Global application, performance and risk analysis of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)

Aufgrund des jahreszeitlichen Versatzes zwischen Wärmeangebot und -nachfrage herrscht im Bereich der gemäßigten Klimazone weniger ein Energie- als ein Speicherproblem. Die saisonale Speicherung von Wärme und Kälte in Grundwasserkörpern, auch genannt Aquiferspeicherung (ATES), zeichnet sich im Vergleich zu anderen Speichertechnologien durch geringe Speicherkosten und hohe Speicherkapazitäten aus. Deshalb ist die Technologie in den vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus gerückt. Allerdings gibt es nur sehr wenige Informationen über die weltweite Verbreitung sowie die Art der Nutzung von ATES. Folglich ist der Einfluss unterschiedlicher Marktbarrieren auf eine weltweite Kommerzialisierung der Technologie noch weitgehend unbekannt. Ziel der ersten Studie ist es deshalb, einen Überblick über die historische Entwicklung sowie die weltweite ATES Nutzung zu geben. Auf Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Konzepte und Nutzungsformen zusammengefasst und diskutiert. Mit einer 50-jährigen Entwicklungsgeschichte befinden sich derzeit weltweit mehr als 2.800 ATES Systeme im Einsatz. Über 99% aller ATES sind Niedrigtemperaturspeicher (LT-ATES) mit einer Speichertemperatur von < 25°C. 85% aller Aquiferspeicher befinden sich in den Niederlanden, weitere 10% in Schweden, Belgien und Dänemark. Diese Unterschiede in der globalen Aquiferspeicherentwicklung lassen sich weniger durch Untergrund-spezifische Faktoren, als vielmehr durch sozioökonomische und legislative Marktbarrieren erklären. In Studie 2 wird basierend auf den Monitoringdaten von 73 niederländischen Anlagen die technischen Leistungsdaten und energetische Effizienz von LT-ATES untersucht sowie Optimierungsmöglichkeiten diskutiert. Mit einer durchschnittlichen Entnahmetemperatur von 10 °C im Sommer und rund 15 °C imWinter ist die Differenz zwischen Entnahme- und Einspeisetemperatur (DT) mit 3-4 K deutlich geringer als ursprünglich geplant. Dies ist weniger auf Speicherverluste im Untergrund, als auf eine ineffiziente Beladung des Speichers durch die gebäudeseitige Heizungs- und Klimatisierungsanlage zurückzuführen. Zudem wird im Durschnitt nur 50% des Untergrundes genutzt, der jeweils von der Genehmigungsbehörde für die geothermische Nutzung freigegeben wurde. Eine exakte Analyse des erwarteten Energieverbrauchs sowie ein effizientes Zusammenspiel zwischen ATES und Gebäude sind deshalb entscheidend um eine nachhaltige Nutzung von LT-ATES weltweit zu gewährleisten. Im Gegensatz zu LT-ATES birgt die Speicherung von Temperaturen über 40-50 °C (HT-ATES) deutliche höhere Risiken. In Studie 3 werden deshalb potentielle Risken von HT-ATES Projekten basierend auf den Erfahrungen vergangener Projekte identifiziert und von Geothermieexperten analysiert. Eine online Umfrage unter 38 internationalen Experten hat gezeigt, das technische Risiken weniger kritisch eingeschätzt werden als insbesondere rechtliche, soziale oder organisatorische Risiken. Dies bestätigen die Erfahrungen aus vergangenen HT-ATES Projekten, wo hohe Wiedergewinnungsraten erzielt, und die technische Machbarkeit erfolgreich demonstriert werden konnte. Schwerwiegende Probleme waren dagegen häufig auf schwankende oder sinkende Energiebedarfe oder einen Verlust der Wärmequelle zurückzuführen. Bei einer zu erwarteten Laufzeit von über 30 Jahren, ist es deshalb entscheidend, ganzheitliche Energiekonzepte zu entwickeln, die sowohl sich verändernde Randbedingungen im Bereich der Wärmequelle, als auch Wärmesenke berücksichtigen. Ein projekt-spezifisches Risikomanagement ist deshalb essenziell und sollte auch in der Forschung stärker Berücksichtigung finden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aquiferspeicherung ein hohes Potenzial hat, bedeutende Energiemärkte zu erschließen. Sowohl im Bereich LT ATES als auch HT-ATES bedarf es allerdings weitere Forschung, um eine flächendeckende Kommerzialisierung voranzutreiben: Im Niedrigtemperaturbereich sollten zukünftige Studien darauf abzielen, die Betriebseffizienz weiter zu optimieren. Dies betrifft (1) die Interaktion zwischen Untergrund und Gebäude sowie (2) ein urbanes Untergrundmanagement, wo durch die Schaffung von Synergien benachbarter Untergrundnutzer der verfügbare Raum noch nachhaltiger genutzt werden soll. Für HT-ATES sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich um die betriebliche Stabilität zu erhöhen. Die Forschung sollte sich daher nicht nur auf die Gestaltung des Untergrundes konzentrieren, sondern auch auf die Entwicklung von ganzheitlichen Energiekonzepten. Dies sollte auch die Identifizierung potentieller Wärmequellen und -senken sowie die Berücksichtigung langfristiger politischer, technischer und gesetzlicher Änderungen während einer ATES-Lebensdauer von 30 Jahren umfassen

Techno-economic and environmental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Abstract The objective of the present study is to analyse the economic and environmental performance of ATES for a new building complex of the municipal hospital in Karlsruhe, Germany. The studied ATES has a cooling capacity of 3.0 MW and a heating capacity of 1.8 MW. To meet the heating and cooling demand of the studied building, an overall pumping rate of 963 m3/h is required. A Monte Carlo Simulation provides a probability distribution of the capital costs of the ATES with a mean value of 1.3 ± (0.1) million €. The underground part of the ATES system requires about 60% of the capital costs and therefore forms the major cost factor. In addition, the ATES is compared with the presently installed supply technology of the hospital, which consists of compression chillers for cooling and district heating. Despite the 50% higher capital costs of the ATES system, an average payback time of about 3 years is achieved due to lower demand-related costs. The most efficient supply option is direct cooling by the ATES resulting in an electricity cost reduction of 80%. Compared to the reference system, the ATES achieves CO2 savings of about 600 tons per year, hence clearly demonstrating the potential economic and environmental benefits of ATES in Germany

Retrospective evaluation of landslide susceptibility maps and review of validation practice

Despite the widespread application of landslide susceptibility analyses, there is hardly any information about whether or not the occurrence of recent landslide events was correctly predicted by the relevant susceptibility maps. Hence, the objective of this study is to evaluate four landslide susceptibility maps retrospectively in a landslide-prone area of the Swabian Alb (Germany). The predictive performance of each susceptibility map is evaluated based on a landslide event triggered by heavy rainfalls in the year 2013. The retrospective evaluation revealed significant variations in the predictive accuracy of the analyzed studies. Both completely erroneous as well as very precise predictions were observed. These differences are less attributed to the applied statistical method and more to the quality and comprehensiveness of the used input data. Furthermore, a literature review of 50 peer-reviewed articles showed that most landslide susceptibility analyses achieve very high validation scores. 73% of the analyzed studies achieved an area under curve (AUC) value of at least 80%. These high validation scores, however, do not reflect the high uncertainty in statistical susceptibility analysis. Thus, the quality assessment of landslide susceptibility maps should not only comprise an index-based, quantitative validation, but also an additional qualitative plausibility check considering local geomorphological characteristics and local landslide mechanisms. Finally, the proposed retrospective evaluation approach cannot only help to assess the quality of susceptibility maps and demonstrate the reliability of such statistical methods, but also identify issues that will enable the susceptibility maps to be improved in the future

Damage event analysis of vertical ground source heat pump systems in Germany

Abstract In recent years, some spectacular cases of damage occurred with vertical ground source heat pump (GSHP) systems in Germany. Broad media coverage attracted enormous public attention, with reports about land subsidence and ground uplifts causing severe damage to buildings. Consequently, sales of vertical GSHP systems have declined. The current study develops conceptual models illustrating the causes and effects of damage in relation to geological and hydrogeological settings. Our investigations revealed nine cases of serious damage in Germany, causing financial losses of more than 100 million Euros. In most cases, connection of aquifers by leaky annular space grouting was the main cause of damage. Guidelines to regulate the installation of vertical GSHP systems have been introduced successfully in all federal states. However, further risk minimisation strategies must be developed to restore the public’s confidence in GSHP technology. Quality assurance and quality control measures should include in particular the optimisation of backfilling materials and increasing use of monitoring systems

Techno-economic and environmental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Abstract The objective of the present study is to analyse the economic and environmental performance of ATES for a new building complex of the municipal hospital in Karlsruhe, Germany. The studied ATES has a cooling capacity of 3.0 MW and a heating capacity of 1.8 MW. To meet the heating and cooling demand of the studied building, an overall pumping rate of 963 m3/h is required. A Monte Carlo Simulation provides a probability distribution of the capital costs of the ATES with a mean value of 1.3 ± (0.1) million €. The underground part of the ATES system requires about 60% of the capital costs and therefore forms the major cost factor. In addition, the ATES is compared with the presently installed supply technology of the hospital, which consists of compression chillers for cooling and district heating. Despite the 50% higher capital costs of the ATES system, an average payback time of about 3 years is achieved due to lower demand-related costs. The most efficient supply option is direct cooling by the ATES resulting in an electricity cost reduction of 80%. Compared to the reference system, the ATES achieves CO2 savings of about 600 tons per year, hence clearly demonstrating the potential economic and environmental benefits of ATES in Germany

Retrospective evaluation of landslide susceptibility maps and review of validation practice

Despite the widespread application of landslide susceptibility analyses, there is hardly any information about whether or not the occurrence of recent landslide events was correctly predicted by the relevant susceptibility maps. Hence, the objective of this study is to evaluate four landslide susceptibility maps retrospectively in a landslide-prone area of the Swabian Alb (Germany). The predictive performance of each susceptibility map is evaluated based on a landslide event triggered by heavy rainfalls in the year 2013. The retrospective evaluation revealed significant variations in the predictive accuracy of the analyzed studies. Both completely erroneous as well as very precise predictions were observed. These differences are less attributed to the applied statistical method and more to the quality and comprehensiveness of the used input data. Furthermore, a literature review of 50 peer-reviewed articles showed that most landslide susceptibility analyses achieve very high validation scores. 73% of the analyzed studies achieved an area under curve (AUC) value of at least 80%. These high validation scores, however, do not reflect the high uncertainty in statistical susceptibility analysis. Thus, the quality assessment of landslide susceptibility maps should not only comprise an index-based, quantitative validation, but also an additional qualitative plausibility check considering local geomorphological characteristics and local landslide mechanisms. Finally, the proposed retrospective evaluation approach cannot only help to assess the quality of susceptibility maps and demonstrate the reliability of such statistical methods, but also identify issues that will enable the susceptibility maps to be improved in the future.Technische Universität Bergakademie Freiberg (3135

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (> 50 °C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen.Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-WürttembergKarlsruher Institut für Technologie (KIT) (4220

Aquiferspeicher in Deutschland

&lt;jats:title&gt;Zusammenfassung&lt;/jats:title&gt;&lt;jats:p&gt;Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (&amp;gt; 50 °C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen.&lt;/jats:p&gt

Aquiferspeicher in Deutschland = Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany

Der saisonale Versatz von Angebot und Nachfrage im Wärmesektor kann über Speicherlösungen ausgeglichen werden. Für die jahreszeitliche Speicherung von Wärme und Kälte sind Aquiferspeicher (ATES) als vielversprechende Lösung vermehrt in den Fokus gerückt. Mit derzeit jeweils nur einem betriebenen Niedrigtemperatur- (NT) und Hochtemperaturspeicher (HT) fristet die Technologie in Deutschland allerdings noch immer ein Nischendasein. Diese Studie liefert einen Überblick über die aktuelle Entwicklung der Aquiferspeicherung in Deutschland und diskutiert Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken. Trotz eines großen Nutzungspotenzials wird der Markteinstieg in Deutschland durch fehlende Anreizprogramme, mangelnde Kenntnisse sowie nicht vorhandene Pilotanlagen erschwert. Die Speichertemperaturen von HT-ATES (>50°C) erhöhen dessen Nutzungsmöglichkeiten, haben aber verstärkte technische und legislative Risiken zur Folge. Eine kommerzielle ATES-Nutzung in Deutschland ist daher nur möglich durch die Anpassung genehmigungsrechtlicher Anforderungen, die Schaffung von Fördermaßnahmen, die Umsetzung von Demonstrationsanlagen und die Darlegung von deren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen

Risk analysis of High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES)

The storage of heat in aquifers, also referred to as Aquifer Thermal Energy Storage (ATES), bears a high potential to bridge the seasonal gap between periods of highest thermal energy demand and supply. With storage temperatures higher than 50 °C, High-Temperature (HT) ATES is capable to facilitate the integration of (non-)renewable heat sources into complex energy systems. While the complexity of ATES technology is positively correlated to the required storage temperature, HT-ATES faces multidisciplinary challenges and risks impeding a rapid market uptake worldwide. Therefore, the aim of this study is to provide an overview and analysis of these risks of HT-ATES to facilitate global technology adoption. Risk are identified considering experiences of past HT-ATES projects and analyzed by ATES and geothermal energy experts. An online survey among 38 international experts revealed that technical risks are expected to be less critical than legal, social and organizational risks. This is confirmed by the lessons learned from past HT-ATES projects, where high heat recovery values were achieved, and technical feasibility was demonstrated. Although HT-ATES is less flexible than competing technologies such as pits or buffer tanks, the main problems encountered are attributed to a loss of the heat source and fluctuating or decreasing heating demands. Considering that a HT-ATES system has a lifetime of more than 30 years, it is crucial to develop energy concepts which take into account the conditions both for heat sources and heat sinks. Finally, a site-specific risk analysis for HT-ATES in the city of Hamburg revealed that some risks strongly depend on local boundary conditions. A project-specific risk management is therefore indispensable and should be addressed in future research and project developments