Die Entwicklung von Erdbecken-Wärmespeichern: Ein Überblick 

Ursprung und erste Pilotprojekte in Schweden und Dänemark 

Die Geschichte der Erdbecken-Wärmespeicher begann in den späten 1970er Jahren mit ersten Forschungsprojekten in Schweden. In den Städten Studsvik und Linköping wurden zwischen 1978 und 1982 großtechnische Langzeitspeicher mit solarthermischer Beheizung entwickelt. Diese frühen Projekte weckten das Interesse anderer Länder, insbesondere Dänemarks, wo die Technische Universität Dänemarks (DTU) begann, eine eigene Variante der Speichertechnologie zu erforschen. Ziel war es, eine wirtschaftlich konkurrenzfähige Lösung für die Wärmespeicherung zu entwickeln, die mit konventionellen Wärmeerzeugungsmethoden mithalten konnte. 

• Solarthermie: Große Kollektorfelder sammeln Sonnenenergie und speisen die Wärme in den Speicher ein. Besonders im Sommer wird mehr Wärme erzeugt, als direkt verbraucht werden kann – ideal für eine saisonale Speicherung. Solarthermie in Kombination mit einem Erdbeckenspeicher ist eine umweltfreundliche Technologie, die es ermöglicht, die Überschüsse aus den Sommermonaten zu speichern und in den Wintermonaten effizient zu nutzen. 

Bereits 1979 entwarf die DTU ein erstes Konzept für einen Erdbecken-Wärmespeicher mit schwimmender Abdeckung. Ein 500 m³ großer Pilotspeicher wurde gebaut, um Erfahrungen zu sammeln und Kostenschätzungen für größere Speicher von bis zu 500.000 m³ abzuleiten. Die damaligen Berechnungen zeigten jedoch, dass die Investitionskosten noch zu hoch waren, um wirtschaftlich attraktiv zu sein. 

Dänische Weiterentwicklungen und erste Großprojekte 

Ein bedeutender Schritt erfolgte 1992 mit einem neuen Forschungsprogramm der dänischen Regierung zur Entwicklung von Wärmespeichern. In diesem Rahmen wurden Prototypen von Erdbecken-Wärmespeichern mit Lehmabdichtungen getestet. Eine erste Pilotanlage mit 1.500 m³ Speichervolumen und 560 m² Solarkollektoren wurde in Ottrupgård, Skørping, realisiert. 

Die gesammelten Erkenntnisse führten zu entscheidenden Designänderungen: Die arbeitsintensive Lehmabdichtung wurde durch geschweißte Polymer-Liner ersetzt, und die Abdeckung wurde mit modernen Dämmmaterialien verbessert. Diese Verbesserungen wurden in einem 10.000 m³ großen Pilotspeicher in Marstal umgesetzt, der 2003 in Betrieb ging. Nach der Umsetzung dieser Projekte zeigte sich, dass ein 100.000 m³ Speicher für unter 30 €/m³ realisierbar wäre. 

Ein Problem trat jedoch in Marstal auf: Eine Leckage im Mannloch führte zu Feuchtigkeitseintritt in die Dämmung, was die Betriebszeit des Speichers auf nur drei Jahre verkürzte. Trotzdem lieferten die gewonnenen Erkenntnisse wichtige Grundlagen für spätere, großtechnische Anwendungen der Erdbecken-Wärmespeichertechnologie. 

Erdbecken-Wärmespeicher im industriellen Maßstab 

Zwischen 2011 und 2017 wurden in Dänemark fünf großtechnische Erdbecken-Wärmespeicher errichtet, die zwei verschiedene Dämmkonzepte nutzten: 

• Marstal (75.000 m³) und Dronninglund (60.000 m³) setzten auf PE-Matten (Polyethylen) als Dämmmaterial für die Abdeckung. 

• Gram (125.000 m³), Vojens (210.000 m³) und Toftlund (85.000 m³) verwendeten Blähton als Dämmmaterial. 

Durch sinkende Preise für Solarkollektoren und Speicherkomponenten sowie die hohen Erdgaspreise in Dänemark wurde es möglich, Wärme aus Erdbecken-Wärmespeichern wirtschaftlich mit der aus erdgasbefeuerten KWK-Anlagen zu konkurrieren. 

Erdbecken-Wärmespeicher in hybriden Energiesystemen 

In den letzten Jahren wurde die Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors in Dänemark zu einem entscheidenden Treiber für die Weiterentwicklung der Speichertechnologie. Während die Kombination aus Solarthermie und Speicher meist nur ein bis zwei Speicherzyklen pro Jahr ermöglicht, können Erdbecken-Wärmespeicher wirtschaftlicher betrieben werden, wenn sie auch als Kurzzeitspeicher für KWK-Anlagen oder zur Nutzung von Überschusswärme aus Industrie- und Müllverbrennungsanlagen dienen. 

• Abwärmenutzung: Industrielle Prozesse oder Rechenzentren erzeugen oft überschüssige Wärme, die über Wärmetauscher in den Speicher übertragen werden kann. Diese Technik trägt zur Optimierung der Energieeffizienz bei, indem bereits vorhandene Wärmequellen genutzt werden, die andernfalls ungenutzt bleiben würden. Abwärme ist eine kostengünstige Ressource, die zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs beiträgt. 

Erdbecken-Wärmespeicher spielen zudem eine zentrale Rolle beim Ausgleich von Spitzenlasten und ermöglichen es Fernwärmeversorgern, ihren fossilen Brennstoffeinsatz nahezu vollständig zu eliminieren. Daher setzen größere dänische Fernwärmeunternehmen zunehmend auf diese Technologie. Beispiele dafür sind: 

• Kopenhagen (Høje Taastrup Fjernvarme und VEKS): Bau eines 70.000 m³ großen Speichers. 

• Fjernvarme Fyn: Ein Speicherprojekt mit 700.000 m³ in der ersten Phase und 350.000 m³ in der zweiten Phase zur flexibleren und nachhaltigeren Wärmeversorgung. 

Diese Speicher werden durch Wärmepumpen und Elektrokessel in Zeiten mit hohem Anteil an erneuerbarem Strom geladen und bei geringem Anteil wieder entladen. 

• Wärmepumpen: Wärmepumpen entziehen der Umgebung Wärme und bringen sie auf ein höheres, nutzbares Temperaturniveau. Diese Technologie sorgt dafür, dass die gespeicherte Wärme jederzeit effizient und mit möglichst geringem Energieaufwand für Heizsysteme genutzt werden kann. Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für die Effizienz des Systems, besonders in kälteren Perioden. 

Zukunftsperspektiven und neue Herausforderungen 

Mit der zunehmenden Nutzung von Erdbecken-Wärmespeichern entstehen auch neue technische Herausforderungen. Besonders gefragt sind kostengünstige Lösungen mit hoher Langzeitbeständigkeit bei Temperaturen von bis zu 90 °C. Bisher verwendete HDPE-Materialien (High-Density-Polyethylen) erweisen sich hierfür als ungeeignet. Daher werden im österreichischen Projekt „giga_TES“ neue Lösungen mit PP-Materialien (Polypropylen) entwickelt. 

Im Forschungsprojekt Flex4RES untersuchten Forscher der DTU gemeinsam mit nordischen und baltischen Kollegen, wie Erdbecken-Wärmespeicher zur Integration hoher Anteile an Wind- und Solarenergie beitragen können. Simulationen ergaben, dass thermische Langzeitspeicher in allen Szenarien wirtschaftlich umsetzbar sind, mit einer optimalen Speicherkapazität von 1.169 bis 1.360 GWh bis zum Jahr 2050 – was etwa 12 bis 24 Millionen m³ Speichervolumen entspricht. 

Ein weiteres bedeutendes Projekt, Heat Roadmap Europe 4, analysierte die Möglichkeiten zur Fernwärmeausweitung in 14 EU-Staaten. Dabei wurde festgestellt, dass viele bestehende Fernwärmesysteme Erdbecken-Wärmespeicher nutzen könnten, um Abwärme aus Kraftwerken, Industrieanlagen und Müllverbrennungsanlagen effizienter zu speichern und fossile Brennstoffe weitgehend zu ersetzen. 

Fazit 

Erdbecken-Wärmespeicher haben sich von experimentellen Pilotprojekten in den 1970er Jahren zu einer zentralen Technologie für die nachhaltige Wärmeversorgung entwickelt. Besonders in Dänemark haben umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte dazu beigetragen, die Speicher wirtschaftlicher und effizienter zu machen. 
Mit der steigenden Bedeutung der Sektorkopplung und der Dekarbonisierung der Fernwärmebranche wird die Rolle dieser Speicher in Zukunft weiter wachsen. Neue Materialien und Konstruktionslösungen sind der Schlüssel, um die Technologie weltweit nutzbar zu machen und sie als Standardlösung für die Speicherung erneuerbarer Wärmeenergie zu etablieren.