Wenn Regenwasser fällt, es versickert in einem Grundwasserleiter, einer Schicht aus porösem Gestein oder losen Materialien wie Sand oder Kies. Seit Tausenden von Jahren graben Menschen in diesen Flüssigkeitsbändern, um Trinkwasser zu fördern. Aber das Interesse an einer anderen cleveren Nutzung dieser unterirdischen Pools wächst: Aquifer Thermal Energy Storage oder ATES.
Eine Batterie speichert Energie, die später verwendet werden soll. Aquifere können für etwas Ähnliches genutzt werden: Sie können die isolierenden Eigenschaften der Erde nutzen, um Wärmeenergie zu speichern und sie zu und von oberirdischen Gebäuden zu übertragen. Die Temperatur des Wassers in einem Aquifer neigt dazu, ziemlich stabil zu bleiben. Dies bietet eine Möglichkeit, nahe gelegene Gebäude mit in Wasser gespeicherter Energie zu heizen und zu kühlen, anstatt Erdgas in Öfen zu verbrennen oder Strom aus fossilen Brennstoffen zum Betrieb von Klimaanlagen anzuzapfen.
ATES-Systeme bestehen aus zwei getrennten Brunnen – einem warmen, einem kalten – die zwischen der Oberfläche und dem Grundwasserleiter darunter verlaufen. Im Winter pumpen Sie Grundwasser aus einem etwa 60 Grad Fahrenheit warmen Brunnen hoch und leiten es durch einen Wärmetauscher. In Kombination mit einer Wärmepumpe entzieht dieser Prozess dem Grundwasser Wärme, um das Innere der Gebäude warm zu halten.
Dann pumpen Sie das jetzt kühlere Grundwasser in den zweiten Brunnen. Dadurch erhalten Sie ein kaltes Wasserbecken – etwa 45 Grad Fahrenheit – zum Pumpen aus im Sommer Gebäude zu kühlen. „Sie heizen das Grundwasser auf, indem Sie die Wärme aus dem Gebäude entnehmen und direkt in den anderen Brunnen einspeisen“, sagt der Hydrogeologe Martin Bloemendal, der ATES an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden studiert. „Dann schöpfen Sie im Winter aus Ihrem warmen Brunnen.“ Dieser Prozess wechselt im Laufe der Jahreszeiten auf unbestimmte Zeit, da das Grundwasser wiederverwendet und nicht verbraucht wird. Das System könnte sogar brackige oder kontaminierte Grundwasserleiter nutzen, die nicht für Trinkwasser angezapft werden können.
Da die Wasserpumpen und andere Geräte mit erneuerbarer Energie wie Sonne oder Wind betrieben werden, würde diese hypereffiziente Energiespeicherung den Bedarf an fossilen Brennstoffen senken und verhindern, dass viel Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangt. Heizung und Kühlung sind zuständig für a Drittel des Energieverbrauchs in den USA, und die Hälfte des Energieverbrauchs in Europa. Genau genommen ein neues Papier im Tagebuch Angewandte Energie fanden heraus, dass ATES den Verbrauch von Erdgas und Strom zum Heizen und Kühlen von US-Haushalten und -Geschäften um 40 Prozent reduzieren könnte.
Es ist eine Möglichkeit, riesige Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern – eine Art unterirdische Batterie, die immer bereit ist, ausgebeutet zu werden. „In einer Stadt in der Nähe kann man Wärme und Kälte speichern, und dafür muss man später nicht mehr bezahlen“, sagt Erick Burns, Leiter des United States Geological Survey Projekt zur Untersuchung geothermischer Ressourcen. (Die USGS ist Teil einer neuen Internationales Konsortium das untersucht geothermische Energie im städtischen Maßstab.) „Das Coole daran ist, dass es keine kritischen Mineralien benötigt, wie es bei Batterien der Fall ist.“
Die Technik ist ideal für große Gebäude wie Krankenhäuser oder eine Gruppe von Gebäuden wie auf einem College-Campus, da sie sich eine eigene Einrichtung für den Brunnen und andere Geräte teilen können. Dies wäre besonders effektiv in Zeiten hoher Nachfrage im Netz. In den USA steigt die Nachfrage an Spätsommernachmittagen, wenn die Menschen ihre energiehungrigen Klimaanlagen einschalten. ATES verbraucht viel weniger Strom, was das Netz entlasten und Unfälle vermeiden helfen würde. Wenn diese Systeme nicht nur mit Solar- oder Windenergie betrieben werden könnten, sondern durch ein verteiltes Netzwerk von Lithium-Ionen-Batterien gesichert würden, könnten sie insgesamt widerstandsfähig gegen Stromausfälle sein.