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Für die Transformation der Wärmeversorgung wird der hydrothermalen Geothermie großes Potenzial zugewiesen. Hier besteht die Herausforderung darin, die bestehenden konventionellen Versorgungspfade im Zuge des bis 2030 festgelegten Ausstiegs aus der Braunkohlenverstromung durch nachhaltige Wärmequellen abzulösen.

Große Hoffnung liegt auf den tiefen hydrothermalen Karbonatformationen des U-Karbons (Kohlenkalk) sowie M-Devons (Massenkalk). Diese Systeme sind im tieferen Untergrund in der niederrheinischen Bucht noch kaum untersucht und damit noch als „green field“-Systeme zu bezeichnen. Die Erkundung des tieferen Untergrundes reichte im Bereich Aachen – Weisweiler nur bis in das flözführende O-Karbon. Gemeinsam mit der Fraunhofer-Institution für Energieinfrastrukturen und Geothermie (Fh-IEG) soll deshalb am Standort des Braunkohlenkraftwerks Weisweiler ein Real-Labor Tiefengeothermie eingerichtet werden. Vorlaufend hierzu soll der Untergrund systematisch auf das Wärmepotenzial untersucht werden.

Im Gegensatz zu diesen wenig erkundeten tiefen Festgesteinssystemen ist das Tertiär (Lockergestein) in der niederrheinischen Bucht durch die langjährige und umfassende Erkundung der Braunkohle sehr gut erkundet. Dies bietet die Möglichkeit, sehr schnell für potenzielle Abnehmer das Untergrundpotenzial der mitteltiefen Geothermie zu quantifizieren und damit erste Projekte einzuleiten.

Der aktuelle Stand der Untersuchungen und die Erkundungskonzepte werden für die tiefe sowie mitteltiefe Geothermie vorgestellt.

Etwa 30 % des deutschen Endenergieverbrauchs lassen sich Heiz- und Kühlprozessen im Gebäudesektor zuordnen. Daher ist eine nachhaltige und klimafreundliche Gebäudeheizung und -kühlung für die Umsetzung der Energiewende von großer Bedeutung. Eine vielversprechende Möglichkeit, die Dekarbonisierung dieses Sektors voranzutreiben, stellen thermische Aquiferspeicher (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) dar. Diese sind in Deutschland bisher jedoch nur wenig verbreitet. Diese Arbeit gibt daher einen Überblick, wie Aquiferspeicher zur Energiewende in Deutschland beitragen können. Dazu werden die ökologischen Vorteile von ATES untersucht, Methoden für die Bestimmung potentieller Anwendungsmöglichkeiten auf nationaler wie auf Stadtebene entwickelt und Möglichkeiten der politischen Förderung vorgestellt.

Zur Bestimmung möglicher Treibhausgaseinsparungen durch ATES wurde ein niederschwelliges parametrisiertes Lebenszyklusanalysenmodell erstellt. Es erlaubt die einfache Ökobilanzierung einer großen Bandbreite möglicher Aquiferspeicher. Im Vergleich zu konventionellen Heiz- und Kühltechnologien ergeben sich Treibhausgaseinsparungen von bis zu 74 %. Aufgrund eines zunehmend regenerativ erzeugten Stroms für den Betrieb der Aquifer­speicher ist in Zukunft mit steigenden Einsparungen zu rechnen.

Zur Nutzbarmachung dieser Treibhausgaseinsparungen sind geeignete Regionen erforderlich, in denen die hydrogeologischen und klimatischen Bedingungen einen effizienten ATES-Betrieb ermöglichen. Diese Kriterien wurden daher für die bundesweite Bestimmung des räumlich aufgelösten qualitativen ATES-Potentials verwendet. Etwa 54 % der untersuchten Fläche Deutschlands sind gut oder sehr gut für thermische Aquiferspeicher geeignet. Diese Bereiche finden sich vornehmlich in den drei geographischen Regionen (1) Norddeutsches Becken, (2) Oberrheingraben und (3) Süddeutsches Molassebecken.

Über die qualitative Eignungsuntersuchung hinausgehend dient die Stadt Freiburg im Breisgau als exemplarisches Untersuchungsgebiet für die Entwicklung eines Ansatzes zur Bestimmung des technischen ATES-Potentials auf der Stadtskala. Hierzu wurden in Abhängigkeit der lokalen Grundwasserströmungsgeschwindigkeit Aquiferspeicher unterschiedlicher Konfigurationen mittels hydraulisch-thermischer 3D-Modelle simuliert. Der Vergleich der so ermittelten ATES-Leistungsdichten mit dem Heiz- und Kühlenergiebedarf zeigt, dass sich bedeutende Anteile des thermischen Energiebedarfs durch ATES decken ließen. Während für die Hälfte aller Wohngebäude Heizenergiedeckungsgrade von mehr als 60 % bestimmt wurden, könnte der Kühlenergiebedarf für 92 % der Gebäude sogar vollständig durch Aquiferspeicher gedeckt werden. Der entwickelte Modellierungsansatz könnte in Zukunft auch in anderen Städten eingesetzt werden, um das Potential von Aquiferspeichern in der kommunalen Wärmeplanung direkt zu berücksichtigen.

Abschließend zeigt unsere Studie einige Möglichkeiten der politischen Förderung thermischer Aquiferspeicher auf. Basierend auf den Ergebnissen einer breit angelegten Onlineumfrage sowie Experteninterviews wurden Empfehlungen entwickelt, wie eine geeignete ATES-Policy legislative, regulatorische und sozioökonomische Marktbarrieren überwinden kann. Diese Empfehlungen betreffen neben legislativen und regulatorischen Anpassungen unter anderem Maßnahmen zur Steigerung des Bewusstseins und dem Aufbau von Expertise bezüglich ATES sowie die potentiell bedeutsame Rolle von ATES in der Energiewende auf kommunaler Ebene.

Wenn die Wärmewende in NRW gelingen soll, muss die flache Geothermie bis 400 m eine zentrale Rolle spielen. Sondenfelder bis 400 m Tiefe (> 30 kWth) werden in Zukunft erheblich an Bedeutung zunehmen, weil sie die Grundlage für kalte Nahwärmenetze und die Wärme- und Kälteversorgung von größeren Gebäuden und Quartieren sein können. Davon sind im Besonderen öffentliche Einrichtungen betroffen (Schulen, Verwaltungsgebäude etc.). Um Geothermie zu nutzen, werden zwangsläufig auch durch Grundwasserentnahmen genutzte Grundwasserstockwerke durchteuft.

Die bestehende Arbeitshilfe, LANUV Arbeitsblatt 39, gibt hier nur wenig Hilfestellung, da sie zum einen für Anlagen > 30 kWth nicht gilt, zum anderen widersprüchliche Aussagen enthält und dringend einer Überarbeitung bedarf.

Die Genehmigungspraxis ist auf die wachsende Bedeutung der flachen Geothermie weder vorbereitet noch ausgerichtet. Die im Genehmigungsprozess beteiligten Stellen vertreten jeweils nach Vorgabe ihre Position und ihre internen Ziele. Eine Harmonisierung dieser Interessen zu Gunsten des übergeordneten Ziels einer klimanutralen Energie- bzw. Wärmeversorgung findet in der Praxis oftmals nicht statt. So informiert der Geologische Dienst NRW entsprechend seiner Aufgabe zu den Grundwasservorkommen, macht darüber hinaus aber keine konkreten Aussagen zu den Risiken einer geothermischen Anlage oder dazu, welche hydrogeologischen Fragen gezielt zu untersuchen wären. Die Genehmigung der UWB orientiert sich am WHG; hier ist oftmals ein allgmeiner Besorgnisgrundsatz die Bewertungsgrundlage, der nicht oder nur sehr schwer fachlich entkräftet werden kann. Das gilt auch, wenn es für diese Besorgnis fachlich keine oder nur hypothetische Anahmen gibt. Aus Sicht des Vorsorgeprinzips ist es dann nur logisch, keine Genehmigung zu erteilen.

Diese Herangehensweise verhindert eine Nutzung der flachen Geothermie, die insbesondere für größere Gebäude oder Quartiersentwicklungen tiefere Bohrungen benötigt.

Aus der Praxis ergeben sich daher konkrete Vorschläge zur Verbesserung/Vereinfachung des Verfahrens:

• Änderung der Bewertungsgrundlage: Ersatz der Bewertungsgrundlage „nutzbares Grundwasser“ durch ein Raumkonzept mit Tabuzonen,
• Überarbeitung der Arbeitshilfe: Berücksichtigung der Anlagen > 30 kWth, Fokus auf Genehmigungsfähigkeit, Anforderungen und Auflagen,
• Anforderungen an Einzelfallentscheidungen (Standorterkundung → Risikoanalyse → Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen → Monitoring und Handlungsoptionen),
• Änderungen der Zuständigkeiten.

Aquiferwärmespeicherung (ATES, Aquifer thermal energy storage) im geologischen Untergrund kann durch bis zu saisonaler Verschiebung von Wärme dazu beitragen, die zeitliche Diskrepanz zwischen Erzeugung und Nachfrage regenerativer Energiequellen zu überbrücken. Hohe Vor- und Rücklauftemperaturen bieten dabei den Vorteil einer direkten Integration in die Wärmenetze sowie höherer Be- und Entladeraten als auch Speicherkapazitäten. Da nur wenige solcher Speicher bisher gebaut und betrieben wurden, fehlen noch Betriebserfahrungen und verlässliche Kenntnisse der im Untergrund induzierten Temperaturveränderungen. Der am Feldstandort TestUM durchgeführte zyklische Hochtemperatur-ATES-Versuch bietet daher eine Grundlage zur Charakterisierung und Verifizierung des hydraulischen und thermischen Prozessverständnisses. Dazu wurde über einen Zeitraum von einem Jahr Speicherzyklen unter Nutzung einer Brunnendoublette nachgestellt und mit mehr als 500 Temperatursensoren überwacht, die ein zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Temperaturfeld ergeben.

Basierend auf hydrogeologischen Erkundungen des Standorts wurde ein numerisches Prozessmodell entwickelt, welches Grundwasserströmung und Wärmetransportprozesse simuliert. Die Modellergebnisse zeigen generell eine gute bis sehr gute Übereinstimmung der modellierten mit den experimentell bestimmten Temperaturen, sowohl was die Rücklauftemperatur der Brunnendoublette als auch die Aquifertemperaturen betrifft. Die Temperaturverteilung nahe dem Injektionsbrunnen ist stark von induzierter vertikaler Konvektion beeinflusst, die durch die starken Temperaturgradienten angetrieben wird, wohingegen die gesamte Temperaturverteilung eher durch horizontale als auch vertikale Wärmeverluste bestimmt wird. Die gemessenen Rücklauftemperaturen konnten nach einer Anpassung der vertikalen hydraulischen Permeabilität gut nachvollzogen und so eine stimmige Wärmebilanz der Injektions- und Extraktionszyklen erreicht werden. Ebenso konnten die experimentell beobachteten Zykleneffekte wie zunehmende thermische Rückgewinnung mit steigender Zyklenzahl und abnehmende thermische Rückgewinnung mit längerer Verweildauer im Aquifer gut nachvollzogen werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass das im Modell hinterlegte quantitative Prozessverständnis in Kombination mit der Standorterkundung ausreichend und geeignet ist, um den Betrieb einer HT-ATES- Anlage vorherzusagen und zu optimieren als auch die im Untergrund induzierte Temperaturverteilung zu prognostizieren.

Thermal Energy Storage (TES) has gained importance as a viable solution for storing surplus heat and cold underground. While conventional TES systems predominantly utilize natural aquifers, an alternative approach, referred to as "Mine Thermal Energy Storage" (MTES), has gained increasing attention for its utilization of former underground mines.

Despite the promise of TES, both in Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) and MTES, several operational challenges persist, such as clogging, scaling, corrosion, and energy loss across the system boundaries. The operational challenges not only impact the geological matrix but also affect the integrity of technical infrastructure components like pipes and heat exchangers.

The BMBF-funded research "MineATES," investigates the feasibility and limitations of employing water-filled cavities in underground mines for TES. The study primarily focuses on the "Reiche Zeche" silver mine, designated as a teaching and research site at the TU Bergakademie Freiberg in Freiberg, Germany where an in-situ “real-laboratory” is established. The purpose is to simulate the periodically varying heat exchange between mine water - here stored in an experimental basin and slowly flowed through with acid precipitation water (pH ~ 2 - 3) - and the surrounding Freiberg Gneiss rock. Comprehensive monitoring of hydrochemical parameters and molecular biological analyses complement multiple heating and cooling cycles within the mine. Furthermore, laboratory-scale column flow experiments and batch reactor tests mimic TES cycles, heating columns up to 60 ⁰C and cooling them down to 10 ⁰C. Comparative investigations include rock material and mine water from two other mines in Saxony, namely a former tin ore mine in Ehrenfriedersdorf and a former hard coal mine in Lugau/Oelsnitz.

The overarching goal of all experiments is to ascertain the nature, extent, and location of potential chemical alterations during TES operations.