BMBF/BMFTR - Verbundprojekt: KONATES - Modellversuch zur Nutzung kontaminierter Aquifere für eine Wärmebewirtschaftung mit ATES Anlagen

Abstract

Die globalen und nationalen Klimaschutzziele erfordern eine tiefgreifende Transformation der Energiesysteme. So soll in Deutschland der Ausstoß der Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 65 % gegenüber 1990 reduziert und bis 2045 Netto-Treibhausgasneutralität erreicht werden \citep{bundestag2023_klimaschutzziele}. Während der Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor deutlich vorangeschritten ist, stagniert der Anteil erneuerbarer Energien im Wärmesektor seit über einem Jahrzehnt, obwohl dieser rund 50% des Endenergieverbrauchs in Deutschland ausmacht \citep{BMBF2021_Auschreibung}. Eine der zentralen Herausforderungen der Wärmewende liegt weniger in der Erzeugung erneuerbarer thermischer Energie als vielmehr in ihrer zeitlichen Verfügbarkeit. Der ausgeprägte saisonale Versatz zwischen Wärmeangebot und -nachfrage erfordert leistungsfähige Speichertechnologien, um erneuerbare Wärmequellen ganzjährig nutzbar zu machen \citep{BMBF2021_Auschreibung}. Besonders vielversprechend ist die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern, die sogenannte Aquifer Thermal Energy Storage (ATES). Diese Technologie kann Poren-, Kluft- und Karstsysteme als natürliche Speicher sowie grundwassererfüllte bergbauliche Hohlräume als Speicher nutzen. Im Vergleich zu anderen saisonalen Speichertechnologien zeichnen sich ATES-Systeme durch geringe Errichtungs- und Betriebskosten, hohe Speicherkapazitäten sowie eine hohe energetische Effizienz aus \citep{bloemendal2018_ates}. Damit bietet ATES insbesondere in dicht besiedelten urbanen Räumen ein erhebliches Potenzial für eine nachhaltige und erneuerbare Wärme- (und Kälte-)versorgung durch saisonale Speicherung thermischer Energie. Gleichzeitig sind gerade diese Räume häufig durch komplexe hydrogeologische und umweltchemische Randbedingungen geprägt, die eine Nutzung der Technologie erschweren. Häufig sind die oberflächennahen Grundwasserleiter durch Kontaminationen belastet, die auf die lange Geschichte industrieller Nutzung zurückzuführen sind. Inwieweit diese Kontaminationen die Nutzung als saisonalen Wärmespeicher einschränken, ist wissenschaftlich bislang nur in begrenztem Umfang untersucht \citep{Zuurbier2013,HofmanCaris2017}. Das KONATES-Projekt (KONtaminiertes ATES), welches Teil des Forschungsprogramms „Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N): Möglichkeiten und Grenzen thermischer Energiespeicherung in Aquiferen“ des BMBF (heute: BMFTR) war, untersucht die Machbarkeit eines zyklischen Hochtemperatur-ATES-Betriebs mit Temperaturen bis zu \SI{80}{\degreeCelsius} in einem kontaminierten Aquifer. Ziel war es, die relevanten Wechselwirkungen zwischen thermischen und hydrochemischen Prozessen in kontaminierten Aquiferen systematisch zu erfassen und zu bewerten, um saisonale thermische Energiespeicherung mit einer \textit{in-situ} und \textit{on-site} Grundwasserreinigung unter repräsentativen städtischen Bedingungen zu kombinieren. Damit wurde zugleich eine integrierte Kopplung von Wärme-, Wasser- und Stoffkreisläufen im Untergrund verfolgt. In diesem Zusammenhang befasste sich das Projekt insbesondere mit temperaturabhängigen hydrogeochemischen und mikrobiologischen Prozessen, da diese sowohl für die Wirksamkeit der Grundwasserreinigung als auch für die langfristige Leistungsfähigkeit von Hochtemperatur-ATES-Systemen eine entscheidende Rolle spielen. Damit sollte einerseits der CO\textsubscript{2}-Fußabdruck des urbanen Wärmemanagements reduziert und andererseits eine potenzielle Sanierungseffizienz durch den ATES-Speicherbetrieb optimiert werden. Vor diesem Hintergrund sind Aquifere in urbanen Bereichen für eine Nutzung durch ATES insbesondere dann prädestiniert, wenn die Wärmebewirtschaftung zugleich zur Verbesserung der Grundwasserqualität beitragen kann, die bislang aufgrund vorhandener Kontaminationen eine Nutzung ausschließt. Zentraler Bestandteil des Forschungsvorhabens war die reale Umsetzung eines zyklischen Hochtemperatur-ATES-Betriebs unter kontrollierten Bedingungen an einem Versuchsstandort auf dem Gelände des Wissenschaftsparks Leipzig, der aufgrund der für städtische Räume typischen Altlastensituation ein repräsentatives Testfeld für ATES-Anwendungen in kontaminierten Aquiferen darstellte. Der generische Forschungsansatz ermöglichte darüber hinaus eine Übertragbarkeit der Methodik auf vergleichbare urbane und industriell geprägte Standorte mit zum Teil hohen und großflächigen Schadstoffbelastungen. Zur experimentellen Umsetzung dieses Ansatzes wurde in KONATES der thermische Speicherbetrieb gezielt über eine eigens installierte Heizung im obertägigen Anlagenteil gesteuert, die die definierte Einspeisung reproduzierbarer Wärmelasten ermöglicht. Im Unterschied zu regulären ATES-Systemen, die mit realen Wärmequellen aus Gebäuden oder industriellen Prozessen betrieben werden, erlaubt dieser Versuchsaufbau eine systematische Variation der Betriebsparameter und eine eindeutige Zuordnung der beobachteten Effekte. Dies schafft die methodische Grundlage für eine belastbare Analyse der gekoppelten thermischen, hydraulischen und hydrochemischen Prozesse.