Hier werden die Daten aus Bohrungen archiviert

In der Bohrdatenbank Niedersachsen finden sich Bohrergebnisse aus 150 Jahren geologischer Erkundung. Sie liefert Informationen zu mehr als 468.000 Bohrungen mit ca. 3,4 Mio. Datensätzen zu den einzelnen erbohrten Schichten. Die längsten Bohrstrecken erreichen über 9.000 Meter. 

Der größte Teil wird durch Bohrungen hydrogeologischer und geotechnischer Erkundungen gestellt, meist Bohrungen von weniger als 100 Meter Tiefe. Bohrungsdaten der Erdöl-/Erdgasindustrie sind mit ihren Stammdatensätzen nachgewiesen, die Schichtenverzeichnisse liegen jedoch separat in der Kohlenwasserstoff-Datenbank des Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie.

Auch das Thema Untertage-Speicherung ist allgegenwärtig: Mehr als 50 Prozent des bundesweit gespeicherten Erdgases lagert in Speichern in Niedersachsen. Innerhalb der Europäischen Union verfügt Deutschland über die größten Erdgas-Speicherkapazitäten. In etwa 40 Speichern sind es insgesamt etwa 261 Terawattstunden. Zum Vergleich: Dabei handelt es sich um etwa 20 Prozent des jährlichen nationalen Gasverbrauchs. 

Fachliche und methodischen Grundlagen für innovative Projekte schaffen

„In der Forschungsplattform Geoenergiesysteme möchten wir auf dieser vergleichsweise guten Datenlage und Erfahrung aufbauen und Methoden entwickeln um eine verbesserte Einschätzung des Potentials des geologischen Untergrunds zur Speicherung und geothermischen Energiegewinnung zu ermöglichen“, sagt Insa Neuweiler. 

Den direkten Mehrwert für Niedersachsen betont Leonhard Ganzer: „Durch unsere Arbeit schaffen wir die fachlichen und methodischen Grundlagen, damit Industrieunternehmen in Niedersachsen direkt vor Ort innovative Geoenergie- und Wasserstoffspeicherprojekte realisieren können.“

Vom Erdgas zum Wasserstoff: Was bedeutet das für die Speicher? 

Um die Klimaziele zu erreichen, müssen wir immer mehr fossile Energieträger, wie zum Beispiel Erdgas, durch erneuerbare Energien ersetzen. Die bisher für Erdgas genutzten Speicher könnten dann für Wasserstoff – ein Schlüsselelement der Energiewende – umgerüstet werden. Und auch neue Speicher könnten eingerichtet werden. 

Diese Speicher wären dann reine Energiespeicher: Ist mehr Energie im Netz, als verbraucht wird, kann sie für Power-to-Gas Technologien zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden, der dann gespeichert wird. Wenn man die Energie braucht, wird sie wieder aus dem Untergrund geholt. Die Idee hinter Power-to-Gas: Strom wird bei Bedarf in speicherbares Gas wie Wasserstoff umgewandelt. So bleibt die Energie in Form von Gas nutzbar. Das klingt ganz einfach. Ist es in der Realität aber nicht. 

Deshalb wird im Innovationsbereich „Nachnutzung und Gasspeicherung“ detailliert erforscht, was für diese Speicherung grundlegend ist. Denn: Wasserstoff unterscheidet sich in seinen Eigenschaften deutlich von Erdgas. Vor allem ist er viel reaktiver. Es muss also geprüft werden, welche biochemischen oder geochemischen Reaktionen im Untergrund möglicherweise ablaufen können. 

Einen weiteren Unterschied gibt es in der Größe der Moleküle. Wasserstoffmoleküle sind nämlich wesentlich kleiner als Erdgasmoleküle. Das Leckage-Risiko, also die Gefahr, dass Gas ungewollt durch die umliegenden oder abdeckenden Gesteinsschichten sowie im Bereich des Bohrloches aus dem Untertage-Speicher austritt, ist deshalb größer als bei Erdgas. 

Zudem wirkt es sich auf das Material des Speichers aus, wenn immer wieder zu jeweils anderen Zeitpunkten Gas und Wärme eingespeist werden. Die damit verbundenen häufigen Spannungswechsel könnten zu Ermüdungserscheinungen oder sogar zu Rissbildung führen. All das zu erforschen sorgt für möglichst große Sicherheit beim Betrieb solcher Speicher. 

„Mit unserer Plattform setzen wir starke Impulse für die Erschließung des geologischen Untergrunds als Speicher für Wasserstoff – in Niedersachsen und weltweit,“ betont Leonhard Ganzer. 

Speicherung in Kavernen- und Porenspeichern

In Niedersachsen gibt es zwei verschiedene Formen von Gasspeichern im Untergrund: Kavernen- und Porenspeicher. Kavernen sind große, künstlich angelegte Hohlräume in unterirdischen Salzformationen. Das umgebende Salz dichtet den Speicher so ab, dass das eingespeicherte Erdgas nicht austreten kann. Die für Kavernenspeicher notwendigen Salzformationen gibt es vorwiegend in Norddeutschland.

Porenspeicher werden in natürlichen Lagerstätten wie ehemaligen Gasfeldern angelegt. Das Gestein dort, etwa Sandstein, ist porös und eignet sich deshalb zur Speicherung von Gas. Dafür wird das Gas mit großem Druck in die winzigen, mit bloßem Auge kaum sichtbaren Poren der Gesteinsschicht geleitet.

Das kann man sich wie einen stabilen Schwamm vorstellen. Nach oben sind Porenspeicher durch mächtige Deckschichten, vorwiegend aus Ton und Salz, abgedichtet. Unterhalb der gasdurchlässigen Gesteinsschichten begrenzt ein wasserführender Bereich das Lager. Erdgasspeicher sind aktuell auf eine Lebensdauer von etwa 50 Jahren ausgelegt. 

Das Geoenergy Lab Burgwedel

Die Wissenschaftler:innen im TEN.efzn sind also dabei, Forschungslücken zu schließen und Modelle zu entwickeln, die bereits im Vorfeld konkrete Prognosen ermöglichen. Dies geschieht angedockt an einen konkreten Standort: das Geoenergy Lab Burgwedel. 

Der Standort Burgwedel eignet sich deshalb besonders gut, weil es dort seit 2018 bereits mehrere Forschungsprojekte wie GeoTWIN und GeoTES zur Wärmespeicherung gab. Neben Optionen zur Gasspeicherung sollen im Zuge einer Fallstudie im Innovationsbereich „Geothermie und Wärmespeicherung“ auch Potenziale von Wärmespeicherung und Geothermie erforscht werden; insbesondere in Kopplung mit Solarthermie und Hochtemperatur-Großwärmepumpen. 

Der Vorteil von Wärmespeicherung im Untergrund: Im Sommer überschüssige Wärme geht nicht verloren. Sie wird mit Wasser in den Untergrund transportiert und dort eingespeichert. Im Winter kann sie dann genutzt werden.

Auch der sozio-technische Ansatz bleibt in dieser Forschungsplattform nicht außen vor. Im Gegenteil. Das aufgezeigte Potenzial von Geothermie könnte in Burgwedel ab 2028 bis zu 1800 Bürger:innen durch ein Nahwärmenetz mit klimafreundlicher Wärme aus einer Tiefe von 1200 bis 1400 Metern versorgen. Auch Krankenhaus, Schulzentrum und Freibad liegen im geplanten Versorgungsgebiet.

Projektpartner für die praktische Umsetzung sind die Kommune sowie lokale und überregionale Energiepartner. Diesen Prozess werden die TEN.efzn-Forschenden begleiten. Und zwar von Anfang an mit Blick auf die Einbindung der Bürger:innen und die Akzeptanz vor Ort. 

„Die Vernetzung der Forschungsplattformen sind integraler Bestandteil des TEN.efzn, weil wir die großen Potenziale nur gemeinsam heben können – durch enge Verzahnung unserer Plattform Geoenergiesysteme mit den Themenfeldern Wärme, Wasserstoffderivate und den sozialen Dynamiken unserer Energiewende“, erläutert Leonhard Ganzer. 

Wie wichtig speziell die Einbindung des Blickes außerhalb der Wissenschaft für die Forschung ist, betont Insa Neuweiler: „Im Austausch mit Projektpartnerinnen und Projektpartnern aus den Sozialwissenschaften möchten wir die Sichtweise von Bürger:innen in die Bewertung von Risiken einfließen lassen.“ 

Geothermie: Schlüsselrolle für die Wärmewende

Warum ist Geothermie so wichtig? Sie ist als erneuerbare Wärmequelle ein unverzichtbarer Bestandteil der Wärmewende. Denn bis 2030 soll die in Wärmenetze eingespeiste geothermische Energie in ganz Deutschland verzehnfacht werden. 

Allerdings kann das Erdwärme in ihrer Ausprägung in großer Tiefe, also über 2000 Meter, nicht leisten. Passende Technologie gibt es zwar, doch sind die Investitionskosten sehr hoch. Zudem ist das Risiko vorhanden, dass eine geothermische Lagerstätte dann doch nicht die nötige Qualität oder Quantität aufweist. 

Das ist bei oberflächennaher und mitteltiefer Geothermie wie in Burgwedel anders. Gerade in Kombination mit Wärmepumpen und Solarthermie kann sie eine Schlüsselrolle einnehmen. Denn sie ist im Vergleich zu Erdwärme aus tieferen Schichten deutlich erschwinglicher und mit weniger Risiko zu gewinnen. Kann also auch verhältnismäßig kostengünstig in Nah- und Fernwärmesysteme eingespeist werden. Und: Wird sie gemeinsam mit Wärmespeicherung angewendet, wird der geologische Untergrund deutlich effizienter genutzt.  

„Wir erhoffen uns von diesen Systemen große Vorteile und möchten daher das Potential dafür in Niedersachsen abschätzen“, macht Insa Neuweiler klar.   

Grundlegende Forschung verschränkt sich in der TEN.efzn-Forschungsplattform Geoenergiesysteme mit Praxisorientierung und Transfer. Es geht dabei auch um Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Standorte. Das Potenzial von Geothermie wird deshalb nicht nur interdisziplinär untersucht, sondern auch flächenhaft quantifiziert, um über webbasierte interaktive Karten bereitgestellt zu werden. 

Was genau diese Karten leisten? Mit ihrer Hilfe kann an Standorten, an denen Bedarf besteht, eine kombinierte geo-solare Wärmeversorgung charakterisiert und simuliert werden. Und zwar in Verbindung mit der Erhebung des saisonalen Wärmebedarfs in verschiedenen für Niedersachsen typischen Gesteinsvorkommen, Salzlager eingeschlossen. 

Den Ausgangspunkt bildet, wie bereits erwähnt, das Geoenergy Lab Burgwedel. Die dort erhobenen Daten werden ergänzt mit denen von weiteren geologisch-gesellschaftlich repräsentativen Orten, wo gemeinsam mit der TEN.efzn-Forschungsplattform „Soziale Dynamiken“ Feldforschung betrieben wird. 

Shared-Earth-Modell

Ein sogenanntes Shared-Earth-Model sorgt dafür, dass alle Wissenschaftler:innen an den verschiedenen Standorten interdisziplinär zusammenarbeiten können – und so die technische Machbarkeit, die Optimierung und die Möglichkeiten der Gas- und Wärmespeicherung sowie der geothermischen Nutzung exemplarisch zu erarbeiten. 

Dabei handelt es sich um ein 3D-Modell, das den geologischen Untergrund abbildet: Die räumliche Ausbreitung der einzelnen Gesteinsschichten ist dort ebenso aufgeführt wie deren Porosität, also die Ausprägung der im Stein vorhandenen Hohlräume. Und auch Angaben über die Permeabilität, also darüber, wie einfach Gas oder Wasser durch die Gesteinsschichten hindurchströmen können, sind darin verankert. 

Den Grund des Modells bilden bereits verfügbare Daten des Geoenergy Lab Burgwedel. Sie stammen aus Seismik, Tiefbohrungen, Bohrlochmessungen, Geologie, Petrophysik und Kernmessungen, also der Analyse von Bohrproben. In Zuge des TEN.efzn-Projektes wird dieses Modell mit zusätzlichen Daten laufend erweitert und damit verbessert. 

Damit lassen sich etwa Simulationen von Gas- oder Wärmespeicherung durchführen. Man kann verschiedene Szenarien einbauen, Parameter verändern und so den besten, den schlechtesten und den wahrscheinlichsten Fall bestimmen. 

„Wir schaffen praxisnahe Qualifizierungsangebote, damit das Wissen aus der Forschung zur Nutzung tiefer Geothermie und Untergrundspeicherung in Wirtschaft und Gesellschaft ankommt“, sagt Leonhard Ganzer. 

Risikoabschätzung: Modelle und Simulationen helfen 

Der tiefere geologische Untergrund lässt sich nicht einfach so nutzen. Will man Erdwärme fördern und Untertage-Speicher einrichten, ist das aufwändig. Und zwar in allen Phasen gleichermaßen.  Bevor ein Energiespeicher eingerichtet, eine Bohrung nach Erdwärme vorgenommen wird, müssen deshalb alle möglichen Risiken abgewogen werden – finanzieller oder sozialer Art genauso wie die Auswirkungen auf die Umgebung betreffend. 

Dafür werden numerische Modelle eingesetzt. Diese mathematischen Werkzeuge können reale Systeme und Prozesse simulieren. Das hilft beim Verstehen, welche Besonderheiten oder auch Schwierigkeiten bei einem geplanten konkreten Projekt zu erwarten sind – und damit beim Bewerten der Risiken. Letztlich lässt sich so die Planung und Bewirtschaftung von Gasspeichern und geothermischen Anlagen optimieren. 

Im Bereich Geothermie sollen etwa mithilfe eines speziellen Modells Szenarien für Erdwärmesonden in verschiedenen Materialien berechnet werden. Dabei wird auch die Speicherung von solarer Wärme berücksichtigt. Erdwärmesonden fungieren als Wärmetauscher. Mit ihnen wird dem Erdreich Wärme entzogen oder zugeführt. Die entzogene Wärme kann zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden.  Mit Hilfe von Wärmepumpen kann das Temperaturniveau der oberflächennahen Geothermie erhöht werden, um die Wärmegewinne zur Gebäudeheizung nutzen zu können. Innerhalb des zu erstellenden Modelles soll auch die Speicherung von solarer Wärme berücksichtigt werden. Denn Geothermie und Solarthermie lassen sich koppeln: Wird die Solaranlage in den Erdwärmekreis eingebunden, lassen sich speziell im Sommer anfallende Überschüsse der solaren Energie im Untergrund speichern. Dies sorgt für einen Ausgleich des Erdwärmeentzugs.  Der Vorteil dieses Modells: Es lassen sich für verschiedene Standorte die jeweils optimalen Konfigurationen erarbeiten. 

Für Gasspeicherung und Geothermie sollen Unsicherheiten mithilfe von Abschätzungen bestimmt werden, die mit numerischen Modellen erstellt werden. Das sorgt für Transparenz beim Entscheidungsprozess. Gleichzeitig helfen die festgestellten Unsicherheiten auch bei der Risikobewertung. 

Hinter dem Wort Unsicherheiten verbergen sich Fragen wie diese: Ist Bohren am dafür angestrebten Ort sinnvoll? Wie verhalten sich Gase und Flüssigkeit im Untergrund, welche Strömungsprozesse gibt es? Wird das Bohrloch bei und nach dem eigentlichen Bohrprozess auch intakt bleiben? Das ist nämlich die Voraussetzung, um Erdwärme und Energiespeicher sicher nutzen zu können. 

All das nehmen die TEN.efzn-Forschenden unter die Lupe. Ziel ist es, ein digitales, algorithmenbasiertes Werkzeug zur Bestimmung von Unsicherheiten zu konstruieren, das eine möglichst gute Balance zwischen Effizienz und Genauigkeit erzielt. Darüber hinaus gehend soll auch erforscht werden, wie Betrieb bzw. Installationen optimiert durchgeführt werden können. Auch hier kommen Simulationen ins Spiel. Diese berücksichtigen auch Szenarien wie etwa Leckagen, die gar nicht vorkommen dürfen. 

„Planungen von Speicherung im tiefen Untergrund sind durch die begrenzte Kenntnis der genauen Eigenschaften mit Unsicherheiten behaftet. Durch Erfassung der Unsicherheiten in der Datenlage können auch Methoden entwickelt werden, die Einschätzungen dazu erlauben, welche weiteren Erkundungen die Unsicherheiten einer Planung zu verringern“, sagt Insa Neuweiler. 

„Unsere Initiativen im TEN.efzn verstärken die Sichtbarkeit der exzellenten Geoenergieforschung in Niedersachsen – national wie international“, hebt Leonhard Ganzer die Wichtigkeit der Forschung im Forschungsprogramm TEN.efzn hervor.