Untersuchung des Leistungsvermögens mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher mittels numerischer Modellierung

Über 30 % des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland sind auf die Gebäudeheizung und die Warmwasseraufbereitung zu-rückzuführen. Solare Wärme steht in den Sommermonaten im Überfluss zur Verfügung. Mit geeigneten Speichersystemen kann diese Wärme saisonal gespeichert und im Winter bei erhöhtem Wärmebedarf den Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Oberflä-chennahe Wärmespeicherung in Erdwärmesonden- oder Aquiferspeichern hat sich technisch bewährt, steht jedoch häufig in Konflikt mit dem Grundwasserschutz. Die Speicherung von Wärme in Erdwärmesondenspeichern mittlerer Tiefe zwischen 400 m und 1.000 m stellt eine Möglichkeit dar diesen Konflikt zu vermeiden. Zudem versprechen höhere natürliche Untergrundtemperaturen und der dadurch bedingte geringere Temperaturgradient zwischen aufgeheiztem Speichergestein und Nebengestein einen geringeren Tempe-raturverlust des Systems. Mit dem Ziel der Speicheroptimierung wurde der Einfluss der Speicherauslegung, sowie der Einfluss der Untergrundeigenschaften auf die Leistung und den Nutzungsgrad mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher untersucht. Der Wärmetransport in den Erdwärmeson-den und im Untergrund wurde mit FEFLOW 6.2 numerisch modelliert. Unter Annahme eines vereinfachten Betriebsszenarios konnten durch die Variation von Sondenlänge, Sondenabstand und Sonden-anzahl mehr als 200 unterschiedliche Speicherkonfigurationen über eine Dauer von 30 Jahren simuliert und verglichen werden. An ausgewählten Speichermodellen wurden zudem die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität, sowie die hydraulische Durchläs-sigkeit der Modelleinheiten variiert, um deren Einfluss auf das Speicherverhalten zu quantifizieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass alle betrachteten Speicherkonfigurationen mit zunehmender Betriebsdauer eine deutliche Effizienzsteigerung aufweisen. Sowohl die spezifische Entzugsleistung als auch der Speichernutzungsgrad mitteltiefer Erdwärme-sondenspeicher weisen eine deutliche Abhängigkeit von der Speicherkonfiguration und den Untergrundeigenschaften auf. Je nach Parameterwahl liegt der Speichernutzungsgrad und somit die Effizienz im 10. Betriebsjahr zwischen unter 20 % und über 70 %. Die durchschnittliche spezifische Entzugsleistung bei einer vorgegebenen jährlichen Betriebsdauer von 4380 Stunden während der Ent-zugsphase liegt je nach Konfiguration zwischen 40 W∙m-1 und über 90 W∙m-1. Das entspricht einem jährlichen spezifischen Wärme-entzug von etwa 175 kWh bis über 390 kWh pro Sondenmeter. Mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher könnten demnach besonders bei der Speicherung großer Wärmemengen, zum Beispiel aus Solarkollektoren, einen wichtigen Beitrag zu einer umweltfreundlichen und effizienten Heizwärmeversorgung leisten