Angewandte Geowissenschaften - Aquatische Geochemie und Hydrogeologie

Aktuelle Projekte

Umweltwirkungen und umweltverträglicher Ausbau der oberflächennahen Geothermie

Im vom Umweltbundesamt (UBA) in Auftrag gegebenen Forschungsprojekt „Umweltwirkungen und umweltverträglicher Ausbau der oberflächennahen Geothermie“ werden die Auswirkungen oberflächennaher Geothermie untersucht und Empfehlungen für eine umweltverträgliche Gestaltung des Ausbaus gegeben. Betrachtet werden dabei die Planung, die Errichtung, der Betrieb und der Rückbau oberflächennaher geothermischer Systeme. Besonderer Schwerpunkt wird auf oberflächennahe thermische Speicher gesetzt.

Untersucht werden die Auswirkungen auf die Umweltmedien Wasser, Boden - hier auch Baugrund, Untergrund - und Luft. Auch Wirkungen auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Aquifer sowie die Grundwasserfauna und Wirkungen auf die Gesundheit des Menschen stehen im Fokus. Vorangegangene Studien des UBA und anderer Forschungseinrichtungen kommen zu dem Ergebnis, dass der Ausbau und die Verbreitung geologischer Heiz- und Kühlsysteme notwendig sind, um die Klimaneutralität des Gebäudebestands in Deutschland bis zum Jahr 2050 zu erreichen. Zunächst werden die Umweltwirkungen und der Klimaschutzbeitrag der geothermischen Anlagen, die zur Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen heute oder aller Voraussicht nach in Zukunft die gebräuchlichsten Systeme darstellen werden, identifiziert. Die wesentlichen vorkommenden Umweltwirkungen positiver und negativer Art werden dann in ihrer Gesamtheit bzw. Auftrittswahrscheinlichkeit eingeschätzt, um auf dieser Grundlage einerseits eine Einschätzung der Wirkung auf das Gesamtsystem der Wärmeversorgung zu erarbeiten, andererseits eine Aufstellung des notwendigen Handlungsbedarfs für gesetzliche und untergesetzliche Regelungen sowie für Ausbildungs- und Schulungsmaßnahmen abzuleiten. Das Forschungsprojekt teilt sich in sechs Schritten auf, wobei ein stark holistischer Ansatz verfolgt wird:

  • Ziel des Arbeitspakets 1 ist die Einschätzung des räumlichen Ausbaupotenzials oberflächennaher Geothermie in Deutschland unter Berücksichtigung der räumlichen Verteilung und Raumbedarfe.
  • In Arbeitspaket 2 werden ausbaufähige geothermischen Heiz- und Kühlsysteme unter Berücksichtigung der Minimierung ihrer Antriebsenergie identifiziert. Dargestellt und untersucht werden soll dabei auch die Einbindung dieser Anlagen in zukünftige regenerative Wärmeversorgungssysteme, insbesondere basierend auf Wärmepumpensystemen.
  • Das Arbeitspaket 3 dokumentiert die Umweltwirkungen und den Klimaschutzbeitrag der im Vorschritt identifizierten geothermischen Heiz- und Kühlsysteme einschließlich der Wärmepumpen. Adressiert werden dabei die Umweltmedien Wasser, Boden und Luft sowie die hydrochemischen, geochemischen und mikrobiologischen Wirkungen auf Aquifere und die menschliche Gesundheit.
  • Die Analyse von Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen und des zutreffenden Regelwerks ist Ziel des Arbeitspakets 4. Neben dem regulatorischen Rahmen sollen hier technische Interventionsansätze mit den jeweiligen Limitierungen und Vorteilen im Status quo bewerten.
  • Darauf baut in Arbeitspaket 5 die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Weiterentwicklung des Regelungswerks und von Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen auf. Perspektiven für Aus-, Fort- und Weiterbildungsansätze im Hinblick auf die Sicherstellung eines ausreichenden Fachpersonalpotenzials zur gegebenenfalls flächendeckenden Umsetzung dieser Technologien werden entwickelt. Schließlich werden wesentliche Forschungs- und Entwicklungsbereiche identifiziert, die essentiell die Entwicklung dieser Technologien beeinflussen können.
  • Die Ergebnisse des Forschungsprojektes werden im Rahmen des Arbeitspaketes 6 der Fachöffentlichkeit in Form eines Fachgespräches und einer schriftlichen Studie präsentiert. Dabei sollen im Fachgespräch spezifische Fachfragen und Meinungen zum (scheinbaren) Widerspruch zwischen Klimaschutz und Grundwasserschutz adressiert und im Kontext der Auswirkungen des Klimawandels auf die urbanen Lebensbedingungen diskutiert werden, um die Ergebnisse des Fachgesprächs schließlich in die schriftliche Studie einfließen zu lassen.

 

Laufzeit

09/2019-06/2020

Projektpartner

Bietergemeinschaft:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Angewandte Geowissenschaften
  • Consulaqua Hamburg Beratungsgesellschaft mbH

in Zusammenarbeit mit:

  • Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Geowissenschaften
  • HIC Hamburg Institut Consulting GmbH
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung

 

Förderung

Umweltbundesamt im Rahmen der ReFoPlan-2016-Ausschreibung
(FKZ 3716 43 104 2)

Logo des Umweltbundesamtes

NEPTUN

Platform for Innovating Water and Climate Adaptation Technologies and Solutions

Dänemark und Norddeutschland stehen vor ähnlichen Herausforderungen durch den Klimawandel im Bereich der Wasserver- und -entsorgung, beispielsweise durch eine sich ändernde Niederschlagsverteilung mit vermehrten Starkregenereignissen und Trockenperioden sowie durch den steigenden Meeresspiegel. Im von Interreg geförderten grenzüberschreitenden Projekt NEPTUN beschäftigen sich die Projektbeteiligten mit Herausforderungen der Wasserver- und -entsorgung vor dem Hintergrund des Klimawandels und entwickeln innovative Lösungen zur Klimawandeladaption.

Ziel des Projekts ist, im Bereich der Wasserver- und -entsorgung sowie der Klimawandelanpassung Innovations- und Wachstumspotenziale in der Programmregion zu erschließen. Dafür werden Akteure von der Nachfrage-, als auch von der Angebotsseite grenzüberschreitend zusammengeführt.

Wesentliches Element des Projekts ist der grenzüberschreitende Aufbau eines Informations- und Kooperationsnetzwerkes zwischen Universitäten, Unternehmen und Verwaltungen zu Fragen der Wasserver- und -entsorgung und Klimawandelanpassung. Im Projekt sollen Prototypen innovativer Produkte unter Berücksichtigung konkreter Herausforderungen der Problembetroffenen entwickelt werden. Langfristig soll so eine deutliche Steigerung der Anzahl neuer umweltfreundlicher und ressourcenschonender Wassertechnologielösungen und Geschäftsmodelle sowie eine stärkere Außendarstellung der innovativen Technologieunternehmen erzielt werden. Übergeordnet wird durch die im Projekt entwickelten Lösungen die Widerstandsfähigkeit der Region gegenüber klimabedingten Risiken gestärkt.

Ergänzend zu der Entwicklung konkreter Lösungen werden im Rahmen des Projektes Veranstaltungen und Ausstellungen für den Wissenstransfer zwischen den Projektbeteiligten und der Gesellschaft entwickelt und durchgeführt.

Die CAU ist im Projekt sowohl durch das IfG, als auch durch den Bereich Regelungstechnik der Technischen Fakultät beteiligt.

Das Projekt ist in fünf Arbeitspaketen strukturiert:

  • AP1: Projektmanagement
  • AP2: Öffentlichkeitsarbeit
  • AP3: Entwicklung innovativer Wassertechnologie- und Klimawandeladaptionslösungen
  • AP4: Capacity Building
  • AP5: Demo / Living Lab

 

Laufzeit

03/2020 – 02/2023

Projektpartner

  • LeadPartner: CLEAN Innovation
  • Aalborg Universitet
  • Billund Vand & Energi A/S
  • Blue Kolding A/S
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Fredericia Spildevand og Energi
  • GreenTech center
  • Kreis Nordfriesland
  • Learnmark
  • Middelfart Kommune
  • Region Syddanmark
  • Stadt Flensburg
  • Syddansk Universitet

 

Förderung

Interreg Deutschland-Danmark

Logo von Interreg Deutschland-Danmark

ANGUS II

Auswirkungen der Nutzung des Geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher  – Integration unterirdischer Speichertechnologien in die Energiesystemtransformation am Beispiel des Modellgebietes Schleswig-Holstein

Energiespeicher werden in einer zukünftigen, stark auf erneuerbare Energien ausgerichteten Energieversorgung zum Ausgleich von Erzeugerfluktuationen und saisonalen Schwankungen unverzichtbar sein. Geotechnische Energiespeicher zur Speicherung von Wasserstoff, synthetischem Methan oder Druckluft sowie zur Speicherung von Wärme bieten sowohl große Speicherkapazitäten als auch Speicherzeiten von Stunden bis hin zu Monaten bzw. Jahren. In diesem Projekt soll das unterirdische Geosystem um die noch nicht betrachteten hydraulisch dichten Schichten sowie die damit verknüpften Prozesse ergänzt werden. Zur Integration geotechnischer Energiespeicher in die Energieversorgungsnetze bei unterschiedlichen Ausbaupfaden der Energienetze und EE-Erzeugung sowie zur Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarien wird durch Kopplung bestehender Modelle zur Simulation der Energienetze, Energieeinzelanlagen und der geotechnischen Speicher ein Modellinstrumentarium entwickelt und beispielhaft anhand realistischer Szenarien angewendet. Für die so dimensionierten geotechnischen Speicher werden die im Untergrund induzierten Auswirkungen zeitlich und räumlich aufgelöst durch prozessbasierte Simulationsmodelle bestimmt und mögliche Auswirkungen auf Schutzgüter und die Interaktion mit anderen geotechnischen Speichern bzw. untertägigen Nutzungen betrachtet. Anhand mesoskaliger Technikums- und Feldversuche soll das entwickelte Instrumentarium validiert werden. Die Ergebnisse werden zur Weiterentwicklung einer Methodik der unterirdischen Raumplanung verwendet.

Das Projekt greift auf wesentliche Vorarbeiten zurück, die im Verbundvorhaben ANGUS+ erarbeitet wurden.
Die übergeordneten Ziele des Verbundprojektes sind: 

  • Die Vervollständigung des als Energiespeicher potenziell zur Verfügung stehenden Geosystems in Schleswig-Holstein - als Beispielregion für Norddeutschland - um die bisher aus Kapazitätsgründen noch nicht berücksichtigten hydraulisch gering durchlässigen Schichten und Barrierehorizonte sowie die wasserungesättigte Zone im Hinblick auf Parameterbestimmungen und Prozessuntersuchungen für die jeweiligen
    geotechnischen Speicheransätze. Dabei werden insbesondere die durch zyklische Beanspruchung induzierten Effekte im Speicher und im umgebenden Untergrund berücksichtigt.
  • Die Kopplung und Weiterentwicklung bestehender Modelle zur Simulation geotechnischer Energiespeicher und ihrer unterirdischen Auswirkungen mit Modellen zur Simulation der Energieversorgung und von Einzelenergieanlagen, um räumlich und zeitlich aufgelöste Betriebsszenarien für geotechnische Energiespeicher (spezifisch: Druckluft, synthetisches Methan, Wasserstoff, Wärme/Kälte) und deren Integration in die Energienetze bei unterschiedlichen Ausbauszenarien zu erlangen.
  • Die Bestimmung von Szenarien i) zur Integration von geotechnischen Energiespeichern in die Energieversorgungsnetze und von wirtschaftlich sinnvollen Betriebsszenarien, ii) zur zeitlich und räumlich aufgelösten Raumbeanspruchung dieser Speicher, insbesondere im stark genutzten urbanen Untergrund, anhand realistischer Nutzungsszenarien und Speichermanagementkonzepte, iii) zu möglichen Auswirkungen auf Schutzgüter, insbesondere aufgrund von Störungen des geologischen Aufbaus, sowie zur Interaktion mit anderen Speichern oder anderen Nutzungen des Untergrunds. Zur Validierung der verwendeten Prognosemodelle und zur Methodenentwicklung sollen mesoskalige Technikumsexperimente mit hoher wirtschaftlicher Anschlussfähigkeit durchgeführt werden.
  • Die Bereitstellung und Erprobung des Modellinstrumentariums zur Integration geotechnischer Speicher in die Energiesysteme und die Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarios für geotechnische Energiespeicher sowie die Weiterentwicklung und Anpassung der Methodik und der Planungsinstrumentarien für eine großskalige Raumplanung des Untergrundes.

Laufzeit:

  • 01/2017 - 12/2020

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Geographisches Institut
  • Europa-Universität Flensburg, Institut für Umwelt-, Sozial- und Humanwissenschaften
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften
  • Hochschule Flensburg, Energie und Biotechnologie
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

Förderung:

Das Projekt ANGUS II wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen der Bekanntmachung „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“

Projekthomepage:

angus-projekt.de

TestUM-Aquifer

Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen

Der begrenzte und bereits stark genutzte geologische Untergrund besitzt eine herausragende volkwirtschaftliche Bedeutung als Grundwasserreservoir und Energiespeicher, sowie als Lagerstätte für energetische und mineralische Rohstoffe. Es muss daher Sorge getragen werden, dass die Nutzungsoptionen für den geologischen Untergrund in ihren Wechselwirkungen untereinander und in ihren Auswirkungen auf die Umwelt realistisch prognostiziert werden können. Eine besondere Bedeutung bei der Nutzung des Untergrundes kommt dem Grundwasserschutz zu. Gerade bzgl. der Detektion und Bewertung von Leckageereignissen in oberflächennahe Grundwasserleiter ergaben sich jedoch auch eine Reihe von wissenschaftlichen Wissensdefiziten im Hinblick auf die reaktiven Transportprozesse. Entsprechendes gilt auch für die direkte Nutzung oberflächennaher Grundwasserleiter z.B. bei der Wärmespeicherung. Das Verbundvorhaben greift diese Problemstellungen für oberflächennahe, poröse Grundwasserleiter und deren Deckschichten auf.

Strategische Zielsetzung des Forschungsvorhabens, das vom Helmholtz-Institut UFZ Leipzig und der Universität Kiel getragen wird, ist der Aufbau, der Betrieb und die Etablierung eines entsprechenden Testfeldes an einem (bereits in ähnlichem wissenschaftlichen Kontext gut voruntersuchten) Standort in der Nähe der Stadt Wittstock (Projekt: CO2-Injektion). Dort soll im Rahmen einer nationalen Geo:N-Infrastrukturbildung mittelfristig auch anderen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen die Möglichkeit für entsprechende Forschungen eröffnet werden.
Schwerpunkte der Geländeexperimente sollen zum einen geophysikalische, mikrobiologische und hydrogeochemische Untersuchungen und die Entwicklung und Validierung numerischer Modelle (THMC) bzw. von „Invers-Modellen“ zu experimentellen Gasleckagensimulationen (N2-, (CO2-), O2-Gemisch als „Luft“, CH4, H2) und den damit in Verbindung stehenden bzw. induzierten reaktiven Mehrphasentransportprozessen sein. Zum anderen sollen mit einem reduzierten Umfang die Auswirkungen von Wärmeeinspeicherungen (T < 80°C) auf reaktive z.T. mehrphasige Transportprozesse aufgrund von Gasphasenbildung in natürlichen Grundwasserleitern untersucht werden.
Übergeordnete Fragestellungen sind dabei Detektierbarkeit, Prognostizierbarkeit und Kontrollierbarkeit der reaktiven Mehrphasen- und Wärmetransportprozesse in natürlichen oberflächennahen Grundwasserleitern unter besonderer Berücksichtigung der Erprobung und Validierung geophysikalischer und numerischer Verfahren. Konkretisiert und fachlich untersetzt werden diese übergeordneten Fragestellungen in den drei wissenschaftlichen Teilprojekten:

  • TP 1 „Experimentelle und Numerische Modelle“
  • TP 2 „Geophysikalisches Monitoring und Parametrisierung“
  • TP 3 „Hydrogeochemische, isotopenchemische und mikrobiologische Prozesse“

Laufzeit:

  • 07/2017 - 10/2020

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

Förderung:

Das Projekt TestUM-Aquifer wird innerhalb des Fachprogramms „Geoforschung für Nachhaltigkeit (Geo:N)“ im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3)“ – „Aus- und Wechselwirkung von reaktiven mehrphasigen Transportprozessen auf Speicherkapazität, Injektivität und geomechanische Integrität – Prozessverständnis, Umweltauswirkungen und Monitoringansätze.“ gefördert.