Bündnis 90/Die Grünen OV Planegg/Martinsried

Zusammenfassung

Wärme zur Heizung und Warmwasserversorgung wird zweckmäßig in wassergefüllten Behältern von rund 1 Kubikmeter (Einfamilienhaus) bis zu mehreren Tausend Kubikmetern (Wärmenetze) gespeichert.

Kurzzeitwärmespeicher (Pufferspeicher) sind wichtig für die Wärmewende und werden in Wärmenetzen, insbesondere in Verbindung mit erneuerbaren Energien, immer häufiger. Sie werden als Stahlzylinder, quasi große Thermoskannen, mit bis zu rund 50.000 Kubikmeter Volumen ausgeführt.
Langzeitwärmespeicher (Saisonalspeicher) sind weltweit selten und werden vor allem für Solarthermie eingesetzt. Im Rahmen einer Gräfelfinger Machbarkeitsstudie wurde ein Erdbeckenspeicher als Langzeitspeicher für ein zukünftiges Wärmenetz untersucht.

Die physikalische Speicherung von Wärme in Wasser erfordert etwa das 200-fache Speichervolumen wie der chemische Energiespeicher Erdöl. Dieser Nachteil begrenzt die Zahl der mit einem Wasser-Langzeitspeicher in einem Wärmenetz versorgbaren Haushalte stark, wie die Praxis zeigt: Nennenswerte Langzeitwärmespeicher (Saisonalspeicher) gibt es weltweit nur 10. Da sie pro Haushalt die rund 100-200-fache Wärmemenge speichern können müssen wie Kurzzeitspeicher, müssten sie schon bei 10.000 versorgten Haushalten mehr als eine Million Kubikmeter Wasser fassen und würden damit eine Fläche von mindestens etwa 8 ha (11 Fußballfelder) beanspruchen. Sie sind auch deshalb nur für Nahwärmenetze mit einigen hundert versorgten Haushalten realisiert worden.

Prinzipiell ist Langzeitspeicherung erneuerbarer Wärme dann sinnvoll, wenn nicht das ganze Jahr über eine Vollversorgung gewährleistet ist und wenn ein Defizit im Winter durch einen im Sommer gespeicherten Überschuss kompensiert werden kann. Landkreis und Stadt München verfügen aber mit dem heißen Tiefenwasser des Malm über einen gigantischen Wärmespeicher von geschätzt rund 250 Millionen Kubikmetern 85-140°C heißem Wasser, der so viel Wärme liefern kann wie rund 1000 riesige Saisonalwärmespeicher. Als einzige Form erneuerbarer Energie ist tiefengeothermische Wärme das ganze Jahr zu jeder Stunde konstant verfügbar und muss, anders als Solarwärme, nicht gespeichert werden.

Durch Tiefengeothermie kann an einem Standort im Würmtal mit nur einer zusätzlichen Bohrdublette in einem Jahr nach Bedarf voraussichtlich etwa die 7-fache Wärmemenge aus dem natürlichen Tiefenspeicher entnommen werden wie aus einem Erdbeckenwärmespeicher von 300.000 Kubikmetern Volumen, der z.B. nur etwa 8 % des jährlichen Wärmebedarfes von Planegg speichern könnte. Bei Wärmegestehungskosten für die Tiefengeothermie im Landkreis von nur 1,5 – 4 Cent pro kWh sind Saisonalspeicher für Fernwärmenetze in der Region wohl auch wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig.

Kurzzeitspeicher können jedoch für ein zukünftiges geothermisches Verbundnetz im Würmtal eine intelligente und effiziente Verteilung von Wärme begünstigen.

Für die Millionenstadt München mit ihrem rund 50-100-fach höheren Wärmebedarf gegenüber den meisten Landkreisgemeinden wäre Saisonalspeicherung zwar theoretisch sinnvoll, mehr als eine „saisonale Pufferspeicherung“ erscheint jedoch wegen des nötigen gewaltigen Speichervolumens unrealistisch. Vor allem aus Platzgründen wird dort an Aquifer-Tiefenspeichern geforscht.

Wärmespeicher für die Fernwärme gewinnen im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien an Bedeutung, und die Zahl der „riesigen Thermoskannen“ nimmt dementsprechend in Deutschland zu. Im Zusammenhang mit dem Ausbau der Tiefengothermie an verschiedenen Orten in der Region ist die Errichtung eines Wärmenetzes auch in Planegg absehbar, wobei die genaue Herkunft der geothermischen Wärme noch offen ist.

Durch eine Gräfelfinger Machbarkeitsstudie über ein interkommunales Projekt mit Planegg (1) wurde das Thema Langzeitwärmespeicher für ein Fernwärmenetz ins Würmtal getragen. In dieser Studie wurde eine bestimmte Konstellation von Energiequellen und Randbedingungen bei knapp bemessener Leistung untersucht. Daher lässt diese Studie keine allgemeine Schlussfolgerung darüber zu, ob Langzeitwärmespeicher im Würmtal unter den gegebenen Voraussetzungen überhaupt sinnvoll sind.

Wärme aus fossilen Quellen kann bedarfsgerecht bereitgestellt werden, weil hierfür gelagerte Energieträger nach Bedarf verbrannt werden können. Bedarf und Verfügbarkeit von Wärme aus erneuerbaren Energien klaffen dagegen zeitlich häufig weit auseinander, weshalb eine Entkopplung durch Speicherung prinzipiell sinnvoll ist. Dies gilt für eine Speicherdauer von Stunden bis Tagen. Man spricht hier von Kurzzeit- oder Pufferspeichern.

Die erforderliche Speichergröße hängt vom Wärmebedarf bzw. von der Zahl der zu versorgenden Haushalte ab. Für ein Einfamilienhaus ist ein Pufferspeicher angemessen, der etwa einen Wärmetagesbedarf im Winter speichern kann. Das entspricht einem Fassungsvermögen von etwa 1 Kubikmeter Wasser. In Wärmenetzen müssen Pufferspeicher entsprechend skaliert werden.

Pufferspeicher für schwankenden Wärmebedarf

Die im vorigen (3) und in diesem Artikel gezeigten trogförmigen Jahresverbrauchskurven zeigen einen laufenden Mittelwert und bilden nicht die stündlichen Schwankungen ab.

Abbildung 1: Tägliche und stündliche Schwankungen des Wärmebedarfs.

Oben: Geglättete Jahresleistungskurve mit ungeglättetem Ausschnitt
Unten: Stündliche Schwankunken des Wärmeverbrauchs. Daten aus (2) entnommen und grafisch verarbeitet.

Der 4 Tages-Ausschnitt aus einer Jahresverbrauchskurve zeigt die starken Schwankungen innerhalb eines Tages. Hinzu kommen noch Schwankungen von Tag zu Tag mit Tiefpunkten in der Nacht.

Die Alleinstellung der Tiefengeothermie: Konstante Leistung!

Von allen erneuerbaren Energien steht allein die Tiefengeothermie zu jeder Stunde des Jahres konstant zur Verfügung. Dadurch kann ein Pufferspeicher zu jeder verbrauchsarmen Tageszeit gefüllt werden, während Solarwärme genau dann knapp ist, wenn am meisten gebraucht wird, nämlich in den Morgen- und Abendstunden. Daher kann ein Pufferspeicher für Geothermie kleiner ausfallen als einer für andere erneuerbare Energien.

Abbildung 2: Wärmebedarfsdeckung durch Geothermie

Oben: Nicht abgerufene Wärme (blau schraffiert) kann in einem Pufferspeicher aufbewahrt und bei Belastungsspitzen (grau schraffiert) zur Bedarfsdeckung eingesetzt werden. Liegt das Leistungsniveau niedriger, kann Spitzenbedarf auch durch eine Absorptionswärmepumpe ( siehe [3] ) oder durch ein Spitzenlastkraftwerk abgedeckt werden.

Unten: Bei ausreichender geothermischer Leistung kann der Wärmebedarf zu jeder Tageszeit des Jahres gedeckt werden. Ein Pufferspeicher wird nicht benötigt.

Ein Pufferspeicher ist vor allem dann sinnvoll, wenn neben fossiler Energie auch erneuerbare Energien in das Wärmenetz eingespeist werden sollen, die im Gegensatz zu Geothermie und zu fossilen Quellen nicht permanent im benötigten Maße verfügbar sind, wie Solarenergie, Windenergie oder Abwärme. Dies hat geführt – und führt aktuell – zum Neubau etlicher Fernwärme-Pufferspeicher in deutschen Städten.

In der Zukunftsperspektive des Gutachtens zum Geothermie-Masterplans (2) gibt es große Verbundnetze in Südbayern. Hier würden Pufferspeicher eine intelligente, flexible und effiziente Verteilung der Wärme begünstigen.

Saisonalspeicher

Bei Langzeitwärmespeichern macht sich die – trotz hoher Wärmekapazität von 1,16 kWh/(m³x Grad)! – relativ geringe Energiedichte von heißem Wasser im Vergleich zur chemischen Energiedichte von Brennstoffen negativ bemerkbar.

Während also ein voller Öltank in einem Einfamilienhaus die Wärme für rund ein Jahr liefern kann, so kann ein gleich großer Heißwasserspeicher dies nur für rund einen Tag. Bei zentraler Versorgung tausender Haushalte durch Ferrnwärme bedeutet dies für Langzeitspeicher riesige Volumina.

Dies ist der grundlegende Nachteil von Langzeit- Wasserspeichern, der in der Praxis ihren Einsatz bislang auf Nahwärmenetze von Ortsteilen begrenzt.

Wasserstoff kann dezentral volumensparend saisonal gespeichert und in Verbindung mit einer Brennstoffzelle mit 90% Energieeffizienz zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden (Picea-System, [20]), eine Skalierung ist aber bislang nur im Mehrfamilienhausmaßstab realisiert worden.

Das Sommerloch

Für die Wärmenachfrage existiert generell ein „Wärmebedarfs-Sommerloch“, in dem keine Heizung, sondern nur Warmwasser benötigt wird (Grundlast).

Abbildung 3: Das Verbrauchs-Sommerloch im Wärmeverbrauch. Die Größe der Flächen unter der roten bzw. gelben Linie (Diagram oben) entspricht der blau schraffierten Fläche (Jahreswärmebedarf). Insgesamt würden also hier beide Energiequellen jeweils den Bedarf eines Jahres liefern, aber Wärmeleistung und Bedarf unterscheiden sich im Jahresverlauf. Die unteren beiden Diagramme zeigen das überschüssige Wärmepotential der Gethermie (rot schraffiert) bzw. den Wärmeüberschuss der Solarthermie (gelb) im Verbrauchs-Sommerloch.

Für die konstant verfügbare geothermische Wärme macht das Sommerloch etwa 25 % des Jahresbedarfs aus, für die Solarthermie etwa 50 % (3).

Wichtiger Unterschied: Überschüsse an solarthermischer Wärme benötigen Speicherung, geothermische Wärme dagegen ist permanent – unterirdisch! – gespeichert.

Gelegentlich wird argumentiert, das Bedarfssommerloch würde die Speicherung geothermischer Wärme erfordern, weil die Förderpumpen nicht so weit heruntergefahren werden könnten. Dem ist zu entgegen, dass dies bei keinem der seit langem bestehenden Geothermiekraftwerke ein Problem darstellt. Insbesondere in den ersten Jahren des Netzausbaus liegt permanent ein riesiger Leistungsüberschuss vor, der Mangels Anschlüssen nicht abgenommen werden kann. Es geht aber in der Tiefe keine Energie verloren, und die Kraftwerke arbeiten trotzdem wirtschaftlich. Außerdem wird die natürliche thermische Regeneration in der Tiefe durch Reduzierung der Entnahme in der Sommersaison begünstigt.

In der oben genannten Gräfelfinger Machbarkeitsstudie wurde das Thema saisonale Wärmespeicher in Verbindung mit Geothermie (3/4 Anteil) und Solarthermie (1/4 Anteil) untersucht (1). Der dort untersuchte 300.000 Kubikmeter-Speicher könnte etwa 8 % (inkl. Netzverluste der Fernwärmeversorgung) des Wärmeverbrauchs von Planegg speichern. Für eine zusätzliche geothermische Dublette kann dagegen im Würmtal gemäß geophysikalischer Daten (2) pro Jahr ca. das 7-10 Fache an jährlichem Wärmepotential erwartet werden.

Wir haben bereits im vorigen Artikel (3) dargelegt, warum die Freiflächen-Solarthermie gravierende Nachteile gegenüber der im Landkreis München mit riesigem Potential ausgestatteten hydrothermalen Tiefengeothermie aufweist und daher in unserer Region überflüssig ist. Es bleibt die Frage, ob geothermisch gespeiste Saisonalspeicher in der Zukunft sinnvoll sein können, denn Beispiele dafür gibt es bisher keine.

Typen von Speichern für Wärmenetze

Für Fernwärmenetze sind im Wesentlichen drei Typen von Speichern von Interesse:

Abbildung 4: Wärmespeichertypen

In deutschen Fernwärmenetzen werden ausschließlich große zylindrische Übertagespeicher bis 57.000 m³, auch atmosphärische Speicher genannt, eingesetzt. Erdbeckenwärmespeicher sind zwar kostengünstiger, benötigen aber wesentlich mehr Fläche, was besonders in urbanem Umfeld ein gravierender Nachteil ist. So weist das Bundeswirtschaftsministerium in seiner Wärmestrategie auf das Problem der Flächenkonkurrenz hin (19). Erdbeckenwärmespeicher sind selbst im „Mutterland“ Dänemark mit der Größenordnung von 0,1 % Anteil an der Wärmeversorgung immer noch eine Nischentechnologie. Dort liegen 6 von weltweit 10 solcher Speicher.

Hochtemperatur- Aquiferspeicher (4,5,6) sind ebenfalls noch eine Nischentechnologie. Sie erfordern geeignete geologische Bedingungen, die vor allem dort gegeben sind, wo gute Bedingungen für Tiefengeothermie herrschen, wie etwa im Raum München. Ein zukünftiger Hochtemperatur- Aquiferspeicher in Berlin (7) soll mit 30 000 MWh die Speicherkapazität von etwa 600.000 m³ Wasser besitzen. In München forschen die Stadtwerke derzeit auch an einem Aquiferspeicher. Dieser Speichertyp ist kostengünstig und benötigt praktisch keine Fläche, weshalb er in aktuellen Studien (8,9) bevorzugt wird.

Nah- und Fernwärmespeicher in Deutschland

Seit einigen Jahren gibt es einen Boom bei Fernwärmespeichern (10,11). Zwei in der Größenordnung vergleichbare Erdbeckenspeicher (12) dienen als Saisonalspeicher für Nahwärmenetze kleiner Ortschaften. Ein weiterer ist im Bau (12) .

Abbildung 5: Deutsche Nah- und Fernwärmespeicher mit Volumina > 10.000 m³.
Zahlen: Speichervolumen in Kubikmetern
Grau: Projekte im Bau.
Gelb: Pufferspeicher
Orange: Saisonalspeicher

Abbildung 6: Abhängigkeit der Speichergröße von der Nutzerzahl. Die blau bzw. rot gestrichelten Linien entsprechen dem typischen Wärmeverbrauch pro Haushalt von 11 MWh im Jahr, bei einem Verbrauch Haushalte : Gewerbe = 1:1. Die obere rote Linie betrifft Geothermie, die untere Solarthermie (doppelte Speichergröße nötig). Fuchstal und Nechlin: Wärme aus Windstrom und Biomasse. Bracht und Vojens(DK): Solarwärme. Die 5 weiteren Dänischen Saisonalspeicher (13) wären auf der unteren roten Linie alle zwischen Meldorf (12) und Vojens (13) angesiedelt. Meldorf: Abwärme (+ zukünftig Solarwärme). Der Münchner Speicher (14) beliefert nur 2 der 7 Teilnetze. Planegg ist hier unter Berücksichtigung des hohen Gewerbeanteils am Wärmeverbrauch und hypothetischer Anschlussquote von zwei Drittel bei effektiv 6400 Haushalten eingeordnet. Allerdings kann bei ausreichender Geothermieversorgung (siehe Abb. 2 unten) ein Pufferspeicher kleiner ausfallen oder ganz entfallen. Wien: Zukunftsprojekt Giga-TES (15)

Die Grafik zeigt, dass es für mehr als den Wärmebedarf von etwa 1000 Haushalten keine Saisonalspeicher gibt, sondern ausschließlich Pufferspeicher. Schon für den Wärmeverbrauch von Planegg müssten saisonale Erdbeckenspeicher für Geothermie ein Volumen von etwa 1 Million Kubikmetern besitzen, für Solarthermie sogar das Doppelte.

Das ambitionierte Zukunftsprojekt Giga-TES in Wien (15) hat mit 1,2 Mio. Kubikmetern Speichergröße (eine Variante) und Kosten in der Größenordnung von 50-100 Mio. € bei dem dortigen Wärmebedarf die Kapazität eines großen Pufferspeichers. Da die Speicherkapazität nur ausreichen würde, um Lastspitzen im Winter abzudecken, könnte man von einem „saisonalen Pufferspeicher“ sprechen.

Bei dem geplanten Ausbau und der Dekarbonisierung des Münchner Fernwärmenetzes würde ein Saisonalspeicher für das gesamte Netz, ebenso wie ein (rein hypothetischer) Wiener Saisonalspeicher bei heutigem Ausbaustand des Netzes, für Vollversorgung mit geothermischer Wärme ein Volumen von etwa 35 Mio. Kubikmetern haben müssen und eine Fläche von rund einem Quadratkilometer beanspruchen, was auch aufgeteilt auf mehrere Speicher nur schwer vorstellbar ist. Alternativ bräuchte man etwa 250 Aquiferspeicher der Kapazität des künftigen Berliner Speichers.

Saisonale Wärmespeicher für Geothermienetze?

Für die 23 bislang in Deutschland existierenden Geothermie-Wärmenetze (16) gibt es nur in Taufkirchen einen (kleinen) Pufferspeicher. Der in München aktuell im Bau befindliche Pufferspeicher, mit 57.000 m³ größter deutscher Wärmespeicher [14]), soll mittelfristig überwiegend geothermisch gespeist werden.

Beim einzigen Beispiel von Tiefengeothermie für eine Millionenstadt zeigen sich die Grenzen sowohl der Tiefengeothermie als auch der Wärmespeicherung:

Wollte man in München geothermische Wärme saisonal speichern, so stünde erst bei Überschreitung der Grundlast von etwa 250 MW dafür Wärme zur Verfügung (Abbildung 7 oben).

Abbildung 7: München-Stadt und München-Land – zwei verschiedene Welten für Geothermieversorgung und Wärmespeicherung.

Oben: München. Die oberhalb der Grundlast geförderte geothermische Wärmemenge könnte im Sommer gespeichert werden (blaue Schraffierung) und für Verbrauchsspitzen im Winter eingesetzt werden (geglätte Kurve gezeigt, siehe Abb. 1 ). Die grau schraffierte Fläche entspricht der Wärmemenge, die durch andere Quellen aufgebracht werden muss.

Unten: Planegg. Mit der Leistung von zwei Dubletten würde ganzjährig ein Überschuss-Angebot (blaue Schraffierung) existieren, das auch Spitzen im Winter (siehe Abb. 1 oben ) abdecken könnte.

Das Beispielszenario in Abbildung 7 oben zeigt, dass in München selbst mit 28 lokalen Geothermiedubletten erst ein kleiner Teil der geförderten Wärme saisonal gespeichert werden könnte. Selbst für diese begrenzte Wärmemenge wäre ein Wasservolumen von etwa 3 Millionen Kubimetern erforderlich, was etwa 1500 Schwimmbecken (50 m) entspricht. Auch ein solcher Riesenspeicher wäre allerdings „nur“ ein saisonaler Pufferspeicher, vergleichbar etwa mit dem Wiener Zukunftsprojekt (siehe Abb. 6). Ein „vollwertiger“ Erdbecken-Saisonalspeicher für das Bedarfs-Sommerloch erscheint kaum vorstellbar.

Für geothermische Wärmenetze im Landkreis München ist die Stuation grundlegend anders, wie ein Beispiel für eine Gemeinde wie Planegg zeigt ( Abbildung 7 unten ). Schon mit der Leistung von zwei Dubletten im Würmtal ließe sich ein deutlicher Leistungsüberschuss erzielen, der Speicherung überflüssig macht. Drei Dubletten pro Geothermiekraftwerk kann man als zuküftigen Standard ansehen (2).

Für Wärme aus dem südlichen Landkreis würde sich wegen der dort wesentlich höheren Geothermieleistung die Zahl der erforderlichen Dubletten verringern (siehe Karte in [2]). So würde etwa für Planegg im Falle einer Fernwärmeversorgung aus Pullach/Baierbrunn voraussichtlich bereits die Leistung einer Dublette oder sogar weniger auch im Winter ausreichen.

Der perfekte Wärmespeicher: Der Malm, geologische Formation mit heißem Tiefenwasser

Die vom Nordrand von München in südlicher Richtung von etwa 2000 bis in 5000 m Tiefe abfallende wasserführende Schicht, der Malm (17), besitzt eine – in südöstlicher Richtung zunehmende – Temperatur von 85°C bis 140°C in der geografischen Breite von Taufkirchen. Für diesen Raum, das ist im wesentlichen der Landkreis München mit der Stadt München, wird eine potentielle geothermische Wärmeleistung von insgesamt mindestens 1,4 GW (Gigawatt) geschätzt (18). Daraus kann man auf ein Heißwasservolumen im Malm von rund 250 Millionen Kubikmetern schließen. Der Malm ist der perfekte Wärmespeicher – platzsparend, verlustfrei, und bei dieser installierten Gesamtleistung im menschlichen Maßstab unerschöpflich. Dank der geringen Wärmegestehungskosten im Landkreis München von 1,5 bis 4 Cent pro kWh (2) ist die Tiefengeothermie als Wärmequelle wohl auch wirtschaftlich konkurrenlos. Für das Gräfelfinger Speicherprojekt wurden z.B. Wärmekosten von 10-15 Cent pro kWh ermittelt (1), ohne Berücksichtigung von Flächenkosten und ohne finanzielle Kompensation entgangener Deponieverfüllungseinnahmen.

Fazit:

Das riesige Potential eines natürlichen, gigantischen geologischen Hochtemperatur-Wärmespeichers mit konstanter Leistung namens Malm, das die Tiefengeothermie in unserer Region bietet, ermöglicht es den Kommunen, den Wärmebedarf ihrer Wärmenetze ganzjährig direkt und vollständig zu decken. Ein Erdbecken-Saisonalspeicher ist daher nicht nötig und erscheint wegen des Flächenbedarfs, wegen der erforderlichen enormen Dimension und wegen der damit verbundenen Kosten im Landkreis München auch nicht sinnvoll. Im Rahmen von geothermischen Energieverbundnetzen sind Kurzzeitspeicher dagegen zum Zweck einer intelligenten und effizienten Energieverteilung potentiell nützlich.

Quellen

(1) https://www.graefelfing.de/fileadmin/user_upload/news_bilder_NEU/2022-07-18_Graef_M14_Praes1.pdf

(2) https://geothermie-allianz.de/wp-content/uploads/2022/09/Gutachten-Masterplan-Geothermie-Bayern.pdf

(3) https://gruene-planegg.de/2024/02/02/energiewende-im-wuermtal-2-warum-ist-tiefengeothermie-die-weitaus-bessere-option-als-freiflaechen-solarthermie/

(4) https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/e/erdwaermespeicher-aquiferspeicher

(5) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032118304933

(6) https://www.forschung-und-wissen.de/nachrichten/geologie/grundwasser-als-waerme-und-kaeltespeicher-in-deutschland-13376833

(7) https://www.energiewendebauen.de/projekt/unterirdischer-speicher-sorgt-fuer-klimafreundliche-waerme

(8) https://www.ffe.de/projekte/klimaneutrale-waerme-muenchen-2035/

(9) https://www.geotis.de/homepage/sitecontent/info/publication_data/public_relations/public_relations_data/LIAG_GeothermieImpactStudie_PrePrint_020223.pdf

(10) https://de.wikipedia.org/wiki/Fernw%C3%A4rmespeicher

(11) https://enerko.de/wp-content/uploads/2021/03/210318-Waermespeicher-_Kraft_IRES_final.pdf