Planung und Bau eines Aquiferspeichers zur saisonalen Speicherung von Ab- und Überschusswärme
Projekt: Aquiferspeicher
Problembeschreibung
Die Wärmeversorgung der Freien und Hansestadt Hamburg wird sich durch die forcierte Wärmewende verändern müssen. Neue Wärmequellen aus erneuerbaren Energien (z.B. Solarthermie, PtH aus Windstrom, Biomasse) und CO2-neutralen Einspeisequellen (Abwärme aus industriellen Prozessen) müssen erschlossen und in das Fernwärmesystem integriert werden. Die Aufnahmekapazität des Fernwärmesystems bleibt außerhalb der Heizperiode unter dem Einspeisepotenzial klimaneutraler Abwärmequellen, die sonst ungenutzt bleiben. Der saisonale Versatz zwischen Angebot und Nachfrage im Wärmesektor ist jedoch ein entscheidendes Problem für die Umsetzung der Wärmewende, das der Aquiferspeicher adressiert.
Projektziel
Das Projekt will mit dem Bau und Betrieb eines Demonstrators die technische und wirtschaftliche Machbarkeit eines Aquiferspeichers im Großversuch zeigen und Optimierungsmaßnahmen mit Betriebsdaten erarbeiten. Mit einer Speicherleistung von 2,6 MW, einer Kapazität von 5 GWh und einer Speichertiefe von 1000m Tiefe ist der Aquiferspeicher der größte Hochtemperaturspeicher der Welt. Durch den Einsatz eines Aquiferspeichers als saisonaler Wärmespeicher kann das ungenutzte Einspeisepotenzial aus den Sommermonaten in die Heizperiode verschoben werden. Damit wird der Anteil CO2-neutraler Wärme im Fernwärmesystem deutlich gesteigert und über die Lebensdauer des Speichers bis zu 34.000 t CO2 eingespart.
Projektvorgehensweise
Bau und Inbetriebnahme eines in 1000m Tiefe liegendes Hochtemperatur Aquiferspeichers und dessen Integration in ein bestehendes Fernwärmenetz. Anschließend erfolgt ein Demonstrationsbetrieb in der der Speicherbetrieb messtechnisch umfassend erfasst wird und eine optimaler Betrieb des Speichers untersucht wird. Die folgende Abbildung zeigt das grundsätzliche Funktionsprinzip eines Aquiferspeichers.
Aufgabe TUHH
Die Planung und der Bau des Aquiferspeichers soll wissenschaftlich begleitet werden. Das Institut für Technische Thermodynamik soll den dynamischen Betrieb des Speichers abbilden und mithilfe eines detaillierten Messsystems der obertägigen Anlage das Gesamtsystem validieren. Das Gesamtsystem besteht aus dem eigentlichen unterirdischen Speicher und der obertägigen Anlage. Mit diesem Gesamtmodell soll anschließend eine Optimierung der Speicherbewirtschaftung erfolgen.
Weil die erste Borhung nicht erfolgreich war, wurden die Arbeiten am Aquiferspeicher im Jahr 2023 eingestellt. Die Aufgaben des Instituts für Technische Thermodynamik ändern damit teilweise den Fokus. Die Forschung von Aquiferspeichern bleibt ein Schwerpunkt, auch wenn praktische Untersuchungen dazu in Hamburg nicht mehr durchgeführt werden. Hinzu kommt das Thema "Großwärmepumpen". Diese Technologie bietet eine weitere Möglichkeit zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung. Dazu sollen zum einen Modelle zur Abschätzung des Potenzials von Wärmepumpen unter verschiedenen Randbedingungen erstellt werden. Zum anderen soll anhand von detaillierten Komponentenmodellen die Möglichkeit der dynamischen Simulation von spezifischen Systemen geschaffen werden.
Einsortierung in NRL
Im länderübergreifenden Verbundprojekt soll die ganzheitliche Transformation des Energiesystems erprobt werden. Dafür wird der Fokus auf zwei Technologiebereiche gelegt: die integrierte Sektorenkopplung mit Schwerpunkt Wasserstoff sowie die energieeffiziente Quartierslösung vorrangig im Wärmebereich. Durch die Schaffung nachhaltiger Innovationen in der Sektorkopplung durch große und skalierbare Demonstratoren werden wirtschaftliche Impulse für die Entwicklung von Zukunftsmärkten erbracht, insbesondere in der Industrie und deren Wertschöpfungsketten. Ziel ist auch die Sicherung und der Ausbau des Industriestandortes Norddeutschland sowie die Stärkung der Zukunftsfähigkeit und Wettbewerbsfähigkeit der ansässigen Unternehmen. Schlussendlich soll die realitätsnahe Erprobung des Transformationspfades hin zu einem versorgungssicheren integrierten Energiesystem mit dem Dekarbonisierungsziel, die CO2-Emissionen in der Region bis 2035 um 75 Prozent zu senken, erfolgen.
Planning and construction of an aquifer storage for the seasonal storage of waste and excess heat
Project: Aquifer Storage
Problem Statement
The heat supply of the Free and Hanseatic City of Hamburg will have to change due to the accelerated heat transition. New heat sources from renewable energies (e.g. solar thermal, PtH from wind power, biomass) and CO2-neutral feed sources (waste heat from industrial processes) must be developed and integrated into the district heating system. Outside the heating period, the absorption capacity of the district heating system remains below the feed-in potential of climate-neutral waste heat sources, which otherwise remain unused. However, the seasonal offset between supply and demand in the heat sector is a crucial problem for the implementation of the heat transition, which the aquifer storage addresses.
Project Goal
With the construction and operation of a demonstrator, the project intends to show the technical and economic feasibility of an aquifer storage facility in a large-scale test and develop optimization measures with operating data. With a storage capacity of 2.6 MW, a capacity of 5 GWh and a storage depth of 1000m, the aquifer storage facility is the largest high-temperature storage facility in the world. By using an aquifer storage as a seasonal heat storage, the unused feed-in potential can be shifted from the summer months to the heating period. This significantly increases the proportion of CO2-neutral heat in the district heating system and saves up to 34,000 t of CO2 over the service life of the storage facility.
Project Approach
Construction and commissioning of a high-temperature aquifer storage facility at a depth of 1000m and its integration into an existing district heating network. This is followed by a demonstration operation in which the storage operation is comprehensively recorded by measurement and an optimal operation of the storage is examined. The figure below shows the basic functional principle of an aquifer storage facility.
Responsibility of TUHH
The planning and construction of the aquifer storage is to be accompanied scientifically. The Institute of Engineering Thermodynamics is to map the dynamic operation of the storage facility and to validate the entire system with the help of a detailed measuring system of the above-ground facility. The overall system consists of the actual underground storage facility and the surface facility. This overall model should then be used to optimize storage management.
Classification in NGLL
In the transnational joint project, the holistic transformation of the energy system can be tested. For that, the focus is on two technology areas: integrated sector coupling with main focus on hydrogen as well as energy-efficient district solution in the field of heat. By creating sustainable innovations in the sector coupling through large and scalable demonstrators economic impulses for the development of future markets can be provided, especially in the industry and its value chains. The aim is also to secure and expand the industrial location Northern Germany as well as the strengthening of future viability and competitiveness of local companies. Ultimately, the realistic testing of the transformation path towards a secure, integrated energy system with the decarbonization goal of reducing CO2 emissions in the region by 75 percent by 2035 shall result.
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