Aquifer-Speicher – Heizen oder kühlen je nach Saison

Holz spielt eine tragende und sichtbare Rolle bei den drei Gebäuden der Swatch Group in Biel, entworfen vom japanischen Architekten Shigeru Ban. Doch nicht nur beim Rohstoff, sondern auch bei den im Verborgenen wirkenden Kräften wird auf natürliche Ressourcen gesetzt – darunter Geothermie: Die Gebäude werden mit Grundwasser geheizt und gekühlt. Dadurch und dank des Solarstroms aus Fotovoltaikanlagen auf den Dächern spart der Konzern seit der Inbetriebnahme 2019 jährlich 60 000 Liter Heizöl ein und vermeidet 160 Tonnen CO2-Emissionen. Zwar waren die Investitionen in hydrogeologische Untersuchungen und Bohrungen höher als geplant, doch schliesslich hat sich das 1,3-Millionen-Franken-System gut amortisiert. Eine Ausweitung wird aktuell geprüft.

Biel liegt über einem Aquifer, also einer unterirdischen Gesteinsschicht, die zur Leitung respektive Speicherung von Grundwasser geeignet ist. Dabei liegt das Wasser in den Hohlräumen zwischen Kieskörnern, ähnlich wie Wasser in einem Schwamm. Dieser poröse Grundwasserleiter, der aus den Schottern des Flusses Schüss besteht, weist eine gute Durchlässigkeit auf und zieht sich über eine ergiebige Höhe von 20 Metern. Da sich der Aquifer in geringer Tiefe befindet, konnte er mit relativ flachen, kostengünstigen Bohrungen erschlossen werden. Während er in der Agglomeration (zwischen den Champs de Boujean und dem Bielersee) von diversen anderen Anlagen zur Wärme- und Kälteversorgung genutzt wird, setzt die Swatch Group zusätzlich auf Energiespeicherung.

Ein reversibler Prozess

Das Konzept zur saisonalen Beheizung und Kühlung des Swatch-Hauptsitzes, der Omega-Manufaktur sowie der «Cité du Temps» (das Gebäude mit den Museen von Omega und Swatch) durch Grundwasser ist in der Schweiz einzigartig. Vincent Badoux, Co-Präsident des Verbandes Geothermie Schweiz, präzisiert: «Es handelt sich um eine LT-ATES-Anlage (Low-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage), die dem Aquifer im Winter Wärme entzieht, um Heizenergie via Wärmepumpen bereitzustellen. Dabei wird Kälte in den Aquifer eingebracht, die ihm im Sommer wieder entzogen wird, um die Gebäude zu kühlen.» Dieses Prinzip funktioniert, da das dortige Grundwasser ganzjährig eine stabile Temperatur aufweist und sich damit für eine saisonale thermische Speicherung eignet.

Das Besondere am Swatch-System ist, dass die Parzellen relativ gross sind und sich in der Fliessrichtung des Grundwassers (parallel zur Schüss in Richtung Bielersee) erstrecken. Die 25 Meter tief gelegenen neun Brunnen – es sind vier warme und fünf kalte – konnten optimal positioniert werden, sodass das daraus herausgepumpte Grundwasser trotz der natürlichen Verschiebung der gespeicherten Wärme wieder zurückgewonnen werden kann. Ohne diese geografische Konstellation würden die Wärme- und Kältefahnen rasch auf benachbarte Grundstücke übergreifen und dortige Anlagen beeinflussen. Die sogenannte Transitzeit vom ersten bis zum letzten Brunnen beträgt rund sechs Monate.

Die Pump- und Filtrationsanlagen wurden nach strengen technischen Normen gebaut, damit das Grundwasser nicht verschmutzt wird. Dabei gilt es jedoch zu erwähnen, dass das Grundwasser in Biel ohnehin nicht für Trinkwasser genutzt werden kann aufgrund der historischen industriellen Belastungen. Zur Anlage gehören zwei ehemalige Öltanks, die zu riesigen Wasserspeichern mit einem Fassungsvermögen von je 600 000 Litern umfunktioniert wurden.

Grundwasser: Spiegel und Temperatur unverändert

Das Grundwasser wird hauptsächlich zum Kühlen der Gebäude verwendet, insbesondere für die Produktionsstätten der Omega-Manufaktur. Denn die dort in Betrieb stehenden Maschinen und Anlagen erhöhen die Raumtemperatur. Für den Kühlvorgang wird zunächst das 12 Grad kalte Wasser aus einem Förderbrunnen in den Kaltwassertank gepumpt. Von diesem Speicher aus gelangt es zum Wärmetauscher im Gebäude, wo ihm die Kälte entzogen wird, um über Kühldecken und die Lüftung das Gebäude zu kühlen. Das nach diesem Durchlauf erwärmte Wasser wird dem Warmwassertank zugeführt, wo es je nach Bedarf für die Beheizung anderer Gebäude auf dem Areal zur Verfügung steht. Ist dieser Tank voll, wird das überschüssige Wasser in den jeweils zugeordneten Rückgabebrunnen geleitet.

Analog verläuft der Vorgang mit dem Warmwasser zum Heizen der Gebäude. So können anhand dieses saisonalen Kreislaufs die kalten bzw. warmen Speicherbereiche je nach Jahreszeit und Bedarf ideal genutzt werden. Das Geniale des saisonalen Speichersystems: Die ausgeglichene Wärmebilanz über das Jahr hinweg sorgt für eine sich weitgehend «neutralisierende Gesamtwirkung» auf die Grundwassertemperatur. Da zudem die Wassermenge reguliert wird, haben die unterirdischen Reservoire auch keinen Einfluss auf den allgemeinen Grundwasserspiegel.

ATES in der Schweiz kaum verbreitet

Während Aquifer-Speicher in Nordeuropa weit verbreitet sind, werden diese in der Schweiz – im Gegensatz zu den beispielsweise oft genutzten Erdwärmesonden – noch wenig eingesetzt. Das hat mit den hiesigen hydrogeologischen Bedingungen zu tun. Vincent Badoux erklärt: «Als Gebirgsland mit ausgeprägtem Relief weisen viele der Grundwasserleiter relativ hohe Fliessgeschwindigkeiten auf (circa 1 Meter pro Tag) – ähnlich wie unsere Flüsse, die schneller fliessen als jene im Norden Europas. Da sich das Grundwasser verhältnismässig schnell bewegt, wird die gespeicherte Energie mittransportiert, was die saisonale Speicherung erschwert. In Nordeuropa hingegen fliessen die Aquifere sehr langsam. Dies ermöglicht zum Beispiel den Betrieb saisonaler Wärmespeicher an einem Standort mit nur zwei Brunnen mit alternierender Nutzung im Sommer und Winter.»

Die ersten ATES-Pilotanlagen in der Schweiz stammen aus den 1970er-Jahren. Ein bedeutendes Forschungsprojekt in den 1980er-Jahren war das «SPEOS-Dorigny» von der EPFL Lausanne mit einem Speichervolumen von rund 100 000 Kubikmetern. Derzeit befindet sich eine Anlage des Tech Cluster Zug und der WWZ AG im Bau. Dort ist die Nutzung eines tiefen Aquifers im Baarerbecken in einer Tiefe von 60 bis 150 Metern für die saisonale Speicherung geplant. Der mögliche Leistungsumfang beträgt bis zu 6 Megawatt Wärme und 5 Megawatt Kälte. Weitere Projekte sind in den Grossräumen Zürich und Bern geplant: Der Flughafen Zürich prüft die Wärmespeicherung in einem rund 300 Meter tiefen Aquifer unter dem Flughafengelände und Energie Wasser Bern (EWB) untersucht allgemein die Machbarkeit saisonaler Wärme- und Kältespeicher in Grundwasserleitern.

geothermie-schweiz.ch