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

Stipendiatin/Stipendiat: Ruben Stemmle

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 Untergrundspeicher.

Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens soll der energetische und ökologische Beitrag einer Wärme- und Kälteversorgung über Untergrundspeicher zur Energiewende in Deutschland untersucht werden. Das Vorhaben konzentriert sich dabei zunächst auf die drei Modellregionen (Freiburg, Karlsruhe und Leipzig), von denen ausgehend bundesweite Aussagen getroffen werden.

Die Beantwortung der übergeordneten Fragestellung macht in einem ersten Arbeitsschritt die konsistente Quantifizierung der Speicherräume im Untergrund hinsichtlich ihres thermischen Speichervermögens und der rückholbaren Energiemenge erforderlich. Hierzu werden vereinfachte numerische Modelle erstellt, mit denen der Strömungs- und Wärmetransport im Untergrund für verschiedene Kombinationen von thermischen und hydrogeologischen Untergrundeigenschaften simuliert wird. Der darauffolgende Arbeitsschritt besteht in der Erfassung anthropogener Wärme- und Kältequellen, deren thermische Energie zur Speicherung herangezogen werden kann. Hierfür werden lokal vorhandene Abwärme- und Kältequellen aus industriellen Prozessen und bestehenden Anlagen in einer Datenbank katalogisiert.

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 Wahl der Modellstädte erlaubt es hierbei, zu untersuchen, ob sich signifikante räumliche Unterschiede im zukünftigen Energiebedarf zwischen und innerhalb der untersuchten Standorte ergeben.

Die zuvor beschriebenen Arbeitsschritte liefern die Datengrundlage für die Erstellung von thermischen Energiebilanzen an den Projektstandorten. 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. Durch den Vergleich der Ergebnisse von den drei Standorten und deren Charakteristika können dabei die dominierenden Einflussfaktoren auf die Eignung der Untergrundspeicher identifiziert werden. Aufbauend auf den Energiebilanzen lassen sich ebenfalls eingesparte Umwelteinflüsse ermitteln, wie bspw. Treibhausgasemissionen, die sich beim Ersetzen von konventionellen Heiz- und Kühlsystemen erzielen lassen.

Der letzte in diesem Promotionsvorhaben vorgesehene Arbeitsschritt ist die Übertragung der an den ausgewählten Städten entwickelten räumlichen Ansätze und gewonnenen Erkenntnisse auf Bundesebene, um so den möglichen Beitrag thermischer Untergrundspeicher zur Energiewende in Deutschland zu ermitteln.

Förderzeitraum:
01.01.2021 - 31.12.2023

Institut:
Karlsruher Institut für Technologie KIT Institut für Angewandte Geowissenschaften

Betreuer:
Prof. Dr. Philipp Blum

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