Saisonale Speicherung in kalten Nahwärmenetzen

Saisonale Speicherung bedeutet in einem kalten Nahwärmenetz, dass Wärme aus dem Sommerhalbjahr im Erdreich zwischengespeichert und im Winter von den dezentralen Wärmepumpen wieder entzogen wird. Speichermedium ist in der Regel kein Behälter, sondern der Untergrund selbst: das Erdreich um das ungedämmte Rohrnetz, um Erdwärmesondenfelder und um Flächenkollektoren. Wie gut das funktioniert, hängt an der Wärme-Kälte-Bilanz des Quartiers, an der Art der Erdwärmequelle und an der Regeneration über die gesamte Betriebsdauer.

Der Artikel ergänzt die Grundlagen zur kalten Nahwärme um die Speicherseite. Er behandelt, welche Quellen tatsächlich speichern, wie sich die Jahresbilanz aufstellen lässt und warum die Bemessung über mehrere Jahrzehnte erfolgen muss.

Das Erdreich als Speichermedium

Wassergesättigter Boden besitzt eine volumetrische Wärmekapazität von rund 2,0 bis 2,8 MJ/(m³·K) und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,5 bis 2,5 W/(m·K), trockene Sande und Kiese deutlich weniger. Ein Kubikmeter Erdreich speichert bei 10 K Temperaturhub also rund 6 bis 8 kWh. Die geringe Leitfähigkeit ist dabei zugleich Vor- und Nachteil: Die Wärme bleibt in der Nähe der Wärmeübertrager, sie lässt sich aber auch nur langsam ein- und ausspeichern.

Die ungestörte Bodentemperatur folgt in den obersten Metern dem Jahresgang der Lufttemperatur, gedämpft und phasenverschoben. In 1 bis 2 m Tiefe schwankt sie in Mitteleuropa etwa zwischen 3 und 17 °C. Ab rund 10 bis 15 m Tiefe ist der Jahresgang abgeklungen, die Temperatur liegt dort etwa 1 bis 2 K über dem Jahresmittel der Lufttemperatur und steigt mit dem geothermischen Gradienten um ungefähr 3 K je 100 m an.

Für die Speicherfunktion folgt daraus eine klare Trennung:

• Oberflächennahe Systeme (Rohrnetz, Flächenkollektoren, Agrothermie) sind thermisch eng mit der Geländeoberfläche gekoppelt. Sie werden durch Sonne, Lufttemperatur und Niederschlag jedes Jahr natürlich regeneriert, verlieren eingespeiste Wärme aber auch wieder an die Oberfläche.
• Tiefe Systeme (Erdwärmesondenfelder) liegen unterhalb der Zone saisonaler Schwankungen. Natürliche Regeneration findet fast nur über Wärmeleitung aus dem umgebenden Gebirge statt. Eingespeiste Wärme bleibt dafür über Monate weitgehend erhalten, besonders im Innern dicht belegter Felder.

Wärmequellen und ihre Speicherwirkung

Rohrnetz

Das ungedämmte Netz liegt in 1 bis 2 m Tiefe und tauscht ganzjährig Wärme mit dem Boden aus. Im Winter, wenn die Sole kälter ist als das Erdreich, nimmt es Wärme auf. Bei typischen Auslegungen liegen die Wärmegewinne bei 50 bis 120 kWh je Trassenmeter und Jahr (Vor- und Rücklauf zusammen, Details in der Dimensionierung kalter Nahwärmenetze). Im Sommer gibt das Netz bei Kühlbetrieb Wärme an den Boden ab. Die Speicherwirkung ist begrenzt, weil die Grabenzone schmal ist und eng an die Oberfläche koppelt; das Netz wirkt eher als zusätzliche, selbst regenerierende Quelle.

Flächenkollektoren und Agrothermie

Horizontale Erdwärmekollektoren in 1,5 bis 3 m Tiefe beziehen den größten Teil ihrer Energie aus der jährlichen Erwärmung des Bodens durch Sonne und Niederschlag. Sommerliche Einspeisung aus Kühlung hebt die Bodentemperatur zu Beginn der Heizperiode zwar an, ein großer Teil dieser Wärme geht aber über die Oberfläche wieder verloren. Kollektoren sind deshalb eher regenerierende Quellen als saisonale Speicher im engeren Sinn. Typische Entzugsenergien liegen bei 60 bis 70 kWh/(m²·a) für einlagige und 80 bis 100 kWh/(m²·a) für zweilagige Kollektoren.

Bei der Agrothermie werden Kollektorrohre maschinell in landwirtschaftlich genutzte Flächen eingepflügt, meist in rund 2 m Tiefe. Die Fläche bleibt bewirtschaftbar. Thermisch verhält sich ein Agrothermiefeld wie ein großer Flächenkollektor: hohe flächige Regeneration, geringe Speicherwirkung für eingespeiste Wärme. Zu beachten sind die Gefrierneigung des Bodens um die Rohre und die Auswirkungen auf Bodenfeuchte und Bewirtschaftung, die mit den Flächeneigentümern vertraglich zu regeln sind.

Erdwärmesondenfelder

Erdwärmesonden reichen meist 50 bis 200 m tief. In einem Feld mit 5 bis 8 m Sondenabstand überlagern sich die Temperaturfelder der einzelnen Sonden nach wenigen Jahren. Ohne Regeneration kühlt das Feld daher auch dann langfristig aus, wenn jede Einzelsonde für sich korrekt bemessen ist. Umgekehrt ist genau diese thermische Überlagerung die Voraussetzung für die Speichernutzung: Je kompakter das Feld und je kleiner das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, desto mehr der sommerlich eingespeisten Wärme steht im Winter wieder zur Verfügung.

Damit werden Sondenfelder zu Erdsondenspeichern, wenn das Quartier relevante Wärmemengen einspeisen kann. Die Auslegung verschiebt sich dann von der reinen Entzugsleistung je Meter hin zur Frage, welche Temperaturspanne der Speicher im Jahresverlauf durchläuft.

Regeneration: Wärme gezielt einspeisen

Regeneration bezeichnet jede Wärmezufuhr in die Quelle außerhalb der natürlichen Umweltwärme. In kalten Nahwärmenetzen kommen vor allem diese Optionen infrage:

• Passive Gebäudekühlung: Gebäude kühlen über einen Plattenwärmeübertrager direkt mit dem Netz. Die Wärme gelangt ohne Verdichterarbeit ins Netz und weiter in die Quelle. Wohngebäude liefern hier meist nur kleine Mengen, Büros, Handel, Labore und Pflegeeinrichtungen deutlich mehr.
• Aktive Kühlung: Die Wärmepumpe arbeitet als Kältemaschine. Ins Netz gelangt die Kühllast plus die elektrische Antriebsleistung. Das erhöht die Regeneration, kostet aber Strom.
• Unverglaste Solarabsorber und PVT-Kollektoren: Sie arbeiten bei Netztemperaturen von 5 bis 20 °C mit hohem Wirkungsgrad, weil kaum Wärmeverluste an die Umgebung auftreten. PVT-Kollektoren kühlen zudem die PV-Module, was den Stromertrag leicht verbessert.
• Abwärme: Gewerbekälte (z. B. Supermärkte), Rechenzentren, Druckluftkompressoren oder Prozesse mit Rückkühlbedarf auf Temperaturen, die für konventionelle Netze zu niedrig wären, für kalte Netze aber unmittelbar nutzbar sind.
• Rückkühler und Luftwärmeübertrager: Im Sommer übertragen sie Umgebungswärme aus der Außenluft ins Netz. Sie sind einfach nachrüstbar, benötigen aber Ventilatorstrom und Aufstellfläche.
• Abwasser und Oberflächengewässer: Sie dienen meist als ganzjährige Quelle, können in Kombination mit einem Sondenfeld aber auch zur sommerlichen Beladung genutzt werden.

Entscheidend ist der zeitliche Verlauf: Regenerationswärme sollte möglichst im Sommer und Frühherbst eingespeist werden, damit der Speicher mit einer hohen Temperatur in die Heizperiode geht.

Wärme-Kälte-Bilanz des Quartiers

Die Speicherauslegung beginnt mit einer Jahresbilanz auf der Netzseite, nicht auf der Gebäudeseite. Wärmepumpen entziehen dem Netz nur den Anteil der Heizwärme, der nicht aus dem Strom stammt:

Bei passiver Kühlung gelangt die Kühllast unmittelbar ins Netz, bei aktiver Kühlung zusätzlich die Antriebsenergie:

Die Quellen und Regenerationsmaßnahmen müssen die verbleibende Differenz abdecken, abzüglich der Wärmegewinne des Rohrnetzes:

Rechenbeispiel

Das Beispiel zeigt die Größenordnung: Reine Wohnquartiere sind stark entzugsdominiert und benötigen große Kollektorflächen, lange Sondenfelder oder aktive Regeneration. Gemischte Quartiere können den Quellbedarf deutlich senken, weil die Kühllasten der Nichtwohngebäude als Speicherbeladung wirken. Eine Monats- oder Stundenbilanz ist dennoch notwendig, weil Kühlung und Heizung zeitlich versetzt anfallen und der Speicher genau diese Verschiebung überbrücken muss.

Aquiferspeicher und Eisspeicher einordnen

Aquiferspeicher (ATES)

Aquiferspeicher (Aquifer Thermal Energy Storage) nutzen grundwasserführende Schichten über mindestens eine Brunnendublette mit einem warmen und einem kalten Brunnen. Im Sommer wird Wasser aus dem kalten Brunnen zur Kühlung gefördert und erwärmt in den warmen Brunnen eingeleitet, im Winter kehrt sich die Förderrichtung um. In den Niederlanden sind ATES-Anlagen in Büro- und Wohnquartieren weit verbreitet, in Deutschland bislang selten; ein bekanntes Beispiel sind die Kälte- und Wärmespeicher der Parlamentsbauten in Berlin.

Für kalte Nahwärmenetze sind Aquiferspeicher interessant, wenn Heiz- und Kühllasten ähnlich groß sind und der Untergrund mächtige, gering durchströmte Grundwasserleiter aufweist. Voraussetzungen sind eine hydrogeologische Erkundung, eine wasserrechtliche Erlaubnis und eine ausgeglichene Bilanz, weil die Behörden meist eine thermische Neutralität über die Jahre fordern. Hydrochemie (Ausfällungen, Korrosion) und Brunnenalterung sind betriebliche Risiken. Weitere Speichertypen beschreibt der Artikel Thermische Energiespeicher.

Eisspeicher

Eisspeicher nutzen beim Gefrieren von Wasser die Kristallisationswärme von 334 kJ/kg, also rund 93 kWh je Kubikmeter. Die Wärmepumpe entzieht dem Wasser Wärme, bis es gefriert; regeneriert wird über Solar-Luft-Absorber, Erdreichkontakt der Behälterwand oder sommerliche Kühlung, die das Eis wieder schmilzt. Das Speichervolumen reicht typischerweise für einige Wochen, nicht für eine ganze Heizperiode. Im Quartierskontext dienen Eisspeicher deshalb eher als Pufferquelle für einzelne Gebäude oder als Leistungsreserve in Kälteperioden. Als alleiniger saisonaler Speicher für ein Wohnquartier wären die erforderlichen Volumina sehr groß.

Bemessung über die Betriebsdauer

Langzeitauskühlung

Bei Erdwärmesondenfeldern ist nicht das erste Betriebsjahr, sondern das letzte maßgebend. Bei einem Nettoentzug sinkt die mittlere Untergrundtemperatur über Jahre ab und nähert sich nur langsam einem neuen Gleichgewicht. Die Auslegung erfolgt daher üblicherweise für einen Zeitraum von 25 bis 50 Jahren, etwa mit Sprungantwortfunktionen (g-Funktionen nach Eskilson) oder numerischen Modellen. Die vereinfachten Tabellenwerte der VDI 4640 Blatt 2 gelten nur für kleine Anlagen; für Sondenfelder in Quartiersgröße ist eine Berechnung mit Simulationswerkzeugen über die gesamte Nutzungsdauer erforderlich.

Ein Feld, das im ersten Jahr mit einer mittleren Soletemperatur von 6 °C arbeitet, kann nach 25 Jahren ohne Regeneration mehrere Kelvin kälter sein. Jedes Kelvin senkt die Leistungszahl der Wärmepumpen um grob 2 bis 3 %, und die Frostgrenzen der Sole rücken näher.

Auslegungsgrößen

Sensitivitäten

Die Ergebnisse reagieren stark auf die Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds. Für Sondenfelder ab mittlerer Größe ist ein Thermal Response Test an einer Probebohrung üblich. Weitere Unsicherheiten sind der tatsächliche Kühlbedarf der Gebäude, der Ausbaupfad des Quartiers und künftige Klimabedingungen: Wärmere Sommer erhöhen die Kühllast und damit die Regeneration, wärmere Winter senken den Entzug. Eine Variantenrechnung mit pessimistischen und optimistischen Annahmen ist für die Genehmigungs- und Finanzierungsplanung sinnvoll.

Zusammenfassung

Das Erdreich übernimmt in kalten Nahwärmenetzen die Rolle des saisonalen Speichers, aber nicht jede Erdwärmequelle speichert gleich gut. Flächenkollektoren, Agrothermie und das Rohrnetz regenerieren sich überwiegend natürlich und speichern eingespeiste Wärme nur begrenzt. Erdwärmesondenfelder speichern effektiv, kühlen ohne Regeneration aber über Jahrzehnte aus. Die Bemessung beginnt deshalb mit einer netzseitigen Wärme-Kälte-Bilanz und endet mit einer Mehrjahressimulation, die den Endzustand nach 25 bis 50 Jahren nachweist. Gemischte Quartiere mit Kühlbedarf und gezielte Regeneration über Solarabsorber, PVT oder Abwärme verkleinern die erforderliche Quelle spürbar.

Weiterführende Artikel: Kalte Nahwärme: Grundlagen beschreibt Funktionsprinzip und Systemkomponenten, Dimensionierung kalter Nahwärmenetze (5GDHC) vertieft Hydraulik und Erdreichkopplung, Prosumer in Wärmenetzen erläutert Gebäude, die Wärme sowohl beziehen als auch einspeisen, und Thermische Energiespeicher gibt einen Überblick über Speichertechnologien in Wärmenetzen.

Quellen und Normen

• VDI 4640 Blatt 2 (2019): Thermische Nutzung des Untergrunds — Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. Beuth Verlag.
• Eskilson, P. (1987): Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Dissertation, Universität Lund.
• Buffa, S. et al. (2019): 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 104, S. 504–522.
• Fleuchaus, P.; Godschalk, B.; Stober, I.; Blum, P. (2018): Worldwide application of aquifer thermal energy storage — A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 94, S. 861–876.
• Bertermann, D.; Wienke, J.; Müller, J.; Böck, S.; Lach, G.; Steinhäuser, H. (2019): Oberflächennahste Geothermiesysteme als Quelle für kalte Nahwärmenetze. bbr — Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie, S. 62–65.
• Hirsch, H. (2024): Modelling of Fifth Generation District Heating and Cooling Networks Coupled to Ground Heat Exchangers. Dissertation, TU Dresden.