Bodenthermiespeicherung könnte die Herausforderung der erneuerbaren Energiespeicherung lösen

Großskalige Energiespeicherung benötigt

Es besteht ein wachsender Bedarf an Batteriesystemen, die große Energiemengen für mehrere Stunden oder Tage speichern können. Das liegt daran, dass Solar- und Windenergie intermittierend sind und im Tagesverlauf sowie von Tag zu Tag schwanken.

In kalten Klimazonen wird die Situation noch verschärft, da gerade bei besonders niedrigen Temperaturen der Energieverbrauch zum Heizen von Gebäuden ansteigt. Wenn also der Himmel bewölkt ist oder die Solarmodule von Schnee bedeckt werden, ist die Energienachfrage am höchsten.

Der Einsatz von Lithium‑Ion‑Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ist kaum eine skalierbare Lösung. Sie sind einfach zu teuer, nicht langlebig genug und verbrauchen zu viele Rohstoffe.

Deshalb wurden zahlreiche alternative Batteriekemien für die netzskalige Energiespeicherung in Betracht gezogen. Wir betrachten die meisten dieser Optionen in unserem Artikel „Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterietechnologien im Versorgungsmaßstab“, darunter Lithium‑Eisen‑Phosphat, Natrium‑Ion, Redox‑Flow, Eisen‑Luft, geschmolzene Metalle, Nickel‑Wasserstoff, Natrium‑Schwefel usw.

All diese Batterien speichern Energie in Form von Elektrizität, meist durch Oxidation und Reduktion eines Metalls.

Das Problem ist, dass selbst sehr verbreitete Metalle wie Eisen oder Aluminium weiterhin umfangreichen Bergbau erfordern würden. Was wäre also, wenn wir Energie in einer anderen Form speichern?

Wärmespeicherung

Es gibt überraschend viele Möglichkeiten, Energie zu speichern, ohne Elektrizität als Speichermedium zu nutzen. Wir haben sie ausführlicher in „Nicht‑chemische Alternativen zu Batterien für die Energiewende“ untersucht. Diese Optionen umfassen:

• Komprimierte Luft.
• Gravitationsbatterien (Steine, Pumpspeicherkraftwerke).
• Wärmebatterien.
• Schwungräder.
• Thermische Solarenergie.

Jede dieser Optionen, Batterien und Nicht‑Batterien, hat Vor- und Nachteile. Die ideale Energiespeicherlösung sollte einige Merkmale erfüllen:

• Kein Bedarf an Metallen und seltenen Materialien.
• Langzeitenergiespeicherung, idealerweise im Bereich von mehreren Wochen bis Monaten.
• Niedrige Kosten.
• Leicht skalierbar ohne Einschränkungen durch verfügbare Standorte oder Ressourcen.
• Sie kann mit minimalen Verlusten wieder in Strom umgewandelt werden.

Für die ersten vier/fünf Kriterien würde die Wärmespeicherung passen. Wir haben einige mögliche „Wärmebatterie“-Technologien in unserem speziellen Artikel „Wärmebatterien reifen schnell, ohne dass Metallbergbau nötig ist“ untersucht.

Allerdings erfordern selbst diese Lösungen noch eine gewisse Herstellung der Speicherkapazität, sei es riesige isolierte Silos voller Sand oder Blöcke aus reinem Kohlenstoff, die auf 1500°C erhitzt werden.

Forscher der Kaunas University of Technology (Litauen) untersuchen nun eine weitere Möglichkeit, die Energie direkt im Boden unter Gebäuden zu speichern, ohne dass zusätzliche Herstellung erforderlich ist.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in einer Sonderausgabe der Zeitschrift Sustainability¹ mit dem Titel „Forschung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden durch Nutzung des Bodens darunter für Thermo‑Akkumulation“.

Thermische Kapazität des Bodens

Da Böden eine Mischung aus Mineralien und Wasser enthalten, besitzen sie in der Regel eine enorme thermische Masse, also die Menge an Wärmeenergie, die sie für ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Masse speichern können. Die Beschaffenheit des Bodens, wie seine physikalische Struktur, der Gehalt an organischer Substanz, die Textur und die mineralische Zusammensetzung, bestimmen die thermischen Schwankungen des Bodens.

Dadurch behält der Boden unter einer bestimmten Tiefe (in der Regel 2–3 Meter / 6,5–10 Fuß) eine konstantere Temperatur bei, die dem jährlichen Durchschnitt der jeweiligen Region entspricht.

Quelle: MDPI

Dieses Prinzip wird von Erdwärmepumpen genutzt, die die im Sommer im Boden gespeicherte Wärme nutzen, um Häuser im Winter zu heizen, anstatt zu versuchen, Wärme aus der viel kälteren Außenluft zu pumpen. In heißen Klimazonen kann es auch umgekehrt funktionieren, da der Boden tagsüber und im Sommer kühler bleibt als die Luft. Die gleichen Prinzipien werden auch in geothermischen Gewächshäusern eingesetzt,

Messung der thermischen Diffusion

Experimenteller Aufbau

Es wurden nur wenige Tests durchgeführt, die die thermische Diffusion in mehreren Bodenschichten analysierten und das ganze Jahr über maßen, was ein fundiertes Verständnis des Potenzials des Bodens als praktischer thermischer Speicher ermöglicht.

Daher entwickelte die Forschung einen experimentellen Aufbau mit Messungen in unterschiedlichen Tiefen. Sie fügten einen elektrischen Widerstand hinzu, um später die Wärme­diffusion zu messen. Die experimentelle Untersuchung der Wärmeabgabe im Boden begann im Dezember und wurde im Juli abgeschlossen.

Quelle: MDPI

Die experimentellen Messungen wurden mit einer digitalen Simulation der Wärme­diffusion im Boden verglichen; beide lieferten ähnliche Ergebnisse, was die Gültigkeit der Simulation bestätigt.

Quelle: MDPI

“Die einjährige Messreihe zeigte natürliche saisonale Muster in der Bodentemperatur und ermöglichte es uns, mehrere Trends zu identifizieren. Wir stellten fest, dass bereits die passive Nutzung eines isolierten Bodenvolumens unter einem Gebäude den Wärmeverlust reduzieren und die Energieeffizienz steigern kann.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

Wasserspeicherung

Die Forscher wussten bereits, dass der Wassergehalt des Bodens sowie Luftporen die Geschwindigkeit der thermischen Diffusion und die thermische Masse des Bodens stark beeinflussen. Mit zunehmender Tiefe steigt auch die Akkumulationszeit, sodass der Boden Wärme langsamer und über längere Zeiträume speichern kann.

Es wurde festgestellt, dass die Aktivität des Wassers ebenfalls ein Schlüsselfaktor für die Wärme­diffusion im Boden ist, da Wasser Wärme zwischen Bodenschichten sowie seitlich transportieren kann.

In einem Test wurde der Boden so stark erhitzt, dass die Feuchtigkeit zu verdampfen begann – ein Phasenwechsel, bei dem flüssiges Wasser zu Dampf wird. Dieser „Phasenwechsel“ von flüssigem Wasser zu Dampf absorbiert eine erhebliche Menge Wärme, erhöht die Gesamtkapazität des Bodens zur Wärmespeicherung und verändert gleichzeitig das Verteilungsmuster.

“Phasenwechsel kann ein effizienter Weg zur Wärmespeicherung sein. Deutlich höhere Energiemengen können in den Boden eingespeichert werden.

Wenn Dampf durch den Boden wandert, verteilt er Wärme über ein größeres Gebiet. „Wir bemerkten einen starken Temperaturanstieg überall dort, wo der Dampfstrom ankam. Das bedeutet, dass die Energie sich bewegt und kontrollierbar ist.“

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

Praktische Anwendungen

Jedes Grundstück in eine Batterie verwandeln

Da jedes Gebäude einen erheblichen Grundriss hat, würde die Nutzung des Bodens sowohl für die strukturelle Stabilität als auch für die Wärmespeicherung keinen zusätzlichen Aufwand erfordern, insbesondere bei Neubauten, bei denen der Wärmeaustausch während der Errichtung der Fundamente installiert wird.

Dasselbe gilt für große Flächen aus Beton oder Asphalt.

“Ein solches System könnte helfen, Nahwärmenetze auszugleichen oder Belastungen bei Stromnetzüberlastungen zu verringern. Es ist auch möglich, thermische Akkumulatoren für den individuellen Gebrauch zu installieren – unter Wohngebäuden, Straßen oder Parkplätzen.”

Die Idee wäre, den Überschuss an Energie während sonniger Stunden und Tage bei Solar- oder windigen Tagen zu nutzen und den Boden wie eine riesige Wärmebatterie zu erwärmen. Zu Beginn war die höchste Energiemenge erforderlich, um den umgebenden Boden zu erwärmen.

Im experimentellen Aufbau dauerte es etwa eine Woche kontinuierlichen Wärmestroms, bis ein stabiles Gleichgewicht erreicht war, bei dem keine weitere Wärme dem Boden zugeführt werden konnte, ohne dass sie entwich.

Dezentralisierte Netze & Wärme

Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie die dezentralisierte Natur der Solarproduktion sowohl in ländlichen als auch in städtischen Umgebungen leicht nutzen kann.

Es kann zu Problemen führen, da das Netz nicht dafür ausgelegt ist, stark schwankende Lasten über den Tag hinweg zu transportieren, wo früher nur ein relativ stabiler Verbrauchspunkt existierte. In dieser Hinsicht sind Batteriefelder wenig hilfreich, da das Stromnetz weiterhin aufgerüstet werden muss, um die Batterien zu versorgen.

Stattdessen könnte der Überschuss an Solarproduktion eines Gebäudes lokal als Wärme in den Boden geleitet und später in der Nacht oder nach mehreren Tagen wieder genutzt werden, um ihn zu erwärmen. Auf diese Weise wird das lokale Netz während der sonnenreichsten Stunden nicht überlastet.

Dies kann in gewissem Maße auch für Kühlung funktionieren, da der Boden sowohl Kälte als auch Wärme speichern kann.

Weitere Forschung

Eine tiefere Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Systems ist erforderlich, bei der die Preise für die verwendeten Geräte und Baukosten, Einsparungen bei Netzaufrüstungen sowie die wirtschaftliche Dauer der Wärmespeicherung im Boden berücksichtigt werden.

Bisher scheint dies ein besseres System zu sein, um die Energienachfrage im Tag‑Nacht‑Zyklus oder über einige Tage hinweg auszugleichen, als mehrmonatige und saisonale Ausgleichsmechanismen.

Ein weiterer zu untersuchender Aspekt, bevor die Technologie praktisch eingesetzt wird, ist, wie sie vorhandene, standardisierte Lösungen der Geothermiebranche nutzen kann.

“Unser unmittelbares Ziel ist es, bestehende Lösungen wie Bohrlöcher, Pfähle und andere unterirdische Wärmeaustauschtechnologien in ein System zu integrieren, das sowohl der Industrie als auch dem Wohnsektor zugutekommt.”

Prof. Ždankus – Professor at the Kaunas University of Technology

Investieren in Geothermie

Der Sektor ist im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien noch relativ klein und entwickelt sich technologisch schnell weiter. Wir haben ihn ausführlicher in “Geothermie: Grüne Energie, die heiß begehrt ist” diskutiert.

Das bedeutet, dass viele der fortschrittlichsten Start‑ups im Sektor noch privat geführt werden. Zum Beispiel geschlossene Kreislauf‑Geothermie‑Unternehmen Eavor, superkritische Geothermie Quaise oder Fonds, die nur für akkreditierte Investoren zugänglich sind, wie Baseload Capital.

Es bedeutet auch, dass einige fortschrittliche Geothermie‑Unternehmen, wie Iceland Drilling, möglicherweise nur ein kleiner Teil eines viel größeren Öl‑ und Gasbohrunternehmens sind (Archer Wells – ARCH.OL in diesem Fall).

Dennoch sind einige Unternehmen börsennotiert und für Privatanleger zugänglich. Sie können in geothermiebezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und Sie finden unsere Empfehlungen für die besten Broker auf dieser Website in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, und vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in ETFs wie den Shares Global Clean Energy ETF (ICLN), den First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN) oder den ALPS Clean Energy ETF (ACES) investieren, um vom Wachstum des Geothermie‑Sektors zu profitieren.

Geothermie‑Unternehmen

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat ist der weltweit größte Geothermie‑Besitzer und -Betreiber. Das Unternehmen verfügt über Anlagen in den USA, Kenia, Indonesien sowie Mittelamerika und der Karibik, mit einer Kapazität von 1,5 GW, also 10 % der globalen Geothermie‑Energieerzeugungskapazität, wobei 2024 allein 253 MW hinzugekommen sind.

Quelle: Ormat

Das Unternehmen strebt ein starkes Wachstum der Stromerzeugungskapazität an, wobei zahlreiche neue Explorationsbohrungen, insbesondere in Nevada, Utah und Kalifornien, durchgeführt werden. Insgesamt soll bis 2028 eine Kapazität von 2,6–2,8 GW erreicht werden.

Quelle: Ormat

Ormat dringt ebenfalls in den Energiespeichermarkt vor, mit 290 MW bereits in Betrieb. Weitere 385 MW Speicherkapazität befinden sich in Entwicklung, mit einem langfristigen Potenzial von 2,9 GW.

Quelle: Ormat

Es ist zudem Anbieter von Geothermietechnologie und bringt seine Expertise in 74 % der Binärkraftwerksprojekte ein, bei denen die Wärme vom Boden auf eine andere Flüssigkeit übertragen wird; Binärkraftwerke machen 61 % des globalen Geothermie‑Marktes aus, was bedeutet, dass Ormat 45 % des Weltmarktes kontrolliert.

Quelle: Ormat

Geothermie ist derzeit ein schnell wachsender Sektor, jedoch immer noch sehr konservativ, da die meisten Versorgungsunternehmen und Industrieunternehmen mit der Technologie wenig vertraut sind.

In dieser Hinsicht ist Ormat gut positioniert, um von der wachsenden Nachfrage zu profitieren, gleichzeitig zu den etabliertesten Akteuren der Branche zu gehören und Grundlast‑Erneuerbare‑Energie bereitzustellen – etwas, bei dem andere grüne Technologien noch Schwierigkeiten haben.

Neueste Informationen zu Ormat Technologies

Studienreferenz:

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). Forschung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden durch Nutzung des Bodens darunter für Thermo‑Akkumulation. Integration erneuerbarer Energien und Anwendung in Gebäuden für CO₂‑Neutralität, 2. Auflage https://doi.org/10.3390/su17010262}