Großwärmespeicher in Wien : Urban, unterirdisch und enorm

Nirgendwo in Österreich sind so viele Haushalte an die Fernwärme angeschlossen wie in Wien – sowohl in absoluten Zahlen als auch im Verhältnis. 43 Prozent der verbrauchten Energie für Raumwärme in der Hauptstadt sind der Fernwärme zuzurechnen. Zum Vergleich: Salzburg liegt mit rund 20 Prozent auf Platz zwei. Doch auch die Fernwärme muss raus aus dem Erdgas, das noch häufig zum Betrieb von KWK- und Heizkraftanlagen genutzt wird. 

Bis 2040 will die Fernwärme in Wien daher klimaneutral sein, der Prozess bringt wiederum andere Herausforderungen mit sich: Während sich Wärmequellen wie Tiefengeothermie, Müllverbrennung und Großwärmepumpen dazu eignen, die Wärme-Grundlast ganzjährig zu decken, produzieren andere Quellen wie etwa Abwärme verstärkt im Sommer Wärme – genau dann, wenn kaum jemand heizt. Außerdem gilt es, auch Überschüsse der erneuerbaren Wärmequellen über das ganze Jahr hinweg nutzbar zu machen. Zum Fernwärmenetz müssen im Umkehrschluss zukünftig saisonale Großwärmespeicher gehören. An einem solchen forscht seit 2023 ein Konsortium unter Leitung der Wien Energie im Projekt ScaleUp.  

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Über Erfahrungen mit Erdbecken-Wärmespeichern verfügen Länder wie Dänemark bereits, dort sind diese jedoch stärker im ländlichen Gebiet verortet. Dazu kommt, dass in Nordeuropa andere geologische und hydrologische Bedingungen herrschen, ein Beispiel dafür sind unterschiedliche Grundwasserspiegel. „Die Herausforderung beim Projekt ScaleUp ist es, ein Konzept zu kreieren, das im urbanen Raum umsetzbar – etwa durch eine nutzbare Deckeloberfläche –, bautechnisch für die in Österreich geologischen und hydrologischen Bedingungen ausgelegt und beliebig skalierbar ist“, weiß Lisa Sophie Weginger, Projektleiterin Wärmespeicherprojekte bei Wien Energie.

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Auch der Projektname sagt einiges über das Forschungsvorhaben, wie die Expertin verrät: Denn das Besondere an der Wiener Pilotanlage mit einem geplanten Fassungsvermögen von 40.000 m³ ist, dass sie bautechnisch skalierbar errichtet wird. So können größere Speicher, die mehrere 100.000 m³ fassen, in Zukunft mit demselben Konzept gebaut werden. Bisher wurden Großwärmespeicher in der Größe der Pilotanlage nämlich mit einem bautechnischen einfacheren, großteils oberirdischen Konzept umgesetzt – im urbanen Raum fehlt dafür aber ganz einfach der Platz. 

„Aufgrund der Bautechnik und des erhöhten Platzbedarfes solcher Konzepte war eine entsprechende Skalierung im städtischen Gebiet nicht möglich“, erklärt Weginger. Das Forschungsprojekt rund um neuartige unterirdische Warmwasserspeicher soll die Lösung dafür liefern, aber auch Fragen rund um die wasserrechtlichen Bestimmungen, die Systemintegration in das Fernwärmenetz sowie bau- und materialtechnische Aspekte klären. 

Die Warmwasserspeicher-Pilotanlage wird am Kraftwerkstandorts Donaustadt entstehen, soll einen Durchmesser zwischen 40 und 50 Meter erreich sowie 30 bis 35 Meter tief werden; und ähnelt in gewisser Hinsicht auch klassischen Pufferspeichern. So ist die Schichtung etwa auch hier essenziell, betont Weginger: „Sie ist die Grundvoraussetzung, um möglichst hohe Temperaturen beim Ausspeichern zu erreichen.“ Die Schichtung erklärt auch, warum der geplante Wärmespeicher zwar über Wärmedämmungen an den Seitenwänden und am Deckel verfügt – jedoch nicht am Boden. Ausführliche Simulationen des Wärmeaustrags des Speichers hätten ergeben, dass der Großteil der Wärmeverluste über die Wände und Deckel des Speichers geschieht, so die Expertin: „Im unteren Bereich des Speichers befinden sich, sofern der Speicher nicht komplett voll beladen ist, die kälteren Wasserschichten.“ 

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Damit das gespeicherte Wasser keine ungewollte Wärme an das Erdreich und das Grundwasser abgibt und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann, werden unter anderem neuartige Materialien für den Wandaufbau und die Dämmung getestet. Das eingespeicherte Wasser mit einer Maximaltemperatur von 95 C° ist durch eine Schlitzwand, einen trocken gelegten Ringraum, der mit wärmedämmenden Schüttmaterial befüllte Bohrungen beinhaltet, sowie eine Dichtwand als Grundwasserbarriere von der Umgebung getrennt. Neben der Dämmung des schwimmenden Deckels ist auch die Nutzbarkeit seiner Oberfläche integral. So kann der Speicher gut in die Stadt integriert werden, ein mögliches Anwendungsbeispiel wäre eine PV-Anlage. 

Die ScaleUp-Anlage wird über Großwärmepumpe mit dem Fernwärmenetz gekoppelt, die den Nutzungsgrad des Speichers maximieren und seine Einsatzflexibilität steigern. Was den Wirkungsgrad des Speichers betrifft, geht das Forschungsteam von einem rechnerischen Wirkungsgrad zwischen 80 und 90 Prozent aus, exakte Werte werde dann die Betriebsphase bringen, wie Weginger informiert. Etwa 2.000 MW thermische Leistung soll ScaleUp erbringen, das entspricht einer entladenen Energie von 50 GWh pro Jahr. 

Das vergangene Jahr stand für das Projektteam ganz im Zeichen von Forschungs- und Planungstätigkeiten. Kernbohrungen bis 50 Meter Tiefe, Rammsondierungen und bodenmechanische Laborversuche lieferten die Grundlage für geotechnische und geohydraulische Simulationen. Mit einer Dämmbohrpfahlwand wurden der Wandaufbau und die eingesetzten Dämmstoffmischungen getestet und auch ein Modell für den schwimmbaren Deckel wurde gebaut, um die Anforderungen an die Deckelkonstruktion zu prüfen. 2029 soll der Wärmespeicher dann in Betrieb gehen.

Ab der geplanten Inbetriebnahme der Pilotanlage tickt die Uhr bis zur klimaneutralen Wiener Fernwärme elf Jahre bereits etwas schneller. „Um die Fernwärme vollständig zu dekarbonisieren, brauchen wir einen Technologiemix, der vor allem auch auf regionalen Ressourcen zurückgreift“, betont Weginger. In diesem Zusammenhang würden die Wärmespeichertechnologien zwei wichtige Rollen spielen: Einerseits durch die Erhöhung der kurzfristigen Flexibilitäten im Netz in Kombination mit Versorgungssicherheit: „Hier kommen Tages- und Wochenspeicher wie Hochdruck-Speicher in Kraftwerk Simmering infrage.“ Andererseits durch die oben erwähnte Erhöhung des erneuerbaren Anteils mit Verschiebung der überschüssigen Wärme vom Sommer in den kälteren Jahreszeiten: „Hier arbeitet Wien Energie an der Realisierung von Pilotanlagen und beschäftigt sich intensiv mit Konzepten für Erdbecken- und Aquiferspeicher.“