Die riesigen „Batterien“, die sich unter unseren Füßen verstecken

Funktionsprinzip eines Aquifer-Wärmespeichersystems. Martin Bloemendal und Theo Olsthoorn

Diese Geschichte wurde ursprünglich von Wired veröffentlicht und wird hier im Rahmen der Climate Desk-Zusammenarbeit wiedergegeben.

Wenn Regenwasser fällt, Es dringt in einen Grundwasserleiter ein, eine Schicht aus porösem Gestein oder losen Materialien wie Sand oder Kies. Seit Jahrtausenden graben Menschen in diese Flüssigkeitsbänder, um Trinkwasser zu fördern. Aber das Interesse an einer anderen cleveren Nutzung dieser unterirdischen Becken wächst: der thermischen Energiespeicherung in Grundwasserleitern (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES).

Eine Batterie speichert Energie zur späteren Nutzung. Aquifere können zu etwas Ähnlichem genutzt werden: Sie können die isolierenden Eigenschaften der Erde nutzen, um Wärmeenergie zu speichern und sie zu und von oberirdischen Gebäuden zu übertragen. Die Wassertemperatur in einem Grundwasserleiter bleibt tendenziell ziemlich stabil. Dies bietet eine Möglichkeit, nahe gelegene Gebäude mit in Wasser gespeicherter Energie zu heizen und zu kühlen, anstatt Erdgas in Öfen zu verbrennen oder für den Betrieb von Klimaanlagen Strom aus fossilen Brennstoffen zu nutzen.

ATES-Systeme bestehen aus zwei separaten Brunnen – einem warmen und einem kalten –, die zwischen der Oberfläche und dem darunter liegenden Grundwasserleiter verlaufen. Im Winter pumpt man Grundwasser aus einem etwa 18 Grad Celsius warmen Brunnen hoch und lässt es durch einen Wärmetauscher laufen. In Kombination mit einer Wärmepumpe entzieht dieser Prozess dem Grundwasser Wärme, um das Innere der Gebäude warm zu halten.

Dann pumpen Sie das nun kühlere Grundwasser in den zweiten Brunnen. Dadurch entsteht ein kaltes Wasserbecken – etwa 20 °C –, das Sie im Sommer abpumpen können, um Gebäude zu kühlen. „Man erwärmt das Grundwasser, indem man die Wärme aus dem Gebäude abführt und sie direkt in den anderen Brunnen einspeist“, sagt der Hydrogeologe Martin Bloemendal, der ATES an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden studiert. „Dann schöpfen Sie im Winter aus Ihrem warmen Brunnen.“ Dieser Prozess wechselt im Laufe der Jahreszeiten auf unbestimmte Zeit ab, da das Grundwasser wiederverwendet und nicht verbraucht wird. Das System könnte sogar brackige oder kontaminierte Grundwasserleiter nutzen, die nicht für die Trinkwassergewinnung genutzt werden können.

Da die Wasserpumpen und andere Geräte mit erneuerbarer Energie wie Sonne oder Wind betrieben werden, würde diese hocheffiziente Energiespeicherung den Bedarf an fossilen Brennstoffen senken und verhindern, dass viel Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangt. Heizung und Kühlung sind für ein Drittel des Energieverbrauchs in den USA und die Hälfte des Energieverbrauchs in Europa verantwortlich. Tatsächlich kam ein neuer Artikel in der Fachzeitschrift Applied Energy zu dem Ergebnis, dass ATES den Einsatz von Erdgas und Strom beim Heizen und Kühlen von US-amerikanischen Häusern und Unternehmen um 40 Prozent reduzieren könnte.

Es ist eine Möglichkeit, riesige Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern – eine Art unterirdische Batterie, immer bereit zur Ausbeutung. „In einer Stadt kann man Wärme und Kälte speichern, und dafür muss man jetzt nicht mehr bezahlen“, sagt Erick Burns, Leiter des Geothermal Resource Investigations Project beim United States Geological Survey. (Das USGS ist Teil eines neuen internationalen Konsortiums, das geothermische Energie im städtischen Maßstab untersucht.) „Das Coole daran ist, dass es keine kritischen Mineralien benötigt, wie es bei Batterien der Fall ist.“

Die Technik ist ideal für große Gebäude wie Krankenhäuser oder eine Ansammlung von Gebäuden wie auf einem Universitätscampus, da sie sich eine eigene Einrichtung für den Brunnen und andere Geräte teilen können. Dies wäre besonders effektiv in Zeiten hoher Netzauslastung. In den USA steigt die Nachfrage an Spätsommernachmittagen, wenn die Menschen ihre energiehungrigen Klimaanlagen einschalten. ATES verbraucht deutlich weniger Strom, was das Netz entlasten und helfen würde, Abstürze zu vermeiden. Wenn diese Systeme nicht nur mit Solar- oder Windenergie betrieben werden könnten, sondern auch durch ein verteiltes Netzwerk von Lithium-Ionen-Batterien unterstützt würden, könnten sie insgesamt widerstandsfähig gegen Stromausfälle sein.

„Diese Systeme sind ideal für die Integration erneuerbarer Energien“, sagt der Energiesystemforscher ATD Perera, Hauptautor des neuen Papiers. (Perera ist jetzt an der Princeton University, hat die Forschung aber am Lawrence Berkeley National Laboratory durchgeführt.)

Diese Technologie ist weltweit noch nicht weit verbreitet. Etwa 85 Prozent der ATES-Systeme befinden sich in den Niederlanden, wo sowohl die richtige Geologie als auch strenge nationale Standards für Energieeffizienz gelten. Doch eine Studie ergab, dass weite Teile Deutschlands dafür geeignet sind; Eine andere fand heraus, dass fast ein Drittel der spanischen Bevölkerung in Gebieten lebt, die für ATES geeignet sind.

Allerdings passt nicht jeder Bereich gut dazu. Anders als beispielsweise ein Erdgaskraftwerk hängt ein Geothermiesystem von einer Vielzahl komplexer geologischer Faktoren ab. „Es wäre wirklich sehr, sehr schwierig zu sagen ‚Okay, dieses System funktioniert gut, wo ich in Illinois lebe‘ und es dann auf Ihr Zuhause in Kalifornien zu übertragen“, sagt Yu-Feng Lin, Geowissenschaftler an der University of Illinois Urbana-Champagner. (Lin ist Teil des internationalen Konsortiums mit Burns, war aber nicht an der neuen Arbeit beteiligt.) „Es ist nicht so einfach wie Kopieren und Einfügen.“

Beispielsweise hat eine auf festem Fels errichtete Stadt keinen einfachen Zugang zu einem Grundwasserleiter. Und selbst jemand, der Zugang hat, benötigt eine ausreichende „hydraulische Leitfähigkeit“, was bedeutet, dass Wasser problemlos durch unterirdische Materialien wie Sand und Kies fließen kann. Je besser das Wasser fließt, desto einfacher und weniger energieintensiv ist das Abpumpen.

Das heißt, es darf nicht zu viel fließen, denn wenn man Wasser nach unten pumpt, kann es an andere Stellen in der Landschaft wandern. „Man möchte, dass es fließt, wenn man möchte, dass es fließt“, sagt Peter Nico, ein Geowissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory, der das Papier gemeinsam mit Perera verfasst hat. Zum Glück für die Vereinigten Staaten, fügt Nico hinzu, „gibt es weite Teile des Landes, die dafür gut gerüstet sind.“

Aber es gibt noch einen weiteren Herausforderer: ATES ist teuer. Es erfordert eine gründliche Untersuchung der Geologie einer bestimmten Stadt und anschließend die Kosten für Bohrungen und den Aufbau der Pumpausrüstung. Aber zumindest stehen diese Kosten im Vordergrund: Sobald Sie Brunnen und Pumpen haben, wird alles mit reichlich vorhandener, kostenloser Solar- oder Windenergie betrieben. Außerdem nimmt es an der Oberfläche nicht viel Platz ein und lässt Platz für Stadtgärten und andere offene Grünflächen, die Städte mehr denn je brauchen. „Wenn man bereit wäre, etwas mehr zu zahlen, um die Klimaresilienz zu verbessern oder nachhaltiger zu werden“, sagt Perera, „wäre das ein idealer Weg.“