Veranstaltungsprogramm

Wärmebedarf und geothermische „Hot Spots“ liegen in Deutschland selten übereinander. Daher müssen innovative Konzepte entwickelt werden um in Regionen hoher Wärme- und Energiebedarfe geothermische Energie bereitzustellen, auch wenn geologisches Potenzial für offene geothermische Systeme nicht gegeben ist. Dabei müssen die Bohrverfahren und der Anlagenbau wirtschaftlich konkurrenzfähig und in platzbeschränkten Ballungsgebieten einsetzbar sein. Eine Lösung für flache Geothermie bildet der bereits in Bochum eingesetzte flache Geostar. Dort wurden von einem Bohrplatz schräge sternförmig radialsymmetrisch angeordnete Bohrungen abgeteuft und als Erdwärmesondenfeld ausgebaut (siehe Abbildung). Wir präsentieren thermohydraulische Simulationsergebnisse, in wie weit dieses Anlagenkonzept skalierbar ist und in größere Tiefen (bis zu 1.5 km) umgesetzt werden kann. In einer Sensitivitätsstudie werden Parameter wie Einfallswinkel oder unterschiedlicher Ausbau der Geostar-Erdwärmesonden untersucht. Auch wird eruiert, wie der Betrieb eines Geostar abhängig von geologischen Randbedingungen (z.B. regionaler Grundwasserfluss) optimiert werden und zu einem wirtschaftlich attraktiven Anlagenkonzept umgesetzt werden.

Die Stadtwerke München (SWM) haben sich zum Ziel gesetzt, den Wärmebedarf der Stadt München bis spätestens 2040 durch CO2-neutrale Fernwärme zu decken. Dies soll zum großen Teil mithilfe tiefer Geothermie umgesetzt werden. Im Großraum München wurden bereits mehrere Anlagen installiert und weitere sind im Stadtgebiet München geplant.

Um das geothermische Potenzial zu verstehen, wurde ein 3D-Finite-Elemente-Modell mit FEFLOW entwickelt. Dazu wird sowohl auf ein bereits existierendes numerisches Modell für den Großraum München zurückgegriffen als auch eine neue Interpretation der 3D Strukturgeologie verwendet. Der neue Strukturdatensatz ist Ergebnis einer kürzlich erfolgten Datenerhebung mittels einer seismischen Untersuchung im Stadtgebiet von München im Rahmen des Untersuchungsprogramms GRAME (Südlicher Raum München). Das neue numerische Modell wird validiert und anschließend für Vorhersagen für implementierte hypothetische neue geothermische Anlagen genutzt.

Die möglichst genaue Abbildung der Stratigraphie und des komplexen Störungszonen-Netzwerks werden über die Generierung eines neuen 3D unstrukturierten Finite Elemente Netzes in FEFLOW® erreicht. Mit dem regionalen Datensatz wurde ein neuer Algorithmus (Geode-solutions) zur Korrektur geometrischer Abweichungen und zur Neuvernetzung getestet. Dabei konnte die Schwierigkeit der optimalen Diskretisierung bezüglich Elementanzahl und ausreichender Abbildung der Materialparameter gelöst werden. Die Validierung erfolgt mittels Vergleich der beiden Modelle in Temperatur- und Druckverteilung. Mit dem neuen 3D Modell wird eine Szenarioanalyse durchgeführt, bei der 12 neue geothermische Brunnen mit unterschiedlichen Förderraten in der GRAME Region getestet werden.

Die Ergebnisse der Szenarioanalyse zeigen, dass ein thermischer Durchbruch durch geeignete Positionierung der neuen geothermischen Bohrungen vermieden werden kann. Zusätzlich wirken sie der, durch bereits bestehende Anlagen im Außenbereich hervorgerufenen, starken Ausprägung der hydraulischen Druckhöhe entgegen.

Eine Kombination aus den zwei vorteilhaftesten Szenarien wird gewählt, um eine Unsicherheitsanalyse der Modellergebnisse mithilfe des in PESTPP implementierten Iterative Ensemble Smoothers (IES) durchzuführen. Bei der Quantifizierung der Unsicherheit mit PESTPP-IES, wird mit 120 erzeugten Werteverteilungen, der Einfluss der hydraulischen und thermischen Eigenschaften des Reservoirs auf die endgültigen Temperaturvorhersagen bewertet. Nach Inbetriebnahme der neu implementierten geothermischen Anlagen werden Temperaturveränderungen von nur wenigen Grad festgestellt. Dies geschieht trotz der Umsetzung eines breiten Spektrums von Reservoireigenschaften bei den 120 zufällig generierten Realisierungen. Auch hier kann ein thermischer Durchbruch ausgeschlossen werden.

Diese Studie ist ein erster Meilenstein, der den Einsatz fortschrittlicher tetraedrischer 3D Vernetzungstechniken und die Quantifizierung von Unsicherheiten im Zusammenhang mit tiefer Geothermie im süddeutschen Molassebecken umfasst. Die in dieser Studie angewandte Methodik wurde erfolgreich validiert und kann daher für zukünftige Machbarkeitsstudien von tiefen geothermischen Anlagen im Großraum München empfohlen werden.

Die Kurstadt Bad Ems an der Lahn ist bekannt für die Emser Thermen und die gleichnamigen Pastillen. In nur ca. 800 m Luftlinie von den Thermen entfernt ging in Bad Ems auch ein bedeutender Buntmetallerzbergbau um. Auf den Tiefbausohlen der Grube Mercur kam es während der Betriebsphase zu erheblichen Zutritten von Thermalwässern. Nach Flutung der Tiefbausohlen treten über den Tiefen Stollen temperierte Grubenwässer (25°C) mit einer durchschnittlichen Schüttung von 35 l/s aus. Die Grube Mercur setzt sich aus 4 Abteilungen zusammen, die früher eigenständig betrieben wurden. Verbindungen bestehen über die VI. und die XVI. Tiefbausohle. Die Grubenwasserhydraulik ist äußerst komplex. Eine geothermische Nutzung findet über Rohrwärmetauscher im Tiefen Stollen der Abteilung Neuhoffnung statt. Vorgesehen ist außerdem die Versorgung eines weiteren Wohngebietes über die Schächte der Abteilung Pfingstwiese. Zur Untersuchung der Nutzungsmöglichkeiten wurden intensive geochemische und geophysikalische Untersuchungen in den Schächten der Verbundgrube durchgeführt. Dabei konnten unterschiedliche Beschaffenheiten der Grubenwässer in den Schächten und Modelle des Wärmeflusses aufgestellt werden.

Zur Optimierung von geothermischen Anlagen oder zur Wärmespeicherung in Grundwasserleitern ist das genaue Verständnis von Wärmetransport im Grundwasser von entscheidender Bedeutung. Hierbei wird meist angenommen, dass sich die Gesteinsmatrix im thermischen Gleichgewicht mit dem Grundwasser befindet. Zur Überprüfung der Gültigkeit dieser Annahme für den Wärmetransport in einem Porengrundwasserleiter wurden am Testfeld Krauthausen gekoppelte Wärme- und Salztracerexperimente durchgeführt.

Zur Injektion der Wärme wurde jeweils aus einer entfernten Messstelle Grundwasser gefördert und zu einem Wärmeübertrager geleitet. Letzterer wurde in einem Heißwasserkreislauf so gesteuert, dass es möglich wurde, nahezu konstant 40°C heißes Wasser für die Injektion bereitzustellen. Als Salztracer wurde dem heißen Wasser über eine Dosierpumpe eine 34%-ige Calciumchloridlösung so beigemischt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Injektionswassers konstant auf das Zehnfache erhöht war. Die Experimente wurden in einer Dipolkonfiguration durchgeführt: an der Injektions- und Extraktionsstelle wurden identische Volumenströme eingestellt und das extrahierte Grundwasser in einen Graben abgeleitet.

Im Rahmen von zwei Feldkampagnen im Sommer 2023 wurden vier gekoppelte Wärme- und Salztracerexperimente durchgeführt. Hierbei wurden jeweils verschiedene Dipolkonfigurationen untersucht. Die Entfernungen zwischen Injektion und Extraktion betrugen 2,5 m, 5 m, 10 m und 20 m. Zu Anfang jedes Experiments wurde eine stationäre hydraulische Dipolkonfiguration hergestellt und daraufhin die Beaufschlagung des Injektionswassers mit Wärme und Salz gestartet. Je nach Abstand zwischen Injektion und Extraktion dauerte die Injektion 2,5 h, 5 h, 10 h und 20 h mit einer nachfolgenden Kaltwasserführung für 1 d, 2 d, 6 d, 10 d. Temperatur, Volumenstrom und Leitfähigkeit des Injektions- und Extraktionswassers wurde geloggt. Während der Experimente kamen zudem jeweils bis zu 80 Temperaturlogger, 15 Drucklogger und zwei elektrische Leitfähigkeitslogger zum Einsatz, um mit hoher zeitlich-räumlicher Auflösung die Bedingungen an Injektions-, Extraktionsbrunnen und umgebenden Grundwassermessstellen zu beobachten. Die beiden größerskaligen Experimente wurden durch tägliche Bohrloch-Bohrloch Georadarmessungen ergänzt, um auch Informationen über den Raum zwischen den Beobachtungsbohrungen zu erhalten.

Die Experimente zeigen, dass die neu entwickelte Injektionsanlage sowohl eine konstante Zufuhr von Wärme und Salz, als auch den Beginn und das Ende der Injektion als ausgeprägten Step-Impuls ermöglicht. Um den täglichen Bohrloch-Bohrloch Georadarmessungen in den Grundwassermessstellen Platz zu schaffen, wurden elektrische Leitfähigkeits- und Temperaturlogger für 2 h entfernt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich nach dem Wiedereinsetzen der Logger noch für ca. 2 h die Vermischungseffekte der Georadarmessungen zeigen, danach aber wieder belastbare Temperaturen und elektrische Leitfähigkeiten gemessen werden. Nur bei starken vertikalen Temperaturgradienten lässt sich freie Konvektion in den Grundwassermessstellen selbst feststellen. Die bei allen vier Experimenten erreichte Datendichte in Raum und Zeit ist vielversprechend, um im Rahmen der anstehenden Auswertung einen detaillierten Einblick in Wärmetransportprozesse in Porengrundwasserleitern zu erhalten.

Groundwater wells are used for storage and recovery of heat in aquifers for renewable space heating and cooling. Due to the large capital expenditures for well construction, the maximum flowrate is an important design criterium for such aquifer thermal energy storage (ATES) systems. These flowrates are in practice often restricted by constraints to the borehole entrance velocity, such as the design rules proposed by Sichardt (1928) and Huisman (1972). Such constraints limit the entrainment of fine grains from the formation, and reduce clogging risks and curb turbulent losses.

However, these design criteria are based on experience with groundwater wells in ambient temperatures of around 10 °C (in the Netherlands). The water temperature in ATES systems commonly ranges up to 25°C, and more recently for large scale heat storage even from 40 – 90 °C (HT-ATES). Hence, the warm stored groundwater has a much lower viscosity than ambient groundwater. As a result, the higher temperatures limit shear stress on fines and thus their migration from the formation to the extraction well and into the injection well. While at the same time, the higher temperatures also result in more electrostatic repulsion between colloids and the soil matrix. This study explores to what extend raising the groundwater temperature affects the mobilization and attachment of individual colloids at different flow rates. This is done using computations of the torque balance and simulations with a scale model (laboratory experiment). The possible implications for the maximum permissible flowrates at the borehole wall as design criteria in order to prevent clogging of HT-ATES wells are presented.

Im Rahmen des Strukturwandels im Rheinischen Revier werden aufgrund der Abschaltung des Kohlekraftwerkes in Weisweiler im Jahre 2029 zunehmend Alternativen für die kommunale Wärmeversorgung gesucht. Hierbei könnte die mitteltiefe (ab 400 m) und tiefe Geothermie (ab 1500 m) eine wichtige Rolle einnehmen, um einzelne Gebäude bis hin zu ganzen Quartieren und Stadtteilen mit regenerativer Wärme zu versorgen. Im Rahmen der Erkundung von mitteltiefer und tiefer Geothermie im Raum Weisweiler und des Aufbaus eines Forschungsstandortes der Fraunhofer IEG auf dem Kraftwerksgelände Weisweiler wurde vom Bohrbetrieb der RWE Power AG bereits eine erste 100 m tiefe Erkundungsbohrung im Oktober 2023 angrenzend an den dortigen Tiefbohrungsbohrplatz abgeteuft. Die Bohrung wurde durch den Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen und durch die Fraunhofer IEG wissenschaftlich begleitet und in den darauffolgenden Monaten ausgewertet. Mit Fertigstellung wird sie durch die Fraunhofer IEG zum Untergrundobservatorium ausgebaut und Teil eines seismologischen Netzwerks, das dem Monitoring aller Untergrundaktivitäten am Standort und in der Region dient. Bei der Bohrung wurde in einer Tiefe von etwa 70 m das Oberkarbon der Inde Mulde erreicht, so dass ein Glasfaserkabel für das Aufzeichnen von natürlicher Seismizität im Festgestein installiert werden konnte. Im Januar und Februar 2024 wird die Bohrabteilung der RWE Power AG eine weitere, ca. 500 m tiefe Erkundungsbohrung auf demselben Gelände abgeteuft haben. Anschließend soll diese zu einer mitteltiefen Erdwärmesonde ausgebaut werden, um die späteren Gebäude am Forschungsstandort der Fraunhofer IEG über eine Wärmepumpe mit Wärme zu versorgen. Bei dieser zweiten Bohrung wird das Grundgebirge in einer ähnlichen Tiefe wie bei der vorherigen Bohrung erwartet. Aufgrund der größeren Tiefe und des erweiterten geophysikalischen Loggings werden dabei neue Erkenntnisse auch über die Stratigraphie und die Strukturen des Weisweiler Horstes erwartet. Die wissenschaftliche Betreuung auch dieser Bohrung wird durch den Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen und durch die Fraunhofer IEG gewährleistet. Die Loggingarbeiten werden von der DMT GmbH & Co. KG durchgeführt. Die Ergebnisse der beiden Bohrungen werden anschließend mit denen der 1,5 km weiter östlich gelegenen Bohrung „Frenzer Staffel-1“ aus dem Jahre 1985 verglichen. Beide neu abgeteuften Bohrungen liefern somit wichtige Informationen sowohl über den Aufbau der Niederrheinischen Bucht im Bereich des Weisweiler Horstes und die Strukturen der Inde Mulde als auch über die Gesteinseigenschaften der durchteuften Lithologien. Sie runden damit das 2018 initiierte INTERREG Projekt DGE-ROLLOUT ab und liefern wichtige Informationen für Folgeprojekte und die Planung einer Tiefbohrung am Kraftwerksstandort in Weisweiler. Diese soll die Strukturen und geothermalen Potentiale bis in eine Tiefe von mehreren tausend Metern erschließen.

Quelle Abbildung: RWE Power AG (Guido Steffen)