Supporting early decisions on seasonal thermal energy storage

Abstract

Decarbonization of the building sector is a key prerequisite for achieving climate targets. Seasonal Thermal Energy Storage (STES) plays a key role in this by balancing fluctuations in renewable generation and demand. By enabling long-term heat storage, it forms a necessary component of a renewable heat supply. However, integrating STES requires decisions to be made within a complex, heterogeneous, and context-dependent technological landscape. In practice, these decisions are influenced by limited data, inconsistent knowledge, and conflicting stakeholder perspectives and objectives. Together, these factors create an environment with limited reliable information and high stakes.However, there is a lack of integrated assessment approaches that provide guidance despite limited data and systematically support early decisions. This dissertation responds to this gap by examining how early decisions on STES can be supported under uncertainty in such a way that they are both technically well-founded and socially reflective. The focus is on linking technical and social assessment methods in order to make the selection of STES more transparent and analytically comprehensible. Within the framework of a CTA-based approach, a methodological framework is developed that brings together technical, economic, and social perspectives. Simplified models for analyzing self-sufficiency and costs, multi-criteria decision analysis (MCDA) for evaluating preferences, and empirical findings on social acceptance are integrated.The results demonstrate that structured, transparent, and participatory assessment procedures can facilitate more informed early decisions on STES. The framework developed enables self-sufficiency and costs to be estimated even without detailed data, thus providing guidance in the early stages. It reveals the nonlinear relationship between storage capacity and selfsufficiency, highlights economies of scale and cost differences between technologies, and introduces a temperature-dependent cost indicator that enables fair comparisons. By combining Constructive Technology Assessment (CTA) and Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA), role-dependent preferences are recorded and their changes are made visible through reflection and exchange. A comparison of aquifer, borehole, pit, and tank thermal energy storage illustrates typical trade-offs between technical performance, spatial integration, and investment costs.Overall, this creates a consistent basis for early decisions in the field of STES by combining technical facts and societal perspectives. It reveals conflicting goals and provides guidance in an uncertain, complex environment. Thus, the work lays a methodological foundation for future research and practice that can be transferred to larger spatial scales and other application contexts. In this way, it helps establish STES as a central component of a climate-neutral heat supply.

Die Dekarbonisierung des Gebäudesektors ist eine wichtige Voraussetzung für die Erreichung der Klimaziele. Saisonale thermische Energiespeicher (STES) spielen dabei eine Schlüsselrolle, indem sie Schwankungen in der Erzeugung und Nachfrage erneuerbarer Energien ausgleichen. Durch die Möglichkeit der langfristigen Wärmespeicherung sind sie ein notwendiger Bestandteil einer erneuerbaren Wärmeversorgung. Die Integration von STES erfordert jedoch Entscheidungen innerhalb einer komplexen, heterogenen und kontextabhängigen Technologielandschaft. In der Praxis werden diese Entscheidungen durch begrenzte Daten, inkonsistentes Wissen und widersprüchliche Perspektiven und Ziele der Interessengruppen beeinflusst. Zusammen schaffen diese Faktoren ein Umfeld mit wenigen verlässlichen Informationen und hohen Risiken. Es mangelt jedoch an integrierten Bewertungsansätzen, die trotz begrenzter Daten eine Orientierungshilfe bieten und frühzeitige Entscheidungen systematisch unterstützen. Diese Dissertation reagiert auf diese Lücke, indem sie untersucht, wie frühzeitige Entscheidungen zu STES unter Unsicherheit so unterstützt werden können, dass sie sowohl technisch fundiert als auch sozial reflektiert sind. Der Schwerpunkt liegt auf der Verknüpfung technischer und sozialer Bewertungsmethoden, um die Auswahl von STES transparenter und analytisch nachvollziehbarer zu machen. Im Rahmen eines CTA-basierten Ansatzes wird ein methodischer Rahmen entwickelt, der technische, wirtschaftliche und soziale Perspektiven zusammenführt. Vereinfachte Modelle zur Analyse von Selbstversorgung und Kosten, multikriterielle Entscheidungsanalyse (MCDA) zur Bewertung von Präferenzen und empirische Erkenntnisse zur sozialen Akzeptanz werden integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass strukturierte, transparente und partizipative Bewertungsverfahren fundiertere frühzeitige Entscheidungen über STES erleichtern können. Der entwickelte Rahmen ermöglicht die Abschätzung von Selbstversorgung und Kosten auch ohne detaillierte Daten und bietet somit eine Orientierungshilfe in frühen Phasen. Er zeigt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Speicherkapazität und Selbstversorgung auf, verdeutlicht Skaleneffekte und Kostenunterschiede zwischen Technologien und führt einen temperaturabhängigen Kostenindikator ein, der faire Vergleiche ermöglicht. Durch die Kombination von konstruktiver Technologiebewertung (CTA) und multikriterieller Entscheidungsanalyse (MCDA) werden rollenabhängige Präferenzen erfasst und ihre Veränderungen durch Reflexion und Austausch sichtbar gemacht. Ein Vergleich von Aquifer-, Erdsonden-, Gruben- und Tank-Wärmespeichern veranschaulicht typische Zielkonflikte zwischen technischer Leistung, räumlicher Integration und Investitionskosten. Insgesamt schafft dies eine konsistente Grundlage für frühzeitige Entscheidungen im Bereich STES, indem technische Fakten und gesellschaftliche Perspektiven kombiniert werden. Es deckt Zielkonflikte auf und bietet Orientierung in einem unsicheren, komplexen Umfeld. Damit legt die Arbeit eine methodische Grundlage für zukünftige Forschung und Praxis, die auf größere räumliche Skalen und andere Anwendungskontexte übertragen werden kann. Auf diese Weise trägt sie dazu bei, STES als zentralen Bestandteil einer klimaneutralen Wärmeversorgung zu etablieren.