Verbundprojekt: SpeicherCity; Vorhaben: Energiesystemmodellierung

Abstract

Die Dekarbonisierung des Wärmesektors erfordert neben dem Ausbau erneuerbarer Energien neue Flexibilitätsoptionen zur Kopplung von Strom-, Wärme- und Infrastruktursystemen. Im Rahmen des Verbundprojekts SpeicherCity wurde daher die Rolle von Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeichern (HT-ATES) in Deutschland auf Systemebene untersucht. Ziel war es, das technische Potenzial, die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit und den systemischen Nutzen von HT-ATES für zukünftige klimaneutrale Energiesysteme zu bewerten. Hierfür wurde ein GIS-basierter Ansatz zur deutschlandweiten Ermittlung geeigneter HT-ATES-Standorte entwickelt, der hydrogeologische Eignung, Fernwärmebedarf sowie Potenziale aus industrieller Abwärme, Müllverbrennungsanlagen und Kläranlagen kombiniert. Die resultierenden regionalen Potenziale wurden in das sektorgekoppelte Energiesystemmodell PyPSA-DE integriert, um den kostenoptimalen Einsatz von HT-ATES im Wettbewerb mit anderen Wärmespeichertechnologien zu analysieren. Betrachtet wurden Dekarbonisierungsszenarien für die Jahre 2035 und 2045 sowie Sensitivitäten hinsichtlich Erdgaspreisen, Speicherkosten, Netzausbau und Betriebsweisen. Die Ergebnisse zeigen, dass Deutschland über ein sehr großes geologisches HT-ATES-Potenzial verfügt, dessen tatsächliche Nutzung jedoch maßgeblich von wirtschaftlichen und betrieblichen Randbedingungen abhängt. Während der Beitrag saisonaler Wärmespeicher im Jahr 2035 noch begrenzt bleibt, steigt ihre Bedeutung bis 2045 deutlich an. Unter Annahme eines quasi-saisonalen Betriebs ermöglichen HT-ATES-Systeme eine Senkung der jährlichen Systemkosten um rund 5 bis 6 Milliarden Euro gegenüber Szenarien ohne großskalige saisonale Wärmespeicherung. Gleichzeitig reduzieren sie die Abregelung erneuerbarer Stromerzeugung um etwa 40 bis 60 % und unterstützen insbesondere die Integration großer Offshore-Windstrommengen. Die Analysen zeigen zudem, dass HT-ATES in Regionen mit geeigneten hydrogeologischen Bedingungen häufig gegenüber alternativen saisonalen Speichertechnologien bevorzugt wird. Entscheidend für den Systemwert sind dabei weniger die maximal verfügbaren Speicherkapazitäten als vielmehr die betriebliche Flexibilität und die Möglichkeit, auf Markt- und Lastsignale zu reagieren. Die Studie verdeutlicht, dass HT-ATES eine vielversprechende Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung von Fernwärmesystemen und die Integration erneuerbarer Energien in Deutschland darstellen kann. Für eine erfolgreiche Markteinführung sind jedoch geeignete regulatorische Rahmenbedingungen, eine Integration in die kommunale Wärmeplanung, gezielte Förderinstrumente zur Risikominimierung sowie weitere Demonstrationsprojekte erforderlich. Die Arbeit liefert damit eine wissenschaftlich fundierte Grundlage für die Bewertung und strategische Einbindung saisonaler Wärmespeicher in zukünftige klimaneutrale Energiesysteme.