Für eine optimale Nutzung nachhaltiger Wärme ist die Speicherung großer Wärmemengen notwendig, um saisonalen Angebots- und Nachfrageschwankungen Rechnung zu tragen. Hier kann die großtechnische Wärmespeicherung in geothermischen Reservoiren einen entscheidenden Beitrag leisten. Insbesondere in urbanen Strukturen, wo wenig Fläche verfügbar ist, aber eine hohe Nachfrage an Speicherkapazitäten besteht, sollten thermische Aquiferspeicher in Betracht gezogen werden. Aufgrund der noch hohen Temperaturen in den bestehenden Wärmeverteilstrukturen besteht auch ein besonderer Bedarf für die Speicherung auf höheren Temperaturen (50 - 100°C). Herausforderungen hierbei bestehen im Auffinden geeigneter geothermischer Reservoire, dem thermisch, hydraulisch, geochemischen Verhalten der Speicher sowie deren optimaler Integration in neue oder bestehende Energieinfrastrukturen.

Da Aquiferspeicherbohrungen, ähnlich zu geothermischen Bohrungen oberflächennahe Grundwasserleiter durchteufen, bestehen auch besondere Anforderungen an den Grundwasserschutz. Die am GFZ mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie durchgeführten Projekte sollen Wissenslücken schließen und Methoden für eine verlässliche Planung sowie einen effizienten und sicheren Speicherbetrieb beitragen.

Der Beitrag gibt einen Überblick über die Hochtemperatur (HT)-ATES Forschungsaktivitäten des GFZ Potsdam in Berlin im Rahmen der Projekte ATES Berlin (FKZ 03ESP409A), GeoFern(FKZ 03EE4007), ATES-iQ (FKZ 03EE4013) und PUSH-IT (Horizon Europe, Projekt-ID: 101096566) sowie einen Ausblick auf das Reallaborprojekt GeoSpeicherBerlin (03EWR022C).

Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicherung (HT-ATES) kann durch die saisonale Speicherung von Wärme zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung beitragen. Die Wirtschaftlichkeit von HT-ATES-Systemen wird maßgeblich durch die thermische Wiedergewinnung beeinflusst, welche wiederrum von der Intensität der dichtegetriebenen Konvektion abhängt. Für den untersuchten HT-ATES in den Unteren Braunkohlesanden unter Hamburg-Wilhelmsburg sind aus Bohrprofilen geringmächtige Schichten bekannt, die aufgrund ihrer geringen Permeabilität das Potential haben, Konvektion zu dämpfen. Dieses Potential soll mittels generischer und geostatistisch abgeleiteter Szenarien quantifiziert werden, wobei thermohydraulisch gekoppelte Modelle verwendet werden. Weiterhin soll die Unsicherheit der thermischen Wiedergewinnung und der Temperaturverteilung auf Basis der Untergrundheterogenität untersucht werden und inwiefern diese durch eine Erkundungsbohrung in der Nähe des warmen Brunnens eingegrenzt werden kann.

Die generischen Szenarien zeigen, dass es für die Dämpfung von Konvektion ausreicht, wenn geringpermeable Schichten im Bereich des analytisch ableitbaren thermischen Radius‘ um den warmen Brunnen herum vorliegen. Um diese Erkenntnis in das Verhältnis zu den Gegebenheiten am Standort zu setzen, wurden eine Indikator-Variogrammanalyse anhand der Standort-Bohrprofile durchgeführt. Die erhaltenen Parameter wurden als Basis für die Generierung von 30 gleichwahrscheinlichen Faziesverteilungen mittels unkonditionierter sequentieller Indikatorsimulation verwendet. Als Indikator für die zu erwartende Wiedergewinnung wurde der volumetrische Anteil der geringdurchlässigen Fazies im thermischen Radius um die Filterstrecke des warmen Brunnens herum berechnet. Für die unkonditionierten Realisationen variierte er zwischen 0-24% (Standardabweichung: 7%). Für die mittels einer 10 vom warmen Brunnen entfernten hypothetischen Erkundungsbohrung konditionierten Realisationen variierte er nur zwischen 5-18% (Standardabweichung: 3%), was eine Eingrenzung der Unsicherheit der thermischen Wiedergewinnung bedeutet und zeigt, dass eine Erkundungsbohrung einen wertvollen Informationszugewinn mit sich bringt.

The German Research Center for Geosciences GFZ is focusing on Mesozoic targets for the application of geothermal and ATES utilization concepts in urban areas. The general depth and the suitability of those aquifers are largely depending on the ascent and location of deeper present Permian salt structures. After drilling an explorational borehole at the Technical University Berlin in central Berlin (Fasanenstraße, Gt BChb 1/2015), the Gt BTrKoe 1/2021 borehole provides insights into the geological situation in the SE of Berlin (Adlershof). This borehole was drilled in cooperation with the BTB GmbH to evaluate the ability for seasonal subsurface high-temperature aquifer storage (considering temperatures > 60°C) near an existing district heating plant. The geological-petrophysical and hydrogeological-geochemical investigations allowed a detailed characterization and an initial estimate of the ATES potential of the subsurface. At depths of approx. 360 – 400 m a sand-dominated possible ATES reservoir was drilled. The reservoir section consists of fine-grained quartz sandstones containing 90% subangular to well-rounded quartz, 8% K-feldspar, and 2% accessory minerals on average. Overall effective porosity is about 25-30%, and the hydraulic properties were estimated using grain-size analysis and air-permeability measurements. For this summer, first hydraulic tests of the target horizon were scheduled to evaluate the reservoir behavior on the field scale and to provide essential data for borehole and storage design needed for the envisaged realization of a commercial ATES system (Reallabor GeoSpeicher Berlin). The site activities are funded by the BMWK (FKZ 03EE4007 and FKZ 03EWR022C) and the EU project PUSH-IT (https://www.push-it-thermalstorage.eu/).

In order to operate an ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) in a sustainable way, the cross-flow from the wall rock into the wellbore-storage system should be identified and precluded. In the present study, artesian flow tests composed of production- and shut-in stages were conducted in an ATES research wellbore (Berlin, Germany), and the so induced change in temperature in the near wellbore subsurface was monitored using the fiber-optic distributed temperature sensing (DTS) technique. The DTS-monitored depth-temperature profiling revealed the cross-flow from the unconsolidated Quaternary sediments through the cement annulus behind the anchor casing entering the lower wellbore. Numerical modelling assuming conductive heat transition through the anchor casing into the subsurface only was applied as a baseline verifying the existence of the cross-flow. The analyses on the velocity of such cross-flow using the DTS data as well as the numerical parametric study on the flow rates permit estimating the aperture of the flow conduit in the cement annulus. It’ shown that the cross-flow enhanced the cooling process during the present shut-in test stages.

Das Fernwärmenetz der BTB (Blockheizkraftwerks- Träger- und Betreibergesellschaft mbH Berlin) versorgt den Südosten Berlins bereits zu etwa 60 % mit erneuerbarer Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Zur weiteren Reduktion fossiler Brennstoffe ist geplant, sommerliche Wärme in einem Aquifer zu speichern und im Winter zu nutzen.

Im Rahmen des Reallabors GeoSpeicherBerlin (BMWK; FKZ: 03EWR022 A-D) soll bis Ende 2027 ein Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher (HT-ATES) errichtet und durch ein großtechnisches Wärmepumpensystem in das bestehende Fernwärmenetz der BTB integriert werden. Die BTB führt dieses Projekt in Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Partnern vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) und der Technischen Universität Dresden durch.

Für den Einsatz eines Aquiferspeichers ist eine geologische Formation mit guter hydraulischer Durchlässigkeit und ausreichender Mächtigkeit erforderlich, die von gering- oder undurchlässigen geologischen Schichten über- bzw. unterlagert wird. Ein ATES-System umfasst außerdem technische Komponenten wie Bohrungen zum Ein- und Ausspeichern sowie Anlagen zur Integration des Speichers in bestehende Versorgungsstrukturen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „GeoFern“ (FKZ: 03EE4007), das vom GFZ durchgeführt wurde, erfolgte das Abteufen einer Erkundungsbohrung, die eine Bewertung des Untergrundes als potenziellen Speicher am Standort des Heizkraftwerks der BTB in Berlin-Adlershof ermöglichte. Es stellte sich heraus, dass unterhalb des Rupeltons, am Standort mehrere jurassische Aquifere existieren, die fast durchgängig gute hydraulische Eigenschaften aufweisen.

Bei Erfolg wird der „GeoSpeicherBerlin“ mit einer Wärmekapazität von über 30.000 MWh Deutschlands größter Wärmespeicher und ermöglicht durch die Ablösung von Steinkohlewärme aus dem BTB-Heizkraftwerk Schöneweide eine CO₂-Einsparung von ca. 10.000 Tonnen pro Jahr. Diese Pilotanlage soll wertvolle Erkenntnisse zur Machbarkeit der saisonalen Wärmespeicherung für die klimaneutrale Fernwärmeversorgung in Deutschland liefern.