Im Sommer steht Wärme oft dann bereit, wenn kaum jemand heizt. Im Winter ist es umgekehrt. Ein Erdbecken-Wärmespeicher soll diese Lücke überbrücken: Er bewahrt heißes Wasser in einer großen, abgedeckten Grube, bis ein Wärmenetz es braucht. Die Technik kann erneuerbare Wärme über Monate verschieben. Doch dafür benötigt sie viel Raum und verliert während der Lagerung einen Teil der Energie.
Wie groß das Becken sein muss, hängt nicht nur vom Wärmebedarf ab. Entscheidend sind auch die nutzbare Temperaturspanne, die Einbindung einer Wärmepumpe und die Frage, wie oft der Speicher im Jahr be- und entladen wird. Ein Beispiel aus Dänemark zeigt, warum eine einzelne Wirkungsgradzahl diese Zusammenhänge nicht vollständig erzählt.
Eine große Grube als Wärmespeicher
Ein Erdbeckenspeicher ist vereinfacht gesagt ein künstliches, abgedichtetes Wasserbecken im Boden. Eine isolierende Abdeckung liegt auf dem Wasser. Über Leitungen wird Wärme eingespeist oder für ein angeschlossenes Netz entnommen. Das Netz verteilt heißes Wasser über gedämmte Rohre an Gebäude und bringt abgekühltes Wasser zurück.
Solarthermie ist eine mögliche Wärmequelle: Kollektoren fangen Sonnenwärme ein und übertragen sie auf Wasser. Ein Speicher kann Überschüsse aufnehmen, die das Netz gerade nicht braucht. Er ist aber keine eigene Energiequelle. Er verschiebt Wärme, die vorher erzeugt oder etwa als Abwärme eingesammelt wurde.
Wasser speichert Wärme vergleichsweise einfach, benötigt für große Wärmemengen aber viel Volumen. Wie viel davon nutzbar ist, hängt davon ab, wie weit sich das Wasser zwischen dem Laden und Entladen abkühlen lässt. Ein Speicher, der über viele kalte Wochen liefern soll, muss daher auf Bedarf, Temperatur und verfügbare Wärmequellen abgestimmt werden.
Warum größer nicht einfach schlechter ist
Die Größe ist zunächst eine Herausforderung für den Standort: Ein großes Becken braucht eine geeignete Fläche, muss gebaut und an das Netz angeschlossen werden. Gerade in dicht bebauten Gebieten kann das schwierig sein. Die Internationale Energieagentur beschreibt beim Forschungsprojekt giga_TES außerdem Anforderungen an Bauweise, Dichtheit und langlebige Materialien. Dort wurden unter anderem unterirdische Speicher mit anderweitig nutzbaren Oberflächen untersucht.
Große Wassermengen haben aber auch einen Vorteil. Bei geometrisch ähnlichen Formen wächst das Volumen schneller als die Oberfläche. Über die Oberfläche gelangt Wärme nach außen; das Volumen bestimmt dagegen mit, wie viel Wasser Wärme aufnehmen kann. Ein größeres Becken kann deshalb im Verhältnis zum Inhalt weniger Austauschfläche haben. Daraus folgt allerdings kein pauschaler Verlustwert: Form, Dämmung, Temperatur und Betrieb machen einen Unterschied.
Ein Fraunhofer-Bericht zur Kraft-Wärme-Kopplung beschreibt Erdbecken als drucklose Speicher mit vergleichsweise geringem Materialaufwand. Gegenüber klassischen drucklosen Stahltanks nennt er geringere Kosten, aber auch höheren Flächenbedarf und höhere Wärmeverluste. Welche Lösung wirtschaftlich ist, entscheidet sich am konkreten Projekt und seiner Einbindung.
Was in Dronninglund gemessen wurde
Im dänischen Dronninglund wurde ein Erdbecken zusammen mit Solarwärme und Wärmepumpe betrieben. Forschende von Solites werteten die Messdaten aus. Für den Zeitraum 2014 bis 2017 nennt der Projektabschlussbericht rund 48.911 Megawattstunden eingespeiste und 44.352 Megawattstunden entnommene Wärme. Der Wärmeinhalt des Speichers stieg über den Zeitraum um 676 Megawattstunden; die bilanzierten Verluste lagen bei 3.884 Megawattstunden.
Der Bericht gibt einen Speicherwirkungsgrad von 92 Prozent an. Das klingt, als würden von jeder im Sommer eingelagerten Wärmeeinheit neun Zehntel erst im Winter wieder herauskommen. Genau das lässt sich aus der Zahl allein nicht ablesen. Das Becken wurde sowohl saisonal als auch kurzfristig genutzt. Wärme konnte also mehrfach im Messzeitraum durch den Speicher laufen, statt stets über eine ganze Saison darin zu bleiben. Der hohe jährliche Durchsatz beeinflusst das Verhältnis von Verlusten zu umgesetzter Wärme.
Auch die Temperatur spielte eine Rolle. Laut Solites-Auswertung lagen die Temperaturen im unteren Speicherbereich im Winter und Frühjahr zeitweise unter der Temperatur des umgebenden Bodens. Dort floss dann Wärme aus dem Boden in den Speicher. Den größten Teil der Wärmeverluste verortet die Auswertung dagegen im oberen Bereich. Die Messungen beschreiben diese Anlage und ihre Betriebsweise, keine allgemeine Garantie für andere Standorte.
Was die Wärmepumpe verändert
Für die Versorgung genügt es nicht, dass Wasser im Speicher wärmer als seine Umgebung ist. Es muss Wärme auf einem Temperaturniveau liefern, das zum Netz passt. Sinkt die Speichertemperatur, kann eine Wärmepumpe helfen: Sie nimmt Wärme auf niedrigerem Niveau auf und hebt sie mithilfe elektrischer Energie auf eine höhere Temperatur.
Dadurch lässt sich der Speicher weiter entladen. Die nutzbare Temperaturspanne wird größer und für dieselbe nutzbare Wärmemenge kann ein kleineres Volumen ausreichen. Das beobachteten die Forschenden in Dronninglund. Die Wärmepumpe benötigt allerdings Strom. Der ausgewiesene Speicherwirkungsgrad allein beschreibt deshalb noch nicht die gesamte Energiebilanz von Speicher, Wärmepumpe und Wärmenetz.
Mehr erneuerbare Wärme trotz zusätzlicher Verluste
Ein Speicher kann die Nutzung von Wärme ermöglichen, die sonst zum falschen Zeitpunkt anfällt. Er verursacht zugleich zusätzliche Wärmeverluste. Das Fraunhofer IFAM beschreibt diesen Zielkonflikt: Der Anteil erneuerbarer Wärme kann steigen, während die zusätzliche Speicherstufe die energetische Effizienz senkt.
Für die Planung reicht daher weder die Größe des Beckens noch ein einzelner Wirkungsgrad. Wichtig sind die Temperatur im Netz, die Wärmemenge im Jahresverlauf, der Platz und die Kosten am Standort sowie der Strombedarf einer gegebenenfalls eingesetzten Wärmepumpe. Ein sinnvoller Speicher passt zu diesem Zusammenspiel: Er muss genug Wärme zum richtigen Zeitpunkt liefern und zugleich mit den Verlusten und dem verfügbaren Raum auskommen.
Quellen
- PlanEnergi und Solites: Abschlussbericht zum Monitoring dänischer Wärmespeicher
- Solites: Dronninglund Monitoring Data Evaluation 2015–2017
- Fraunhofer: Evaluierung der Kraft-Wärme-Kopplung
- IEA: Very large thermal energy storage for renewable districts
- Fraunhofer IFAM: Effizienz in Wärmenetzen
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