Angewandte Geowissenschaften - Aquatische Geochemie und Hydrogeologie

Aktuelle Projekte

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

IGLU

Untersuchung, Modellierung und Bewertung eines intelligenten geothermischen Langzeitwärmespeichers mit umweltneutralem Verhalten

Im Rahmen des Projekts IGLU wird ein umweltneutrales und wirtschaftliches durch Solarkollektoren gespeistes Energiespeicher-System in Modulbauweise zum Einsatz in Mehrfamilienhäusern und gewerblichen Gebäuden entwickelt, welches in die Wärmeversorgungssysteme sowohl von Neubauten als auch in Bestandsgebäude integriert werden kann.

Projektpartner:

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

 

Projektlaufzeit:

 August 2014 - Mai 2018

Förderung:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

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 - 06/2020

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.