeugung hingegen bisher geringere Beachtung geschenkt. Dabei stellt nicht das grundsätzliche Vorhandensein einer ausreichenden Menge an erneuerbaren Quellen thermischer Energie ein Problem dar, sondern die Speicherung dieser Energie. Sie ermöglicht die Überbrückung der zeitlichen Diskrepanz von Energiebedarf und -dargebot sowie die Verwendung bisher ungenutzter Energiequellen, wie bspw. der Abwärme aus industriellen Prozessen. Eine technische Option, die sich durch hohe Speicherkapazitäten auszeichnet, sind thermische Aquiferspeicher.

Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens soll der energetische und ökologische Beitrag einer Wärme- und Kälteversorgung über thermische Aquiferspeicher zur Energiewende in Deutschland untersucht werden.

Die Beantwortung der übergeordneten Fragestellung macht in einem ersten Arbeitsschritt die räumlich aufgelöste qualitative Untersuchung der Eignung für Aquiferspeicheranwendungen in Deutschland erforderlich. Die landesweite Potentialstudie berücksichtigt verschiedene relevante hydrogeologische sowie klimatische Datensätze zur Identifizierung gut geeigneter Regionen.

Im anschließenden Arbeitsschritt erfolgt anhand eines beispielhaften Untersuchungsgebietes die konsistente Quantifizierung der Speicherräume im Untergrund hinsichtlich ihres thermischen Speichervermögens und der rückholbaren Energiemenge. Hierzu werden vereinfachte numerische Modelle erstellt, mit denen der Strömungs- und Wärmetransport im Untergrund für verschiedene Kombinationen von thermischen und hydrogeologischen Untergrundeigenschaften simuliert wird.

Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Speicherung von Wärmeenergie aus Solarthermieanlagen. Die Kopplung von solarthermischen Anlagen mit Untergrundspeichern stellt eine vielversprechende Möglichkeit für eine effiziente, ausgeglichene Energieversorgung dar, da der momentane Energieverbrauch für Raumwärme einem Vielfachen des Verbrauchs für Raumkühlung entspricht. Anschließend wird untersucht, wie sich dieser Raumwärme- und Kältebedarf in der Zukunft entwickeln wird und welchen Einfluss diese Veränderungen auf die Effizienz der Untergrundspeicher haben. Dazu werden statistische Prognosemethoden basierend auf zeitlich veränderlichen, klimatischen Parametern verwendet.

Die zuvor beschriebenen Arbeitsschritte liefern die Datengrundlage für die Erstellung von thermischen Energiebilanzen. Mithilfe dieser Energiebilanzen wird ermittelt, wieviel der verfügbaren thermischen Energie im Untergrund in Abhängigkeit des quantifizierten Speichervermögens gespeichert werden kann und in welchem Verhältnis diese Energiemenge zum bestehenden, und in Zukunft erwarteten, Raumwärme- und Kältebedarf steht. Aufbauend auf den Energiebilanzen lassen sich ebenfalls eingesparte Umwelteinflüsse ermitteln, wie bspw. Treibhausgasemissionen, die sich beim Ersetzen von konventionellen Heiz- und Kühlsystemen erzielen lassen.

Zur Beantwortung der übergreifenden Promotionsfrage nach dem Beitrag thermischer Aquiferspeicher zur Energiewende in Deutschland werden in einem weiteren Arbeitspaket auch energiepolitische Aspekte einer klimafreundlichen Gebäudeheizung und -kühlung thematisiert. Ausgehend von einem länderübergreifenden Überblick der relevanten politischen Rahmenbedingungen ist hierfür die Identifizierung geeigneter Strategien vorgesehen, Aquiferspeicher verstärkt in die Wärmewende auf kommunaler Ebene zu integrieren.

AZ: 20020/693

Zeitraum

01.01.2021 - 31.12.2023

Institut

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Angewandte Geowissenschaften

Betreuer

Prof. Dr. Philipp Blum