In Deutschland sind drei geothermische Potenzialregionen bekannt, die seit Jahrzenten intensiv untersucht und genutzt werden. So werden im Norddeutschen Becken die Porenaquifere des Mesozoikums seit den frühen 80erJahren zur geothermischen Wärmegewinnung genutzt, während im Oberrheingraben vor allem die Kluft- und Porenaquifere des Buntsandsteins geothermische Nutzhorizonte sind. In der deutschen Molasse schließlich werden, vor allem im Großraum München, die oberjurassischen Malmkalke intensiv für eine Strom- und Wärmeerzeugung genutzt.

In Gebieten außerhalb dieser Potenzialregionen findet derzeit noch keine breite geothermische Nutzung statt, was zum einen auf einen Mangel an gut geeigneten Aquiferen in ausreichender Tiefe und zum anderen auf eine unzureichende Datenbasis und einem daraus resultierenden höheren Explorationsrisiko zurückgeführt werden kann.

Die Entwicklung von Hochleistungswärmepumpen und der Bedarf an Großwärmespeichern führen dazu, dass auch flach lagernde Aquifere zukünftig mehr in den Fokus einer geothermischen Nutzung gelangen werden. Folglich werden geothermische Explorationsuntersuchungen außerhalb der etablierten geothermischen Potenzialgebiete in Deutschland an Bedeutung gewinnen.

Bestehende Potenzialkarten für Thüringen basieren überwiegend auf Tiefe und Mächtigkeit und weisen vor allem für die Poren- und Kluftaquifersysteme des Buntsandsteins und des Zechsteins in einzelnen Regionen auf ein geothermisches Potenzial hin. Neuere Potenzialuntersuchungen haben gezeigt, dass vor allem die Lithofazies, Diagenese und Strukturgeologie die petrophysikalischen Eigenschaften und damit das geothermische Potenzial bestimmen. Folglich kann nur eine multimethodische Untersuchung das Explorationsrisiko signifikant senken.

In diesem Vortrag werden die ersten umfassenden Explorationsergebnisse für die Aquifere im Thüringer Buntsandstein und dessen potenzielle geothermische Nutzung präsentiert. Es wird ein sequenzstratigraphisches Gerüst vorgestellt, das es ermöglicht, die Reservoire in synchrone Zeitscheiben zu zerlegen und diese an überregionale Sequenzen zu knüpfen. Die Sequenzen der 2ten und 3ten Ordnung wurden hinsichtlich ihrer Hierarchien untersucht und die potenziellen Reservoire identifiziert. Für diese werden hochauflösende lithofazielle Rekonstruktionen sowie deren Reservoirqualität vorgestellt. Aus den lithofaziellen Rekonstruktionen sowie der Reservoirqualität werden die geothermischen Potenziale abgeleitet. Die Ergebnisse deuten auf eine sehr differenzierte Nutzungsmöglichkeit hin. In Südthüringen zeigen Sequenzen des Unteren und Mittleren Buntsandstein ein gewisses Potenzial hinsichtlich ihrer Mächtigkeit, lithofaziellen Ausbildung sowie petrophysikalischer Eigenschaften auf. Im Thüringer Becken hingegen zeigen nur vereinzelte Sequenzen im Mittleren Buntsandstein ein bestimmtes geothermisches Potenzial.

To reduce fossil energy consumption, underground thermal energy storage (UTES), also called geothermal heat storage (GTS), is a building block in the transformation of heating and cooling. Such storage facilities are to be fed by renewable energy sources and other waste heat. The groundwater is thermally influenced.

Funded by the German Environment Agency (Umweltbundesamt), the thermal impact space of UTES has been systematically investigated and illustrated with numerical simulations for seasonal buffering and heat storage, building air-conditioning and use of excess electricity (power-to-heat). Effects of temperature change on hydro- and geochemical processes and groundwater ecology were investigated by including extensively researched literature.

In oxygen-rich (oxic) freshwater aquifers in unconsolidated rocks, the high temperature sensitivity of groundwater fauna necessitates tighter temperature thresholds for their precautionary protection and maintenance of their ecosystem services to keep impacts minor. Less restrictive temperature thresholds can be derived for low-oxygen (anoxic) aquifers, where the microbiome can adapt more flexibly to changes in groundwater temperature and properties.

With the derived thermal thresholds of insignificance, sustainable groundwater management is also possible with geothermal heat storage. The examples shown make it easier for involved planners and experts in the fields of geology, hydrogeology, groundwater ecology, geothermal energy as well as in authorities to estimate the thermal insignificance. Thermal insignificance means that the use of geothermal reservoirs has no adverse environmental impact on groundwater.

VESTA ist ein Verbundprojekt von fünf deutschen und drei assoziierten internationalen Partnern aus den USA und der Schweiz zur Hochtemperaturspeicherung im tiefen Untergrund. Die Energiespeicherung ist eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende. Dies gilt insbesondere für die Wärmespeicherung, da thermische Energie großen saisonalen Schwankungen von Angebot und Nachfrage unterliegt. Für die Wärmespeicherung in großem Umfang und im höheren Temperaturbereich, der für die Einspeisung in Fernwärmenetze und für industrielle Prozesse benötigt wird, sind innovative Hochtemperaturspeicher (HTS) im tiefen Untergrund eine Option. Um eine breitere Anwendung von HTS zu ermöglichen, müssen jedoch noch viele technische, regulatorische, rechtliche, ökologische und wirtschaftliche Herausforderungen bewältigt werden. Im Rahmen des VESTA-Projekts soll der Einsatz von HTS-Systemen mit Hilfe von Demonstrationsprojekten in unterschiedlichen Realisierungsphasen wissenschaftlich untersucht werden. Die übergreifenden Ziele von VESTA sind

1) die Demonstration von HTS an vier ausgewählten Pilotstandorten in Deutschland und der Schweiz,

2) die Bewertung technischer und nichttechnischer Hindernisse,

3) die Unterstützung der Entwicklung und Umsetzung kommerzieller Projekte durch die Bereitstellung von Prozessverständnis, Modellierungs- und Monitoringtechniken und optimiertem Komponentendesign,

4) die Unterstützung von Behörden mit wissenschaftlichen und technischen Erkenntnissen als Grundlage für die (Weiter-)Entwicklung von Regularien.

Enge Rückkopplungsschleifen zwischen Arbeitspaketen für die generische HTS-Entwicklung und Konzept- und Machbarkeitsstudien an Pilotstandorten werden wissenschaftlich fundierte technisch-wirtschaftliche Grundlagen für künftige Betriebskonzepte liefern.

Der Strukturwandel innerhalb der Gemeinden im ehemaligen Steinkohlerevier „Lugau-Oelsnitz“ in Sachsen erfordert Nachsorgemaßnahmen. Die Kommunen müssen große Gebiete vor Überschwemmungen bewahren. Um das Jahr 2032, wenn die Flutung der ehemaligen Bergwerksschächte und -stollen abgeschlossen ist, sind Strategien zum Umgang mit dem austretenden Grubenwasser erforderlich.

Die durch das Land Sachsen geförderte F&E-Fallstudie MareEn analysiert Möglichkeiten, Nachsorgemaßnahmen in ehemaligen Steinkohleabbaugebieten mit einer erneuerbaren Energieversorgung für Gebäude zu verbinden. Das Grubenwasser von „Lugau-Oelsnitz“ hat ein hohes Temperaturniveau von bis zu 28 °C, was zur energetischen Nutzung prädestiniert. Durch die ganzjährige und wetterunabhängige Verfügbarkeit stellt die Energie zudem eine in hohem Maße verfügbare grundlastfähige Energiequelle für Heizung und Kühlung dar.

Der Status quo der energetischen Grubenwassernutzung ist im Einsatz von zentralen Heiz- und/oder Kühlsystemen technisch erprobt und umgesetzt. Da jedoch die lokale thermische Leistung im Untersuchungsgebiet punktuell sehr hoch ist (> 4 MW), ist eine individuelle Wärme- und Kälteversorgung nicht mehr sinnvoll. Aus diesem Grund werden innovative, netzgekoppelte Versorgungskonzepte untersucht, um die Energie aus dem Bergwerk an verschiedene nahegelegene Verbraucher (Haushalte, Gewerbe etc.) zu verteilen. Via netzbasierter Energieverteilungsanalysen vom Bergwerk zu verschiedenen Verbrauchern werden unter Verwendung von algorithmischen und räumlichen Planungsmethoden oberirdische Analysen durchgeführt, die Wärmesenken (Gebäude, Industrie etc.) auf Basis adressspezifischer Geodaten miteinander kombinieren. Das GIS-basierte Routing von Energienetzen entlang bestehender Infrastrukturen soll dabei möglichst viele Abnehmer verbinden, um die verfügbare Energie zu nutzen. Das Konzept verbindet auf ökologische und ökonomische Weise unterirdische Potenziale mit oberirdischen Anforderungen.

Die Fallstudie zeigt, dass die Umsetzung eines Energienutzungskonzepts für die Kommunen sinnvoll ist. Das Projekt leistet einen Beitrag zu innovativen Energieversorgungskonzepten in der Region und behandelt gleichzeitig Nachsorgemaßnahmen. Es schafft ökonomische und ökologische Vorteile, indem es Gebäude nachhaltig mit erneuerbarer Wärme aus Grubenwässern versorgt. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden erste Bebauungspläne von den lokalen Behörden geprüft, um die Energienutzung für Neubauten verbindlich festzulegen.

Das Winzer Projekt untersucht die Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Umsetzung von ATES Systemen in grundwassergefüllten bergbaulichen Hohlräumen. Dazu wird im Projekt ein condition monitoring an einer bestehenden ATES-Pilotanlage in einer gefluteten Kohlemine durchgeführt. Als Pilotstandort wird die auf dem Gelände des Fraunhofer IEG befindliche, oberflächennahe (<80 m) IEG Kleinzeche in Bochum genutzt. Die Zeche wurde als zukünftiger Wärmespeicher mit drei Bohrungen erschlossen, durch welche das Grundwasser gehoben und reinjiziert wird. Weltweit einmalig ist dabei die Umsetzung der geothermischen Nachnutzung des Grubengebäudes in Kopplung mit einer modernen Solarthermieanlage. Das Projekt bietet zudem die Möglichkeit ein upscaling vom Pilotstandort der IEG Kleinzeche vorzunehmen durch die geplante Erschließung des Standorts der ehemaligen Zeche Dannenbaum u.a. in Bezug auf Schadstoffmobilität, aber auch hinsichtlich der scalings und biofoulings an den Wärmetauschern.

Die gewonnen Messdaten und Erkenntnisse werden genutzt, um qualitative und quantitative Aussagen zur hydrochemischen, mikrobiologischen, geomechanischen sowie grundwasserökologischen Beschaffenheit im zyklischen Betrieb zu treffen. Durch das umfassende condition monitoring werden Erkenntnisse zum Mobilisierungspotential von Schadstoffen, der biozonösen Vergesellschaftung, dem Reaktivierungspotential von Trennflächen und dem jeweiligen Einfluss auf die obertägigen Anlagen in Steinkohlezechen bei unterschiedlichen Temperaturen gewonnen, die bisher kaum untersucht wurden. Daraus werden Konzepte und Technologien zur Machbarkeit und Optimierung, sowie dem sicheren Betrieb von ATES in ehemaligen Kohlezechen abgeleitet. Durch den Einbezug numerischer Simulationen wird eine Optimierung der Betriebsführungskonzepte für das Gesamtsystem erreicht und Potentiale zur Übertragbarkeit auf viele andere Städte und Netze in ehemaligen Kohlebergbauregionen Europas aufgezeigt.