Die HAMBURG ENERGIE Geothermie GmbH (HEGeo), eine Tochter der Hamburger Energiewerke, hat eine Bohrungsdublette zur Gewinnung von Erdwärme aus tertiären Sandsteinen des Eozäns errichtet und erfolgreich getestet. Ursprünglich war das Projekt als tiefe Geothermie geplant. Eine zu geringe Mächtigkeit des ursprünglichen Reservoirs erforderte im laufenden Projekt eine Umplanung. Sukzessiv wurde ein Ausweichhorizont getestet, über zwei abgelenkte Bohrungen erschlossen, geowissenschaftlich untersucht und mittlerweile erfolgreich getestet. Der Projektablauf und der erreichte Stand werden vorgestellt. Das Projekt wird als Bestandteil der Gesamtprojekts IW³ „Integrierte Wärmewende Wilhelmsburg“ als eines der Reallabore der Energiewende vom BMWi (Projektträger Jülich) gefördert.

Möglichkeiten zur saisonalen Energiespeicherung sind ein wesentlicher Bestandteil für die zuverlässige Nutzung fluktuierender, regenerativer Wärmequellen wie Solarthermie. Kristalline Gesteine weisen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und geringer Permeabilitäten ein großes Potenzial für solche Wärmespeicher auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts SKEWS (Saisonaler Kristalliner ErdWärmeSondenspeicher, BMWK Förderkennzeichen 03EE4030A) wurde am Campus Lichtwiese in Darmstadt ein mitteltiefer Demonstrations-Erdwärmesondenspeicher mit einer Tiefe von 750 m errichtet. Der Speicher besteht aus drei 750 m tiefen koaxialen Erdwärmesonden mit einem Abstand von jeweils 8.6 m in einer dreieckigen Anordnung.

Zur Charakterisierung des Speichers wird beginnend im Juli 2023 zunächst ein mit optischer Fasermesstechnik tiefenaufgelöster Geothermal-Response-Test (GRT) zur Charakterisierung der thermischen Gebirgs- und Bohrlocheigenschaften durchgeführt. Anschließend folgt ein einjähriger Testbetrieb in dem eine zyklische Be- und Entladung des Speichersystems mit einer externen Wärme und Kältequelle simuliert wird.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über das Messprogramm am SKEWS Erdwärmesondenspeicher und stellt erste Ergebnisse des GRT und darauf basierender numerischer Modellierungen vor.

München besitzt, wie andere Städte auch, ein hohes, beständiges Grundwasserdargebot und ein großes Potenzial zur Wärmeabdeckung durch Grundwasserwärmepumpen (GWPs). Ihre Nutzung ist fester Bestandteil der kommunalen Wärmeplanung. Jedoch zeigt sich, dass trotz hohen Potenzials und Gebäudeeignung oft nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht, um den Mindestabstand zwischen Produktions- und Schluckbrunnen einzuhalten (mind. 10m). Daher wurde untersucht, ob eine effiziente Nutzung über Ein-Brunnen-Systeme (Standing-Column-Well - SCW) möglich ist, bei denen das Grundwasser in denselben Brunnen eingeleitet wird, aus dem es zuvor gefördert wurde. Damit wäre eine GWP-Umsetzung auch bei Grundstücken mit wenig Platz realisierbar. Jedoch muss die Effizienz des Systems trotzdem gegeben, und die Produktionstemperatur nicht von der Wiedereinleitung beeinflusst sein. Bei Standard-SCW-Systemen soll daher möglichst eine geringleitende Schicht zwischen Produktions- und Injektionshorizont vorhanden sein. Dies wäre aber in München wasserwirtschaftlich nicht genehmigungsfähig. In München treten jedoch teilweise sehr hohe Grundwasser-Fließgeschwindigkeiten auf (5-20 m/d), so dass die injizierte Kälteanomalie in Brunnennähe ohne große vertikale Vermischung abließt. Um den Einsatz von Ein-Brunnen-Systemen bei diesen Verhältnissen zu untersuchen, wurden numerische Parameterstudien durchgeführt, wobei maximal mögliche Entnahmeraten ohne negative Beeinflussung der Effizienz für alle Kombinationen der brunnentechnischen und hydrogeologischen Parameter bestimmt, eine Regressionsgleichung abgeleitet und eine Potentialkarte für das Ein-Brunnensystem erstellt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass in weiten Bereichen der Stadt Ein-Brunnen-Systemen für Kleinanlagen möglich sind. In besonders geeigneten Gebieten sind Entnahmeraten > 10 l/s möglich. Als nächster Schritt wird zur Verifizierung eine Pilotanlage in München geplant. Beim Erfolg könnte damit das Potenzial zur Nutzung von Grundwasserwärmepumpen in der kommunalen Wärmewende deutlich erhöht werden.

Auf Basis von modellbasierten Potentialuntersuchungen und Vorplanungen soll die Umsetzbarkeit für bestehende, derzeit fossil versorgte Quartieren der am Projekt beteiligten Energieversorger erarbeitet werden, so dass eine reale Umsetzung als zentrales Projektziel vorbereitet wird. Hierzu sollen detailliert die technischen, regulatorischen und ökonomischen Anforderungen in den untersuchten Quartieren identifiziert und bewertet werden.

Die Entwicklung von fallübergreifenden Leitfäden und die Erweiterung von Planungstools sollen wichtige Voraussetzungen schaffen, damit die am Projekt beteiligten Versorger zukünftig in die Lage versetzt werden, Geothermieprojekte im Bestand umsetzen zu können.

Unterstützt werden diese Ziele durch die Entwicklung techno-ökonomischer Geschäftsmodelle unter Berücksichtigung rechtlicher Umsetzungsoptionen für Geothermieprojekte im urbanen Raum.

Freiflächenheizungen zur Eisfreihaltung werden bei kritischer Infrastruktur eingesetzt, um Störungen im Betrieb aber insbesondere um Unfälle zu vermeiden. Nach Zahlen von Zion-Market-Research [1] betrug das weltweite Marktvolumen für derartige Systeme im Jahr 2020 5.7 Mrd. US $, in Deutschland betrug das Marktvolumen im gleichen Jahr 427 Millionen €.

Gegenwärtig werden diese Systeme vorwiegend konventionell beheizt. Nach einer Studie des Ministeriums für Verkehr, Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-Westfalen [2] ist in Deutschland Strom in Kombination mit elektrischen Widerstandsheizungen die am weitesten verbreitete Energieform. Die restlichen Anlagen werden über einen hydraulischen Kreislauf betrieben, die in der Regel mit Gas, Öl oder Fernwärme beheizt werden.

Ansätze Freiflächen mit Geothermie zu beheizen gab es schon mehrere [2], bisher hat sich diese Technik aber nicht etablieren können, da konventionelle Systeme aufgrund niedrigerer Investitionskosten und niedriger Energiepreise wirtschaftlich attraktiver waren.

Im Verbundvorhaben GERDI wurde eine Freiflächenheizung auf Basis von Fertigbetonelementen entwickelt, die ausschließlich mit Wärme aus dem Untergrund beheizt werden kann. Dafür wird das Prinzip eines Zweiphasen-Thermosiphons verwendet, der rein thermisch angetrieben ist und dafür die Temperaturdifferenz zwischen Untergrund und Oberfläche ausnutzt.

In diesem Beitrag wird auf neueste Marktzahlen für diese Anwendungen eingegangen, es wird eine Übersicht über das Projekt gegeben und der im Rahmen des Projektes gebaute Demonstrator vorgestellt.

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

[1] https://www.zionmarketresearch.com/news/snow-melting-system-market

[2] M. Würtele, P. Sprinke, W. Eugster, Geothermie sorgt für Verkehrssicherheit, Studie im Auftrag des Ministeriums für Verkehr Energie und Landesplanung des Landes Nordrhein-westfalen, Düsseldorf 2005