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Ein Eiswärmespeicher verbindet die Vorzüge eines Eisspeichers mit denen einer Wärmepumpe, um energieeffizient Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Bisher verfügbare Systeme setzen hierfür große Wassertanks im Boden ein. Mit dem Verbundprojekt GEWS („Entwicklung und Bau eines tiefenhorizontierten Geologischen Eis-Wärme-Speichersystems“) wird erstmalig die Nutzung von Grundwasserleitern als Eisspeicher erprobt.
Das GEWS-Konsortium wird vom Kompetenzzentrum Geo-Energie am Institut für Geowissenschaften (Prof. Dr. Andreas Dahmke, Dr. Götz Hornbruch) koordiniert und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis März 2024 mit insgesamt 2,2 Millionen Euro gefördert. Projektpartner sind das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie – Fraunhofer IEG sowie das Büro für zeitgemäße Energieanwendung BZE-Ökoplan. PEWO Energietechnik Elsterheide ist als beauftragtes Unternehmen für die technische Umsetzung der oberirdischen Anlage zuständig.
„Die von uns entwickelte Technologie ermöglicht über ein Raster von Erdwärmesonden das kontrollierte und räumlich begrenzte Vereisen von Grundwasser in mehreren Metern Tiefe, ohne dabei die oberflächennahen Bodenschichten einzufrieren“, erklärt Professor Andreas Dahmke vom Institut für Geowissenschaften der Universität Kiel. Erprobt wird die Technologie auf dem Testfeld „TestUM“ bei Wittstock in Brandenburg.
Effiziente Energiespeicherung durch Latentwärme
Das Prinzip des Eiswärmespeichers beruht darauf, dass beim Gefrieren und Schmelzen von Wasser große Energiemengen in Form von Latentwärme freigesetzt beziehungsweise aufgenommen werden. Beim Gefrieren bildet das 0 °C kalte Wasser Kristalle und wird zu 0 °C kaltem Eis. Hierbei gibt es Wärme an die Umgebung ab. Dies entspricht derselben Wärmemenge, die man benötigt, wenn man Wasser von 0 °C auf 80 °C erhitzt.
Dahmke: „In der kalten Jahreszeit können mit Hilfe oberirdischer Luft-Wasser-Wärmepumpen energetisch günstig größere Eisvolumina im Untergrund aufgebaut werden. Gleichzeitig werden bei dem Gefrierprozess große und nutzbare Wärmemengen freigesetzt. In Zeiten mit hohem Kühlbedarf steht dann durch den Schmelzprozess des Eises wiederum ein großes Kühlpotential zur Verfügung.“ Geologische Eiswärmespeicher könnten auf diese Weise ein Baustein für eine zukünftige klimaneutrale Wärme- und Kälteversorgung sein und zur Energiewende beitragen.
Gegenüber herkömmlichen Eiswärmespeicher-Systemen bieten sie den Vorteil, dass sie oberirdisch deutlich weniger Raum benötigen. Sie sind dadurch vor allem auch für urbane Räume geeignet und ermöglichen wesentlich größere Kühlkapazitäten auch im Gebäudebestand. „Wir machen Bohrungen und stellen eine Anlage mit Wärmepumpen auf, benötigen aber kein künstliches Wasserbecken, wie das in den konventionellen Anlagen der Fall ist, sondern nutzen den geologischen Untergrund. Hier am Testfeld in 10 bis 16 Metern Tiefe“, so Hornbruch. Der Pilotbetrieb auf dem Testfeld ist jetzt erfolgreich angelaufen.
