Grundwasser als Wärmespeicher zum Heizen und Kühlen – das Beispiel Swatch-Omega

Kühlen oder Heizen mit Grundwasser ist eine erprobte Technologie. Swatch-Omega in Biel geht noch einen Schritt weiter: Das Grundwasser wird in einem ausgeklügelten Kreislauf im Winter zum Heizen und im Sommer zum Kühlen der Gebäude genutzt. Was ist daran speziell? Wie funktioniert es? Und kann das ein Modell für die Zukunft sein? Energeiaplus mit Antworten auf diese Fragen.

Es ist ein günstiger Zufall, der dem Bieler Uhrenunternehmen zugutekommt. Unter dem langen, schmalen Firmenareal im Bieler Gurzelen-Quartier befindet sich ein unterirdischer Fluss– sieben bis 30 Meter tief unter dem Boden – ein sogenannter Grundwasserleiter. Die Fliessrichtung des Wassers stimmt mit der Längsachse des Firmengrundstückes überein. Der 2019 eingeweihte neue schlangenförmige Hauptsitz – eine 240 Meter lange und 25 Meter breite Holzkonstruktion des japanischen Architekten Shigeru Ban – zeigt einem quasi den Wasserfluss an.

Der Swatch-Hauptsitz von oben – der Grundwasserleiter fliesst von rechts nach links; Bild: Swatch

Das Grundwasser fliesst unter dem Gelände durch Kies und Sand, das in der letzten Eiszeit abgelagert wurde. Es ist ein klassischer Lockergesteins-Grundwasserleiter. Weil das Grundwasser optimal von der einen Grundstückseite (im Osten) zur gegenüberliegenden Seite (im Westen) fliesst, und die beiden Seiten genug weit voneinander entfernt liegen, kann das Unternehmen diese natürlichen Gegebenheiten nutzen, um damit mehrere Gebäude auf dem Gelände zu kühlen und zu heizen. Fachleute sprechen dabei von der Aquiferspeicher-Technologie.

Und so geht’s:

Für die Kühlung der Gebäude entnimmt Swatch-Omega Grundwasser. Beim Kühlprozess fällt Abwärme an. Diese Wärme wird im Sommer ins Grundwasser zurückgeleitet. Die Kies- und Sandsteine helfen dabei, die Wärme zu speichern. Im Winter kann diese Wärme wieder zum Heizen entnommen werden.

Auf dem gesamten Areal sind insgesamt neun Brunnen verteilt. Acht davon wurden während des Baus des neuen Hauptsitzes neu gebohrt. Sie dienen dazu, das Wasser aus dem Boden zu pumpen oder wieder zurückzuleiten. Jeder Brunnen hat dabei eine bestimmte Funktion. Drei Brunnen dienen zur Förderung des Wassers, zwei zur Rückgabe des Wassers, vier Brunnen können sowohl als Förder- und Rückgabebrunnen genutzt werden.

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Zum ganzen System gehören noch zwei ehemalige Öltanks mit einem Fassungsvermögen von je 600’000 Litern. Diese wurden zu Wassertankspeichern umgebaut. Sie übernehmen die kurzfristige Speicherung des warmen respektive kalten Wassers, das zum Heizen respektive Kühlen genutzt wird. Damit kann der Grundwasserspeicher gezielt und optimiert beladen/entladen werden.

Indem man den Grundwasserleiter unter dem Swatch-Omega-Areal auch als Wärmespeicher nutzt (Einleiten des warmen Wassers aus dem Kühlprozess), liefert er im Winter zwei bis drei Mal mehr Energie/Wärme, als wenn das Grundwasser nur als Wärmelieferant genutzt würde. Das heisst gleichzeitig, dass mit dem gleichen Grundwasservolumen zwei bis drei Mal mehr Erdgas eingespart werden kann.

Einmalig in der Schweiz

2016 wurde das System getestet, seit 2018 ist es offiziell in Betrieb. Ein paar kleine, aber unwichtige Kinderkrankheiten gab es: Feuchtigkeit in den Brunnen zum Beispiel oder die Gebäudeautomation. Aber laut den Verantwortlichen von Swatch-Omega sind die Erfahrungen grundsätzlich gut: «Wir können die angeschlossenen Gebäude mit Wärme und Kälte versorgen, so wie wir uns das vorgestellt haben.» Noch werden nicht alle Gebäude auf dem Gelände mit dem Grundwasserspeicher gekühlt respektive geheizt.

Die positiven Erfahrungen zeigten indes, dass es noch ein Ausbaupotenzial gebe, so die Swatch-Omega-Verantwortlichen. Das ganze System wird zudem gut überwacht, weil der Kanton Bern in der Konzession klare Grenzen gesetzt hat, inwieweit der Grundwasserleiter aus gewässerschutzrechtlichen Gründen als Speicher genutzt werden darf. Denn das Gesetz gibt vor: Die Schwankungen im Grundwasser gegenüber der Ausgangstemperatur dürfen maximal drei Grad betragen.

Was ist ein Aquifer? (aus wikipedia)

Ein Aquifer (auch Grundwasserleiter) ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der zur Leitung von Grundwasser geeignet ist.

Aquifere können genutzt werden, um thermische Energie zu speichern und sie so zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden verfügbar zu machen. Diese Technologie wird als Aquiferspeicher bezeichnet. Im Englischen werden diese als „Aquifer thermal energy storage“ (ATES) genannt. Dazu wird warmes Wasser aus einem Aquifer z. B. im Winter zum Heizen von Gebäuden verwendet und kühlt sich dabei ab. Dieses abgekühlte Wasser wird in den Aquifer zurückgeführt und kann dann im Sommer wiederum der Gebäudekühlung dienen.

Beim Kühlen des Gebäudes kann das Wasser im Nachgang noch zusätzlich, z. B. durch Sonnenkollektoren erwärmt und wieder im Aquifer gespeichert werden. Für dieses Verfahren sind mindestens zwei Brunnen, ein Schluck- und ein Entnahmebrunnen nötig, die je nach Jahreszeit in ihrer Funktion wechseln. In den Niederlanden sind derzeit über 3’000 Aquiferspeicher installiert. In Deutschland wird zum Beispiel der Berliner Reichstag so beheizt respektive gekühlt.

Das Grundwassernutzungskonzept auf dem Swatch-Omega-Areal ist bislang einmalig in der Schweiz. Könnte es Schule machen? Was sind die Herausforderungen dabei? Energeiaplus fragt bei Rita Kobler, Fachspezialistin für Erneuerbare Energien beim Bundesamt für Energie nach:

Energeiaplus: Was überzeugt Sie an dieser Nutzung des Grundwassers als Wärmespeicher?

Rita Kobler ist Fachspezialistin für Erneuerbare Energien im Bundesamt für Energie; Bild: BFE

Rita Kobler: Die Swatch-Omega Anlage zeigt eindrücklich auf, was mit einer geschickten Nutzung dieser Umwelt-Ressource gewonnen werden kann. Zwei bis drei Mal mehr Energie, wenn man das Grundwasser als Speicher und nicht nur als Wärmelieferant nutzt, das ist beeindruckend. Das ist nicht nur wichtig für die vollständige Dekarbonisierung des Energiesystems, sondern auch wirtschaftlich interessant.

Dank dem Speicher-Prinzip steht im Winter neben der Wärme, die von Natur aus im Grundwasser vorhanden ist, auch die Wärme aus dem Sommer zur Verfügung. Mit der Wärmespeicherung im Grundwasser kann lokal mehr Erdöl und Erdgas ersetzt werden, als wenn man dem Grundwasser nur Wärme entziehen würde. Zudem erlaubt diese Bewirtschaftung des Grundwassers, die saisonal unterschiedliche Temperaturveränderung besser auszugleichen.

Zum Schutz des Trinkwassers ist in der Gewässerschutzverordnung festgehalten, dass eine maximale Temperaturänderung von 3 Grad Celsius eingehalten werden muss. Was heisst das für solche Projekte?

Die Gewässerschutzverordnung erlaubt den Wärmeeintrag und den Wärmeaustrag ins Grundwasser, wobei der natürliche Zustand als Referenz gilt. Vereinfacht heisst das, dass der Grundwasserleiter nur in einem klar geregelten Mass als Speicher genutzt werden darf. Bei jedem Projekt muss zuerst der Grundwasserleiter untersucht werden. Dann wird der Speicher simuliert, um sicherzustellen, dass die gesetzlichen Vorgaben eingehalten werden. Die Konzession, also die Genehmigung des Kantons, erteilt dann die Möglichkeit der Nutzung unter dem Vorbehalt, dass die gewässerschutzrechtlichen Anforderungen eingehalten werden.

Unter welchen Bedingungen könnten solche unterirdischen Reservoirs auch andernorts fürs Heizen und Kühlen genutzt werden? Wo sind die grössten Herausforderungen solcher Systeme?

Der Kanton Zürich hat das Potenzial in einer Studie «Saisonale Wärmespeicherung im Grundwasser» für gewisse Gebiete analysiert und das Potenzial als interessant bewertet. Eine Herausforderung ist aber, dass das eigene Grundstück selten gross genug ist, so wie in diesem Fall bei Swatch-Omega in Biel. Somit müssten verschiedenen Gebäudeeigentümerschaften zusammen eine solche Anlage realisieren. Das ist technisch kein Problem, aber immer eine organisatorische Hürde.

Bevor aber überhaupt ein Brunnen gebohrt, Wärme entzogen oder eingeleitet werden kann, braucht es hydrogeologische Abklärungen. Diese Vorabklärungen sind schon fast so teuer, wie die der Preis für einen neuen Öl- oder Gaskessel. Die Gebäudeeigentümerschaft muss also mutig sein und den Willen haben, diese Vorinvestition zu tätigen.

Auch wenn das Beispiel Swatch-Omega zeigt, dass die Anlage über die Lebensdauer viel günstiger kommt, als eine Wärmeversorgung mit Heizöl oder Erdgas, schrecken die meisten Bauherrschaften zurück, wenn es um Vorprojekte geht. Das ist also ein wichtiges Hemmnis. Ein weiteres Hemmnis: Sobald einige Gebäudeeigentümerinnen und Gebäudeeigentümer einzelne Grundwassernutzungen  ohne Gesamtkoordination erstellt haben, wird es schwieriger. Die Konzeptprüfung erfolgt dann mit bestehenden und nicht mit optimal platzierten Grundwasserfassungen.

Dennoch: Erdwärmesonden, Wärmespeicherung: Der Untergrund rückt immer mehr in den Fokus für die erneuerbare Wärmeversorgung. Erschöpft sich dieses Potenzial auch irgendwann?

Jedes Potenzial hat ökonomische, ökologische und technische Grenzen, wobei sich diese im Lauf der Zeit auch ändern können. Bei der Geothermie kann Wärme auf verschiedenen Tiefen mit verschiedenen Technologien gewonnen werden.

Die Wärmespeicherung bietet die Möglichkeit, vorhandene und erschlossene Volumen besser zu nutzen. In Holland sind zum Beispiel schon über 3’000 Niedertemperatur-Aquifer-Wärmespeicher in Betrieb. In der Schweiz werden bisher vor allem Erdwärmesonden mit Abwärme aus Kälteanwendungen regeneriert. Die Vielfalt der Speicherkonzepte nimmt schweizweit gerade stark zu. In den nächsten Jahren werden weitere spannende Anlagen realisiert werden. Das Parlament hat zudem den Bund beauftragt zu prüfen, wie die rechtlichen Rahmenbedingungen für die Wärmespeicherung verbessert werden können. Der Auftrag geht zurück auf die Motion des Aargauer FDP-Nationalrats Matthias Jauslin

Text und Interview: Brigitte Mader, Kommunikation, Bundesamt für Energie
Bild: Der neue Swatch-Hauptsitz orientiert sich an der Fliessrichtung des Grundwasserleiters. Bild: Swatch Group