SpeicherCity: Modelle zur Systemintegration von Aquiferspeichern in Städten; Teilprojekt: Flexibilitätsoptionen und Umweltauswirkungen unter zeitlich variablen Nutzungsbedingungen

Abstract

Das Teilprojekt untersucht die Auslegung eines Niedrigtemperatur-Aquiferspeichers (LT-ATES) für die zukünftige CO₂-neutrale Wärme- und Kälteversorgung eines Campus-Bereichs der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Ziel der Arbeiten war es, die Auswirkungen geologischer Unsicherheiten sowie zeitlich variierender Energiebedarfe infolge von möglichen Bauverzögerungen, Umplanungen oder klimatischen Veränderungen auf die Dimensionierung und den Betrieb des Speichers sowie die thermischen Umweltauswirkungen zu bewerten. Die Ergebnisse sollten die Planung eines nachhaltigen Energieversorgungskonzepts für den Campus unterstützen. Eine besondere Herausforderung für die Dimensionierung des LT-ATES besteht in den relativ geringen hydraulischen Leitfähigkeiten der als Speicherschicht in Betracht kommenden Aquifere am Standort. Im Projekt wurden simulationsbasierte Methoden zur Dimensionierung und Optimierung von LT-ATES-Systemen entwickelt. Hierfür wurde ein Workflow zur physikalisch basierten Betriebssimulation unter Einbindung geologischer Untergrundmodelle, thermo-hydraulischer Strömungs- und Wärmetransportmodelle sowie Gebäude- und Energiesystemmodelle aufgestellt. Zudem wurde eine recheneffiziente analytische Methodik zur Erstauslegung von Brunnenfeldern entwickelt, die thermische und hydraulische Limitierungen sowie bestehende Unsicherheiten berücksichtigt. Grundlage der Analysen bildeten Standorterkundungen, Laboruntersuchungen, ein digitales geologisches Modell sowie Ergebnisse einer energetischen Machbarkeitsstudie. Die Untersuchungen anhand eines Szenarienansatzes zeigen, dass die Unsicherheit der hydraulischen Eigenschaften des Aquifers einen wesentlichen Einfluss auf die erforderliche Größe des Brunnenfeldes hat. Gleichzeitig zeigen Langzeitsimulationen des ATES-Betriebs, dass die analytisch vordimensionierten ATES-Systeme auch unter ungünstigen hydraulischen Bedingungen die energetischen Anforderungen des Wärme- und Kälteversorgungssystems erfüllen können. Die Systeme verfügen über ausreichende Flexibilitätsreserven, um unterschiedliche betriebliche und klimatische Lastentwicklungen abzudecken. Thermische und hydraulische Auswirkungen bleiben dabei weitgehend auf den Campusbereich begrenzt. Die Methoden und Ergebnisse der umfassenden Szenariensimulationen unterstützen die konkrete Umsetzung des Campus-Energieversorgungskonzepts. Aus einer übergeordneten Analyse der einzelnen Teilprojekt-Standortmodelle des Verbunds, ergänzt durch Literaturauswertungen, wurden Best-Practice-Empfehlungen für den Einsatz gekoppelter numerischer Simulationsmodelle zur Planung, Dimensionierung, Auswirkungsanalyse und Betriebssimulation von LT- und HT-ATES-Systemen auf der Testfeld- bis zur Stadtskala und von der Planungs- bis zur Betriebsphase abgeleitet. Diese umfassen unter anderem den Umgang mit geologischen und betrieblichen Unsicherheiten, die Auswahl geeigneter Modellierungswerkzeuge sowie deren Integration in Planungs- und Simulationsworkflows und dienen Modellnutzern und Entscheidungsträgern in Planungsagenturen, ATES-Betreibern sowie kommunalen Behörden als Orientierungshilfe zu konzeptionellen oder technischen Lösungen für typische Herausforderungen bei der ATES-Modellierung auf dem aktuellen Stand der Technik.