CO₂–freies Energiekonzept Pellworm – Hochtemperaturspeicher im Grundwasserleiter

Dipl.-Ing. Mathias Schikotanz, Ökologisch Wirtschaften! e.V. und Dipl. Geo. Ingo Schäfer, Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen

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Einleitung

Die Nordseeinsel Pellworm liegt etwa 20 km westlich von Husum, im Nationalpark Wattenmeer. Sie hat eine Ausdehnung von ca. 37 km². Zu erreichen ist die Insel über eine Fährverbindung von der acht Kilometer entfernten Halbinsel Nordstrand. Die knapp 1200 Einwohner teilen sich auf 560 Haushalte auf. Die Hauptwirtschaftszweige der Insel sind die Landwirtschaft mit ca. 3000 ha landwirtschaftlicher Nutzfläche und der Fremdenverkehr mit etwa 2000 Fremdenbetten.

Pellworm wurde 1634 zur Insel, als während einer großen Sturmflut die Landverbindung zwischen Pellworm und Nordstrand versank. Heute liegt Pellworm bis zu einem Meter unter NN und wird durch die Norderhever, einem über 20 m tiefen holozänen Wattenstrom, vom Festland getrennt. Durch die Versalzung des Untergrundes stellte die Trinkwasserversorung auf Pellworm ein großes Problem dar. Erst 1964 wurden die Pellwormer Haushalte über eine Leitung mit Trinkwasser vom Festland versorgt. Bis dahin versorgten sich die Einwohner der Insel über eine Zisternenwirtschaft bei der in sogenannten Fetingen das Regenwasser von den Dächern gesammelt wurde. Ebenfalls erst recht spät im Jahr 1948 wurde die Insel über ein Seekabel an die elektrischer Energie angeschlossen.

Quartäre Untergrundverhältnisse

Pellworm liegt auf der nordfriesischen Marsch. Der Begriff „ Marsch“ beschreibt in der Bodenkunde einen semiterrestrischen Grundwasserboden, der unter Gezeiteneinfluss durch Sedimentation von Sanden und Tonen gebildet wurde. Durch seine Entstehungsart erklärt sich der hohe Salzgehalt im Oberboden. In den oberen 70 bis 80 m, dies entspricht der vertikalen Ausdehnung des Quartärs, sind die geologischen Einheiten bezüglich ihrer Mächtigkeit sehr unterschiedlich ausgebildet. Die oberste Schicht besteht aus landfest gewordenen Wattensanden und setzt sich aus einer Wechsellagerung von Schluff und Feinsand zusammen. Sie weist auf Pellworm eine Mächtigkeit von bis zu 20 m auf. Darunter folgt eine dünne Schicht weichselkaltzeitlicher Feinsande. Diese Schicht keilt unter Pellworm aus und Tritt nur im südwestlichen Teil der Insel auf (Carstens 1963). Da Pellworm auf der ehemaligen Strandlinie des urzeitlichen Eem-Meeres liegt, sind Schichten mariner Tone unter Pellworm selten mächtiger als 5 m und keilen ebenfals unter Pellworm aus.

Die größte Mächtigkeit der quartären Abfolge nehmen die Mittel- und Grobsande der Saalekaltzeit ein. Unregelmäßige Einschaltungen von dünnen Geschiebemergel- und Tonlagen beziehungsweise –linsen sind typisch. Die Basis der quartären Schichtenfolge bilden die tonig-schluffigen Mittelsande der Elsterkaltzeit.

Energiestruktur

Pellworm hat einen jährlichen Gesamtenergiebedarf von 30.000 MWh. Der Bedarf teilt sich zu ca. 73 % (22.000 MWh/a) auf thermische und zu ca. 27 % (8.000 MWh/a) auf elektrische Energie auf. Seit 1997 erzeugen auf Pellworm 16 Windenergieanlagen insgesamt ca. 15.000 MWh/a Strom sowie Europas größtes kombiniertes Photovoltaik- und Windkraftwerk bis zu 450 MWh/a Strom.

Damit wird auf Pellworm 1,5 mal mehr Strom produziert als auf der Insel gebraucht wird. Aufgrund fehlender Speichermöglichkeiten und Ersatzenergien für die Flautenzeiten geht die Energie ungenutzt über das Seekabel ins Festnetz.

Der Wärmebedarf der Insel wird durch vom Festland importierte Brennstoffe (Öl, Kohle, und Flüssiggas) gedeckt. Einen Großteil der Energie verbrauchen die privaten Haushalte, die Landwirtschaft sowie saisonal der Fremdenverkehr.

Als eine weitere Säule der Energieversorgung ist auf Pellworm der Bau eines Biogas-BHKW‘s mit einer elektrischen Leistung von 400 kw und einer thermischen Leistung von 700 kw geplant. Über die Integration eines Grundwasserleiter-Wärmespeichers in das lokale Energiekonzept und dessen direkte Koppelung an das Biogas-BHKW ist es möglich, zu Fehlzeiten produzierte Wärme für die Bedarfszeiten zu speichern. Die saisonal gespeicherte Wärme könnte so in den Wintermonaten die Grundlast des lokalen Wärmeversorgungsnetzes sichern. Eine gesteuerte Stromproduktion ermöglicht zudem die Versorgung mit Strom während der Flautenzeiten.

Die Speicherung im Untergrund stellt ein effizientes Langzeitspeichersystem dar, wie es die von der EU geförderte Energiestudie“ Energieversorgung mit erneuerbaren Energien am Beispiel der Insel Pellworm - ein lokaler Entwicklungsplan“ fordert.

Die Dimensionierung und Realisierung eines Speichers wird neben den hydrogeologischen Standortparametern und den technisch möglichen Betriebsvarianten in erster Linie von der Bedarfsstruktur des Wärmeabnehmernetzes bestimmt.

Da es aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll ist, einzelne Gebäude separat mit Wärme zu versorgen, wurden vier verschiedene Wärmeverbundlösungen mit nötigen Wärmeeinspeisungen von 650 MWh/a bis 3.350 MWh/a zusammengestellt (Tab. 2.3.1). Die einzelnen Wärmeverbundlösungen können modular erschlossen und schließlich zu einem Gesamtverbund ausgebaut werden.

Tab. : Wärmeverbundlösungen

Standortparameter

Zur Erkundung des Untergrundes wurden auf Pellworm zwei Bohrungen im Abstand von ca. 400 m abgeteuft.

Eine 10 bis 20 m mächtige Mittelsandschicht in einer Tiefe von 23 bis 43 m wurde über den Schichtenaufbau der Bohrungen sowie über Untersuchungen der Hydrogeologischen Verhältnisse als potenziell geeignete Speicherschichten eingestuft. Die Sande des ausgewählten Grundwasserleiters sind der Saalekaltzeit zuzurechnen.

Analysen der Wasserproben des potenziellen Speicherhorizontes ergaben eine Leitfähigkeit von 29.000 µS/cm (entspricht TDS=20.300 mg/l). Hauptbestandteile sind Natrium (5.740 mg/l) auf der Kationenseite und Chlorid (10.640 mg/l) auf der Anionenseite. Es handelt sich um ein neutral reagierendes, salzhaltiges Wasser, dessen Kationenäquivalenzverhältnis weitgehend dem des offenen Meerwassers ähnelt. Der Eisengehalt (10mg/L) wird als sehr hoch und der Mangangehalt von (0,6 mg/L) als ziemlich hoch eingestuft. Das Wasser wird als eisenhaltiges Natrium-Chlorid-Wasser charakterisiert.

Speicherverhalten

Ein geeignetes Instrument zur Modellierung der Prozesse während der Wärmespeicherung in einem Grundwassererleiter und in den angrenzenden Schichten ist das Verfahren nach LAUWEILER (Seibt 1990). Die Berechnung des Speicherwirkungsgrades setzt u. a. die Kenntnis der Wärmeleitfähigkeiten und der Wärmekapazitäten des Wärmeträgerfluids „ Grundwasser“und der isolierenden Grenzschichten voraus.

Prognoseberechnungen ergaben einen Speicherwirkungsgrad von 79 % und einen Rückförderkoeffizienten von 59 % für den ersten Speicherzyklus. Diese Werte bestätigten die Machbarkeit einer Wärmespeicherung in dem untersuchten Grundwasserleiter. Der VDI-Richtlinienentwurf 4640 „Unterirdische Thermische Energiespeicherung“ (2000), empfiehlt bei einer Wärmespeicherung einen zu erreichenden Rückförderkoeffizienten von 50 %.

Die Speicherdauer übte bei Speichersimulationen auf den Wirkungsgrad nur einen untergeordneten Einfluss aus. Der Grundwasserleiter besitzt gute wärmespeichernde Fähigkeiten und reagiert auf eine Verlängerung der Speicherdauer nur träge mit geringen Themperaturverlusten. Stärkere Beachtung bei der Optimierung des Speicherbetriebes müssen der Mächtigkeit der Grenzschichten und der Injektivitätsrate gewidmet werden.

Projekt –Monitoring

Die Ermittlung der hydrogeologischen Daten des Grundwasserleiters durch Feldversuche und die Abschätzung des thermodynamischen Verhaltens bei Temperaturerhöhung sowie die Simulation der Gesteins-Fluid-Wechselwirkung lassen eine Prognose zur Machbarkeit einer Wärmespeicherung im ausgewählten Grundwasserleiter zu. Ein Vergleich zwischen den auf Pellworm ermittelten Grundwasserleiterdaten und den Daten bereits existierender Anlagen zeigt, dass sich die gesamten Werte im „praktischen“ Gültigkeitsbereich bewegen.

Das Energiekonzept Pellworm wurde initiiert von dem ortsansässigen Verein „Ökologisch Wirtschaften!“ e. V., und wird in Zusammenarbeit mit der Gemeinde Pellworm umgesetzt. Mit der Umsetzung des Projektes würde auf Pellworm der erste Hochtemperaturspeicher im oberflächennahen Untergrund in Deutschland realisiert werden. Auf Pellworm besteht die Möglichkeit, ein Versuchsfeld für Hochtemperaturspeicherung einzurichten. Ein begleitendes Kontroll- und Messverfahren unter wissenschaftlicher Betreuung würde Antworten auf Fragestellungen zur Materialwahl, Temperaturverteilung, Anwendbarkeit von Simulationsprogrammen und Umweltverträglichkeit von Hochtemperaturspeichern liefern.

Ausblick

Für die Zukunft wird eine Versorgung zu 100 % aus regenerativen Energien angestrebt. Die Säulen hierfür werden die Windkraft, Sonnenenergie, Biomasse und Biogas sowie Energieeinsparungen und effizienter Energieeinsatz sein. Die Wärmespeicherung sichert dabei die jederzeitige Verfügbarkeit der Wärme.

Durch die Umsetzung des Energiekonzeptes wird die lokale Wirtschaft gefördert, da es zum einen zu einer Attraktivitätserhöhung für den Fremdenverkehr kommt und zum anderen die Landwirtschaft über den Anbau einer „Biomasse-Kultur“ ein Einkommen sichert.

Das Energiekonzept von Pellworm zeigt die Möglichkeiten einer autarken Energieversorgung beispielhaft auf. Eine Übertragbarkeit der lokalen Versorgungsmodule regenerativer Energien auf andere Regionen ist denkbar und soll in weiteren Untersuchungen geklärt werden