Mitteltiefe Erdwärmesonden-Speicher-Systeme

Die Energiewende hat sich bisher größtenteils auf den Stromsektor konzentriert. Der größte Anteil der verbrauchten Energie entfällt jedoch zu mehr als 50% auf die Erzeugung von Wärme. Das Ziel, innerhalb der EU die Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80% gegenüber dem Ausstoß von 1990 zu reduzieren, ist gefährdet, sofern die Dekarbonisierung nicht auch auf den Wärmesektor ausgeweitet wird. Die naheliegende Quelle für erneuerbare Wärme ist Solarenergie. Die Jahreszeiten bedingen jedoch, dass solarer Ertrag und Wärmebedarf zeitlich kaum zur Deckung kommen. Deshalb sind für die Wärmewende Technologien erforderlich, welche große Mengen thermischer Energie über lange Zeiträume speichern können.

Mitteltiefe Erdwärmesondenfelder können hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Sie sind besonders für die saisonale Hochtemperatur-Speicherung von Wärme aus Solarthermie oder Nahwärmenetzen geeignet. Für die Planung und Dimensionierung solcher Systeme sind numerische Simulationen des Betriebs erforderlich. Am Fachgebiet Angewandte Geothermie kommen hierfür Zwei-Kontinuumsmodelle zum Einsatz, bei denen eine numerische Berechnung des Wärmetransports im Untergrund mit einer analytischen Lösung für die thermische Interaktion der Erdwärmesonden gekoppelt wird (BASIMO, FEFLOW). Dies ermöglicht eine effiziente Modellierung der Erdwärmesonden, welche die relevanten thermo-physikalischen Material- und Betriebsparameter berücksichtigen und einen hohen physikalischen Detailierungsgrad aufweisen. Über eine Kopplung mit mathematischen Optimierungsalgorithmen können weiterhin in einem iterativen Prozess verschiedene Bemessungsgrößen von Erdwärmesonden-Speichern bestimmt werden, die in einer optimalen Auslegung des Speichers resultieren.

Die dynamische Interaktion zwischen Erdwärmesonden-Speicher und nachgeschaltetem Heizsystem beeinflusst die Effizienz solcher Speichersysteme maßgeblich. Ein weiterer Fokus im Fachgebiet liegt daher auf der gekoppelten Simulationen verschiedener Systemkomponenten. Hierbei werden die Modelle des Speichers und des Heizsystems in gesonderten Simulationsumgebungen abgebildet und über eine Kopplung synchron simuliert, sodass die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Systems berücksichtigt werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Beurteilung der Auswirkung von verschiedenen Systemarchitekturen, Dimensionierungsverhältnissen und Regelungsstrategien auf die energetische Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltauswirkungen solcher Systeme.