Conference Agenda

Im Poster wird das neu genehmigte FE-Vorhaben KarboxEx2 vorgstellt. https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/k/karboex2-forschungsvorhaben

GeoLaB (Geothermal Laboratory in the Crystalline Basement) aims to build an underground geoscientific laboratory in a fractured crystalline basement. The first potential selected site is the Odenwald crystalline complex (Hessen, Germany) due to its geology (fractured crystalline basement) and petrology (Tromm granite), the second the Black Forest.

The investigation of the geochemistry and the hydrothermal alteration plays an important role in order to understand the evolution of important rock properties such as permeability, porosity and the response to applied stress.

As the exploration is currently focusing on the Tromm site in the Odenwald area, a representative set of fifteen surface rock samples was investigated by means of X-ray powder diffraction XRD (quantitative estimation of the mineral assemblage, rock classification), electron microprobe analyzer EMP (determination of the mineral geochemistry, hydrothermal alteration and microstructures), X-ray fluorescence XRF (analysis of major and minor elements) and inductively coupled plasma mass spectrometry ICP-MS (analysis of trace elements). The dominating granites and quartz monzonites (according to the TAS classification based on the XRF results) are composed of quartz, K-feldspar, plagioclase (andesine), and mica (biotite and muscovite). Apatite, zircon, magnetite, rutile and monazite were detected as accessories, thus enabling geochemical dating.

Three of the samples show hydrothermal alteration in the form of kaolinite at the plagioclase rims. Alteration processes could also be observed in the images acquired with the EMP.

A comparison of the geochemistry and mineralogy of both locations will contribute to the site selection for the realization of the GeoLaB infrastructure.

Das übergreifende Ziel des Gesamtprojekts ist die Entwicklung eines innovativen integrativen Konzepts für mitteltiefe Erdwärmesonden. Die Integration in die Wärmeversorgung von kleineren Kommunen und Industrieparks, die bislang noch nicht über ein Fernwärmenetz verfügen, ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Perspektive vorgesehen. Das Poster fokussiert auf die numerische Simulation einer Erdwärmesonde, die auf dem geschlossenen Zweiphasen-Thermosyphon mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel basiert. Das Modell stellt die Grundlage für die realitätsnahe Modellierung eines CO₂-Erdwärmesondensystems in mittleren Tiefen dar. Die numerische Simulation zielt darauf ab, transiente Temperaturänderungen im Untergrund vorherzusagen, das Wärmegewinnungssystem zu optimieren und dessen Sicherheit zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht der im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen geringe Aufwand, der durch Modifikationen des Strukturdesigns unter Zuhilfenahme der numerischen Simulation, beispielsweise in Form einer koaxialen Struktur, erforderlich ist, eine Analyse hinsichtlich der thermischen Energieausnutzung, was zu einer gesteigerten Wärmeausnutzungseffizienz führt.

The subsurface of large parts of the North German Basin is dominated by salt structures (flat salt pillows and steeply rising salt domes). Although no thermal water-bearing horizons within these salt structures exist, they nevertheless offer good conditions for geothermal utilization using closed geothermal systems. Rock salt has a higher thermal conductivity compared to the surrounding rocks, which leads to a modified temperature field with increased temperatures within the salt structure, at least in the medium-depth range above 2500 m as well as higher extraction rates along a heat exchanger.

The project UPTES (Investigation of the potential of deep geothermal probes in Schleswig-Holstein) aims to establish a planning tool for deep coaxial heat exchangers in salt structures. Both the subsurface conditions (distribution and depth of salt structures, thermal conductivities) and the technical parameters of the coaxial heat exchangers are considered. The technical configuration of a newly developed deep coaxial borehole heat exchanger by green therma, employing a combination of vertical and horizontal heat exchanger sections and improved thermal insulation, is used in this project, which starts in autumn 2024. This poster will thus present the project ideas, project outline and intended work packages.

Bergwerke stellen nach ihrer Außerbetriebnahme und der einhergehenden natürlichen Flutung große Wasserreservoire dar. Diese Wasserreservoire rücken zunehmend in den Fokus der Gemeinden und Energieversorger besitzen sie doch ein hohes Potenzial an erschließbarer Erdwärme. Durch den Kontakt mit dem Gestein ist das sogenannte Grubenwasser gut thermisch an den Untergrund angekoppelt. Dies führt dazu, dass bei einer energetischen Nutzung dieses Wassers eine große Speichermasse im Untergrund wärmetechnisch aktiviert werden kann, was mit einer entsprechenden hohen Wärme- oder Kälteleistung korreliert.

Die Erschließung der oftmals verwahrten Bergwerke ist jedoch mit hohen Kosten durch das Abteufen und Sichern von Bohrungen oder Schächten verbunden. Hohe Initialkosten bedingen, dass ein System eine lange zuverlässige Betriebsphase ermöglicht und keine negativen Veränderungen, wie ein Abfall der Wärmeleistung, stattfinden. Diese können durch eine übermäßige energetische Erschöpfung des Gesteins im Bergwerk zustande kommen. Eine genaue Vorausplanung der verfügbaren thermischen Energie ist daher essenziell.

Um dieses Energiepotenzial über die Lebensdauer einer Anlage zu bestimmen, lassen sich in der Literatur verschiedene Modelle finden. Analytische und vereinfachte numerische Modelle besitzen gegenüber komplexen CFD-Modellierungen den Vorteil, relativ genaue Ergebnisse in kurzer Zeit zu erzeugen. Jedoch konnten in den vereinfachten Literaturmodellen diverse Schwachstellen identifiziert werden, welche durch eine Eigenentwicklung verbessert werden.

Im Rahmen der Studie wurde ein solches Modell gegen adaptierte und optimierte Literaturmodelle sowie gegen umfangreiche CFD-Simulationen getestet. Die Ergebnisse zeigen eine bessere Übereinstimmung mit den Ergebnissen der komplexen CFD-Simulation als die Literaturmodelle. Ein Validierungsversuch wurde mit Realdaten einer Kleinzeche unternommen. Ursachen für Abweichungen werden diskutiert und Verbesserungsansätze vorgeschlagen.

Untersuchungen zeigen, dass erdgekoppelten Wärmepumpen für Niedertemperaturanwendungen wie Heizung, Kühlung und Trinkwarmwasserbereitung in Gebäuden effizienter sind als Luft-Wärmepumpen. Daher kommen mit einem EWS-Feld gekoppelte Wärmepumpen besonders in Großanlagen mit Heiz- und Kühlbedarf zum Einsatz. Die Überwachung der Performance solcher Wärmepumpensysteme ist wichtig, da diese Systeme sensibel auf Betriebsstörungen reagieren. Die Komplexität des Systems und der Steuerungen führt oft zu einem ineffizienten Betrieb, und bei der Überwachung können bestehende Fehlfunktionen identifiziert werden. Diese Probleme könnten für einen nachhaltigen und optimalen Betrieb des Systems behoben werden. Auch die EWS-Felder benötigen aufgrund ihrer speicherähnlichen Eigenschaften eine Überwachung, um die langfristige Temperaturentwicklung aus Gründen der Nachhaltigkeit zu beobachten. Diese Studie konzentriert sich auf die Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse aus den verfügbaren Messdaten von 10 verschiedenen Anlagen mit erdgekoppelten Wärmepumpen. Diese Standorte unterscheiden sich hinsichtlich der Gebäudenutzung (Wohn- oder Nichtwohngebäude), der Systemkonfiguration, des Standorts, des Zwecks (Heizung oder Kühlung) und der Datenverfügbarkeit (lang- oder kurzfristig) voneinander. Die Tiefe der EWS variiert von 40 m bis 145 m. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass der SPF von Wärmepumpen für die Heizung zwischen 2,5 und 6,5 und für die Kühlung zwischen 3,0 und 5,1 liegt. Ein perfektes Gleichgewicht zwischen Wärmeentzug und -einspeisung ist an den meisten Anlagen nicht erreicht worden. Bei den meisten Standorten mit kurzfristigen Monitoringdaten ist die Veränderung des Temperaturniveaus des Grundwassers vernachlässigbar. Bei den Standorten mit Langzeitüberwachung konnte jedoch eine Abweichung der Grundwassertemperaturen im Laufe der Zeit erkannt werden. Zur weiteren Analyse werden die Vorteile der Regenerierung anhand der Wärmebilanz der Erdreichquelle und der Grundwassertemperaturen bewertet.

Für die Auslegung von Geothermie Anlagen ist es neben weiteren Parametern entscheidend, die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes sowie den thermischen Bohrlochwiderstand zu kennen. Ein Thermal Response Test (TRT) ist die Methode der Wahl, um diese Werte zu ermitteln.

Seit der Entwicklung der mobilen TRT-Geräte in den 1990er Jahren gibt es zahlreiche Beschreibungen und Empfehlungen für die Durchführung der Tests, einschließlich der Vorgaben für den Testaufbau, die Anforderungen an die Messgeräte sowie die Auswertung eines TRTs, wie beispielsweise die VDI Richtlinie 4640 Blatt 5 in Deutschland. Dies ermöglicht Testanbietern ein eigenes TRT-Gerät zu bauen und einen solchen Test durchzuführen. Allerdings gibt es bislang noch keine etablierte Methode zur Überprüfung von TRT-Geräten einschließlich des Testablaufs und der Testauswertung.

Zur Qualitätssicherung von TRT-Geräten wurde daher am ZAE Bayern eine emulierte Erdwärmesonde (E-EWS) entwickelt und gebaut. Sie bildet das thermische Verhalten einer realen Erdwärmesonde (EWS) nach. Es können verschiedene Erdwärmesondeneigenschaften (Länge etc.) sowie Untergrundeigenschaften eingestellt werden. Dadurch können verschiedene TRT-Geräte innerhalb kurzer Zeit unter reproduzierbaren Randbedingungen getestet werden.

Besonders der Ausschluss der Umgebungseinflüsse (Sonne, Wind, Regen, Spannungsschwankungen des elektrischen Netzes) auf die TRT Messung wie sie speziell auf Baustellen vorkommen, stellen eine große Herausforderung für die TRT-Geräte und den Testablauf dar. Daher wurde im Rahmen des vom BMWK geförderten Verbundvorhabens „QEWSplus – Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (FKZ: 03EE4020B) die E-EWS in einem Optimierungsschritt um die Möglichkeit der Nachbildung auch dieser Einflüsse ergänzt.

In diesem Vortrag sollen der aktuelle Entwicklungsstand der E-EWS dargestellt, sowie die Ergebnisse der ersten Messungen mit Emulierung der Umgebungseinflüsse vorgestellt werden.

Aquifer thermal energy storage (ATES) in the geological subsurface can help bridge the temporal mismatch between production and demand of energy from renewable sources by shifting heat seasonally. Increasing the temperature level of the stored heat provides additional energetic benefits of easier integration into the heat supply system as well as increased storage capacity and storage rates. Because HT-ATES represents a new technology and operational experience and insights into induced subsurface temperatures are rare, the heat experiments at the TestUM –Aquifer field site aim to provide a basis for characterization and verification of the hydraulic and thermal process understanding and for the energetic assessment of HT-ATES systems. For this, a well doublet was operated for one year mimicking heat injection and extraction cycles under heavily monitored conditions.

A numerical simulation model for coupled heat transport and groundwater flow was developed, representing all cycles of the experiment. Model results generally indicate a good agreement with measured temperatures, both for return flow temperatures as well as aquifer temperatures. It is found that density induced thermal convection strongly influences the temperature distribution close to the injection well, while temperatures in the far field are determined by horizontal convective heat transport and heat losses. The simulated return flow temperatures indicate the general trends of increasing heat recovery with increasing cycle number and reduced recovery with increasing cycle duration, in agreement with the experimental results. This demonstrates that numerical simulation allows for both an operational assessment and the prediction of the induced subsurface temperatures.

Microbial processes such as biofilm formation (clogging) and mineral precipitation (scaling) can affect the effectiveness of aquifer thermal energy storages (ATES). They can reduce the permeability of potential reservoirs and compromise the efficiency of ATES facilities. In addition, microbial processes can release toxic trace elements such as arsenic through iron mineral dissolution in the subsurface. To evaluate the microbial impact on the performance of ATES, it is crucial to identify in situ metabolic processes and microbial key players.

At the ATES exploration site Berlin-Adlershof, we monitored the microbial abundance, community composition and metabolic functions for 2 years after drilling in a Jurassic sandstone aquifer at ~225 m depth. We applied culture-dependent and -independent approaches such as enrichment cultures, amplicon sequencing, metagenomics and -transcriptomics in the context of the groundwater hydrochemical conditions.

The aquifer was characterized by an in-situ temperature of 17 °C, Na and Cl dominated fluid (TDS ~20 g L^-1) and organic substrates including acetate. The microbial community was adapted to saline and alkaline conditions. Over time, the community shifted from mainly fermenting bacteria, capable of hydrogen and organic acid production, to a syntrophic community of fermenting and sulfate reducing bacteria, with the latter consuming the fermentation products. These processes involve the risk of corrosion, but also offer the possibility to dissolve mineral scales.

Results of this study in combination with a percolation experiment analyzing biotic versus abiotic processes at different temperature conditions, will help to develop prediction tools for potential system operational failures and appropriate countermeasures in ATES.

Wir präsentieren analytische Berechnungen des instationären Wärmetransfers durch Wärmeleitung in einem zylindrischen Bereich und in einer Platte, welche als vereinfachte Modelle für geothermische Systeme mit oder ohne Wärmespeicherung betrachtet werden können. Die vorliegende Analyse ermöglicht es uns, die thermische Penetrationstiefe während einer instationären Startphase sowie nach Erreichen eines quasistationären Zustands zu erläutern. Durch die Nutzung der ermittelten thermischen Penetrationstiefe können wir den minimal möglichen Abstand zwischen zwei geothermischen Bohrlöchern bestimmen und zudem die Auswirkungen der Komplettierungseigenschaften auf diesen Abstand anhand der analytischen Lösung des Problems überprüfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse verwendet, um numerische Methoden zu verifizieren. Diese analytische Lösung kann zudem genutzt werden, um die Integration eines numerischen Reservoirmodells mit dem Bohrlochmodell zu erleichtern.

The GeoBOOST project aims to promote the adoption of geothermal heat pumps (GHPs) across the European Union (EU). GHPs are currently the most effective and versatile technological solution for reducing dependence on fossil fuels.

As part of the project, this study focuses on developing recommendations for a robust legal and technical framework to prevent interference in open and closed loop GHP systems. The goal is to optimise planning and design of systems, thereby maintaining their efficiency and geothermal resources management. A comprehensive review was conducted on studies evaluating thermal interference between adjacent GHP systems and its impact, and applicable regulations across EU countries involved in the project (Belgium, Spain, Germany, Ireland, Sweden, Austria, the Netherlands, and Poland).

Results indicate that thermal interference can significantly reduce GHP system efficiency if not considered during the planning phase. The regulatory review shows major variations in legal requirements, highlighting the heterogeneity of GHP data records, which raises issues with standardisation and implementation of reporting practices.

In response, we propose a holistic approach to address thermal interference and regulatory challenges, enabling more efficient and compliant GHP systems planning. A key component of this initiative is a robust data collection structure to harmonise data from various regions, which has the potential to allow for more accurate assessments and improved framework reliability. This structure proposes information about drilled geology and hydrogeology and GHP installation data. Adopting this framework can improve the visibility of geothermal projects, provide data for facilitated market analysis and stimulate the market for GHPs.

Das Bundesberggesetz (BBergG) regelt in § 3 Abs. 2 S. 2, dass sich das Eigentum an einem Grundstück nicht auf die sogenannten bergfreien Bodenschätze erstreckt. Die Aufsuchung und Gewinnung von Erdwärme ist daher dem Verfügungsrecht des Grundstückseigentümers entzogen und bedarf einer bergrechtlichen Genehmigung. Die Aufsuchung von Erdwärme ist erlaubnispflichtig, für die Gewinnung bedarf es einer Bewilligung, gem. § 6 S. 1 i.V.m. § 3 Abs. 2 Nr. 2 lit. b BBergG. Sowohl die Aufsuchungserlaubnis, als auch die Bewilligung gewähren ihrem Inhaber für einen begrenzten Zeitraum in einem bestimmten, räumlich umgrenzten Feld ein im Verhältnis zu Dritten ausschließliches Recht. Innerhalb eines Aufsuchungsfeldes können nur unter engen Voraussetzungen und auch nur in begrenztem Umfang überlappende Aufsuchungserlaubnisse für denselben Bodenschatz erteilt werden. Nicht ausgeschlossen ist hingegen die Erteilung einer Bewilligung innerhalb eines bestehenden Erlaubnisfeldes.

Wie sich zeigt, kann die Ausschließlichkeit von Bergbauberechtigungen im Ergebnis dazu führen, dass bei geothermischen Aktivitäten im selben Feld, selbst wenn diese in unterschiedlichen Stockwerken stattfinden, eine Überlagerung mehrerer Bergrechte für verschiedene Inhaber zum Teil nur eingeschränkt oder garnicht zulässig ist. Mit dem vierten Bürokratieentlastungsgesetz soll zumindest der rechtliche Rahmen für ein Nebeneinander von Tiefengeothermie und oberflächennaher Geothermie vereinfacht und bundesweit vereinheitlicht werden.

Im Rahmen dieses Beitrages soll die Bedeutung konkurrierender Interessen im Kontext des bergrechtlichen Genehmigungsrahmens beleuchtet werden. Dabei soll insbesondere auf das Verhältnis konkurrierender Anträge auf Erteilung gleichwertiger oder unterschiedlicher Bergbauberechtigungen für überlappende Felder eingegangen werden. Darüber hinaus sollen die Möglichkeiten von Kooperationen beleuchtet und aktuelle Entwicklungen zur Stockwerkstrennung dargestellt werden.

Zur Erreichung der Klimaziele der deutschen Bundesregierung ist die Wärmewende unverzichtbar. Großes Potenzial haben dabei in geothermischen Heizwerken, die je nach geologischen Bedingungen unterschiedliche Anlagenkonfigurationen erfordern. Um das Spektrum im süddeutschen Molassebecken abzudecken, werden die Umweltauswirkungen von zwei Heizwerken verglichen: einer klassischen Tiefengeothermieanlage und ersten Ergebnissen eines theoretischen Modells einer mitteltiefen Anlage, die Wärmepumpen nutzt um die Vorlauftemperatur anzuheben. Dabei wird auf die kritischen Parameter eingegangen, die den Fußabdruck besonders beeinflussen und reduzieren können. Diese Ergebnisse sind vor dem Hintergrund der EU-CO2e-Grenzwerte der Taxonomie besonders relevant, die alle fünf Jahre gesenkt werden und bis 2050 Netto-Null erreichen sollen.

Zur Bewertung der Anlagen wird eine Ökobilanzierung für hydrothermale Geothermieheizwerke vorgestellt, die auf den Standards ISO 14040 und 14044 basiert. Diese Analyse umfasst die ökologischen Auswirkungen in verschiedenen Wirkungskategorien: Treibhausgaspotenzial, Verbrauch fossiler und mineralischer Ressourcen sowie Versauerung von Gewässern. Untersucht werden die Lebenszyklusphasen Konstruktion, Betrieb und Rückbau, wobei sowohl die untertägigen Komponenten wie Bohrungen als auch die obertägigen Anlagen berücksichtigt werden. Die Treibhausgasemissionen betragen 66 g CO₂/kWh für die tiefengeothermische und 102 g CO₂/kWh für die mitteltiefe Geothermieanlage. Besonders beeinflusst werden die Anlagen durch ihren Strombedarf, der durch den deutschen Strommix gedeckt wird. Hiervon ist die die mitteltiefe Anlage stärker betroffen als die tiefengeothermische Anlage, da neben der Tiefenpumpe zusätzlich Strom für die Wärmepumpen benötigt wird. Um die Spannbreite der geologischen Randbedingungen für mitteltiefe Anlagen abzubilden wird in zukünftige Arbeiten eine systematische Untersuchung vorgenommen.

Problemstellung

• Für den optimalen Betrieb und Steuerung von Geothermieanlagen ist eine niedrige Rücklauftemperatur entscheidend, das erhöht den Ertrag und verbessern die Wirtschaftlichkeit der Geothermie und der Fernwärme
  • Der Kunde sichert die Grundlast seines Fernwärmesystems durch eine Tiefengeothermie-Anlage (2 Km Teufe, 75 Grad Vorlauf, 8 MW Wärmeleistung) hohe Rücklauftemperaturen verhindern allerdings eine optimalere Steuerung des Wärmetauschers und einen maximierten Ertrag
  • Auf Basis der Vorligenden Betriebserfahrungen hat der Kunde eine Ausschreibung zur Reduzierung der Rücklauftemperauren und zur Verbesserung der Geothermie-Steuerung vorgenommen

Lösungsansatz: Rücklauftemperaturreduzierung durch Digitalen Zwilling

• Vollständiger Netzeinblick: Sichtbarkeit von Temperaturen und Problemstellungen historisch und im laufenden Betrieb
  • Auf Basis der historischen Analyse können Netzengpässe und Abnehmer identifiziert werden, welche eine Temperaturabsenkung verhindern
  • Auf Basis des Echtzeit-Monitorings erfolgt im laufenden Betrieb die Priorisierung von Maßnahmen zur Rücklauf-Temperaurabsenkung, die den größten Nutzen bringen werden
  • Der Digitale Zwilling wird zusätzlich zur Dynamischen Rücklauf-Temperaursteuerung eingesetzt

Das Praxisbeispiel ist aus den Niederlanden

There are many innovation topics on the agenda of various geothermal organisations. These topics often explore the boundaries of technolgy and science. We believe that there is still a lot to be learned by operational excellence. Closing the loop from design to construction to production monitoring and maintenance needs to be closed by applying the lessons learned in new designs. In this poster we provide examples of these lessons learned for sandstone high saline brine projects during the development of approximately 10 geothermal projects with a capacity of over 150 MW thermal, including well design and well testing learnings, production and geohazard monitoring and and production optimisation projects.

The novel concept of Carbon Dioxide-Based Electrothermal Energy and Geological Storage System (CEEGS) offers a solution for large-scale buffer capacity for balancing non-dispatchable wind and solar energy resources and providing additional value for carbon capture, usage and storage (CCUS) by utilizing carbon-dioxide as working fluid. In this paper, we aim at understanding geological parameters and fluid flow processes that control both subsurface and surface performance of the proposed system.

The transient pressure and temperature processes in the reservoir are modelled using CMG GEM and STARS simulators. The system has two operation phases: first, a carbon dioxide plume is established in the reservoir through continuous injection in a well. After that, intra-day energy storage periods are simulated. The sensitivity of the geological parameters on system performance are tested in two generic reservoirs under realistic conditions: deep saline aquifer in sandstone and deep geothermal carbonate rock.

The simulation study shows that besides rock transmissibility, larger reservoir depth and geothermal gradient may significantly enhance system efficiency and energy output. It is also observed that both geological scenarios can provide considerable well injectivity and productivity as well as gross efficiency and sustainability for economic operation. It is also shown that initial carbon-dioxide plume setup phase may not only allow minimizing unsolicited brine co-production, but it may effectively induce well productivity decrease due to geochemical reactions between carbon dioxide, rock and brine. Other concepts where geothermal energy with carbon capture and storage are combined may benefit from the results of this study as well.

Eine schnelle, einfache und seit Jahrzehnten etablierte Methode für die Dimensionierung von Erdwärmesonden-Feldern ist die dynamische Simulation mit analytischen Lösungen, z. B. in Form sog. g-functions. Diese sind in Programmen wie EED, EWS, GEO-HAND^light und auch verschiedenen Python-Toolboxen umgesetzt. Der Einfluss strömenden Grundwassers, insbesondere die individuelle gegenseitige Beeinflussung der Erdwärmesonden in einem Feld und die Begrenzung der Grundwasserströmung auf nur einen Teil der betreffenden geologischen Schichten, wird dort jedoch nicht oder nur rudimentär berücksichtigt.

Im Forschungsvorhaben QEWSplus „Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (Förderung: BMWK, FKZ: 03EE4020, www.qewsplus.de) wurde von der Hochschule Biberach in Kooperation mit der Universität Ulm ein analytisches Rechenmodell implementiert, welches die Berechnung der Auswirkung einer Grundwasserströmung auf die einzelnen Sonden in einem Sondenfeld in Analogie zu den bekannten g-functions berechnet. Das Verfahren schließt an eigene Vorarbeiten aus Van de Ven et al. (2021) an und baut auf Arbeiten von Abdelaziz et. al (2014) sowie Erol and Francois (2018) auf, deren Modellansätze zu diesem Zweck weiterentwickelt wurden.

Das erstellte Rechenverfahren, seine Verifizierung mittels numerischer Simulationen und seine Anwendung werden vorgestellt.

Literatur:

Abdelaziz, S.L., Ozudogru, T.Y., Olgun, C.G., Martin, J.R., 2014. Multilayer finite line source model for vertical heat exchangers. Geothermics 51, 406–416.

Erol, S., François, B., 2018. Multilayer analytical model for vertical ground heat exchanger with groundwater flow. Geothermics 71, 294–305.

Van de Ven, A., Koenigsdorff, R., Bayer, P., 2021. Enhanced Steady-State Solution of the Infinite Moving Line Source Model for the Thermal Design of Grouted Borehole Heat Exchangers with Groundwater Advection. Geosciences 11 (10), 410.

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 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 Speichersystems wurde Ende 2023 ein distributed Geothermal Response Test (dGRT) an einer Erdwärmesonde durchgeführt. Mit einer 6-wöchige Heizphase und den drei verbauten Glasfaserkabel im Innnenrohr, Ringraum und Zement konnten so die thermischen Eigenschaften der Sonde und des umgebenden Gesteins analysiert werden. Besondere Aufmerksamkeit galt der innovativen Isolierung des koaxialen Komposit-Innenrohres, bestehend aus Stahl-PPR-Inliner, die als kostengünstige Alternative zu z.B. vakuuum isolierten Steigrohre die thermischen Verluste an den Ringraum minimieren soll. Dementsprechend wurden neben dem gesamten Bohrlochwiderstand auch die thermische Verluste durch das Innenrohr an den Ringraum untersucht, um somit deren Einfluss auf die Reduzierung der Effizienz einer Erdwärmesonde bewerten.

Abschließend wurden mit den gewonnen in-situ Daten ersten thermo-hydraulische, numerische Modellrechnungen zur resultierenden Effizienz des Speicherdemonstrators und potenzieller zukünftiger Ausbaustufen durchgeführt.

Im Verbundvorhaben QEWSplus "Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme" werden praxisrelevante Aspekte zur Qualitätssicherung und -steigerung oberflächennaher geothermischer Systeme untersucht. Im Rahmen der Systembetrachtung von Erdwärmesonden (EWS) wird ein besonderes Augenmerk auf die verwendeten Verfüllbaustoffe gelegt, da deren Interaktion mit dem Untergrund und deren Anbindung an die Sondenrohre entscheidend für die hydraulische Integrität des EWS-Bauwerks ist. In diesem Beitrag werden Erkenntnisse zum Verhalten verschiedener Verfüllbaustoffe im Untergrund und zur vertikalen hydraulischen Durchlässigkeit von EWS-Systemproben (Systemdurchlässigkeit) vorgestellt.

Werden EWS-Bohrungen verfüllt, tritt die Verfüllsuspension in direkten Kontakt mit dem Untergrund, was je nach Beschaffenheit die Verfüllqualität durch Filtrationsprozesse erheblich beeinflussen kann. Um dies zu untersuchen, wurden von Solites realitätsnahe Filtrationsversuche durchgeführt und in Zusammenarbeit mit Projektpartnern reale EWS in einem Steinbruch erstellt, die anschließend für die Analyse großflächig rückgebaut wurden. Sowohl die Filtrationsversuche als auch die rückgebauten EWS liefern Eindrücke über die Vorgänge während und nach der Verfüllung. Zusätzlich bietet der Rückbau einzigartige Einblicke in die Bohrlochgeometrie, die Lage der Sondenrohre und das potenzielle Auftreten von Lunkern.

Neben den zuletzt genannten Aspekten hängt die Systemdurchlässigkeit maßgeblich vom Kontaktbereich zwischen den EWS-Rohren und dem Verfüllbaustoff ab. Störungen an dieser Grenzfläche konnten mit Versuchsständen am ZAE Bayern reproduzierbar herbeiführt und qualitativ untersucht werden. Bedeutenden Einfluss auf eine Ringspaltbildung hat das rheologische Verhalten der in EWS-Bauwerken eingesetzten PE-Sondenrohre. Besonders kritisch sind Temperaturabsenkungen während des Betriebs zur Gebäudeheizung zu sehen, aufgrund derer Sondenrohre kontrahieren. Dies kann die Integrität des Bauwerks so sehr beeinträchtigen, dass behördliche Auflagen zur Systemdurchlässigkeit nicht mehr erfüllt werden. Mögliche Lösungsansätze werden diskutiert.

Im MALEG Verbundprojekt wird an der Effizienzsteigerung von geothermischer Energieproduktion mit Hilfe von künstlicher Intelligenz geforscht. In diesem Zusammenhang wird sowohl ein Digitaler Zwilling des Geothermiekraftwerks, mit dessen Sensoren und Aktoren, als auch ein Digitaler Zwilling der hydrogeochemischen Prozesse innerhalb des Thermalwasserkreislaufes entwickelt.

Die Energieproduktion in Geothermiekraftwerken ist an die hydrochemischen Grundbedingungen des Fluides geknüpft. Dabei wird durch Druck-, Temperatur-, oder pH-Änderungen das chemische Gleichgewicht des geförderten Thermalwassers verändert, welches zu unkontrollierten Prozessen wie Mineralausfällungen, Ausgasen und Korrosion führen können. Um diese Prozesse besser abbilden zu können, wurde ein Digitaler Zwilling entwickelt. Dieser Zwilling basiert auf der Kopplung eines geochemischen Modellierprogramms (IPhreeqc) und eines numerischen Berechnungsprogramms (MATLAB) via Component Object Model Servers. Dabei werden Modellierungen automatisiert berechnet, übertragen und ausgewertet. Somit lassen sich die neuen geochemischen Gleichgewichtsverhältnisse durch die Parameteränderung direkt ermitteln und interpretieren. Diese Ergebnisse bilden die Grundlade für die Implementierung einer Künstlichen Intelligenz zur Effizienzsteigerung von Geothermiekraftwerken.

Seismische Ereignisse, die im Kontext von Geothermiekraftwerken wie in Landau oder Basel beobachtet wurden, haben zu einer erhöhten öffentlichen Besorgnis hinsichtlich der Geothermie geführt. Zudem ist die räumliche Nähe der Geothermiekraftwerke zu bewohntem Gebiet von entscheidender Bedeutung, um die Bereitstellung von Energie in kurzer Distanz zum Verbraucher zu gewährleisten. Um dem seismischen Aspekt vorhersagend zu begegnen, werden primär Modellierungsansätze für die jeweils gegebenen geologischen und gebäudetechnischen Voraussetzungen gewählt. Die Erfassung von Daten im Hinblick auf induzierte Seismizität konzentriert sich in erster Linie auf das Freifeld. Um die Messdatensätze und Modellierungsdaten um die resultierenden Schwingungen im Gebäude zu ergänzen, wurde ein kontinuierliches Monitoring implementiert. Das Monitoring wurde über einen Zeitraum von zehn Monaten in drei verschiedenen Gebäuden in der Nähe von Geothermie-Kraftwerken durchgeführt. Für die Datenerhebung wurden Geophone eingesetzt, welche auf unterschiedlichen Geschossdecken installiert wurden und die Geschwindigkeiten der Geschossdecken in horizontaler und vertikaler Richtung aufzeichneten. Neben kleineren umwelt- und nutzungsbedingten Erschütterungen konnte auch eine kurze Serie geothermisch induzierter Events aufgezeichnet werden. Im Vortrag werden die aus dem Monitoring gewonnenen Messergebnisse präsentiert. Außerdem werden die Schwingungen hinsichtlich des Aspekts der Gebrauchstauglichkeit nach den Maßgaben der DIN 4150-2 bewertet.

Geothermische Systeme können einen signifikanten Beitrag zur klimaneutralen Wärmeversorgung und Wärmespeicherung liefern. Die Nutzung und Verteilung von geothermischer Wärme ist jedoch oft stark von der Verfügbarkeit bzw. den Ausbaumöglichkeiten von Nah- und Fernwärmenetzen abhängig. Mit dem aktuellen Trend zur Reduktion der Betriebstemperaturen von Wärmenetzen eröffnen sich zunehmend auch wirtschaftlich sinnvolle Anschlussoptionen für geothermische Systeme.

Die Ausbaupotenziale werden allerdings durch einen hohen primären Investitionsbedarf beim Leitungsbau gehemmt, der oft einen Hauptkostenfaktor beim Betrieb der Wärmenetze darstellt. Aus diesem Grund wurden verschiedene Ansätze untersucht, die Potenziale für mögliche Kostenreduktionen beim Neu- und Ausbau von Wärmenetzen bieten. Insbesondere die Herstellung und Verlegung der vergleichsweise komplexen Rohrleitungssysteme stellt einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Deswegen wurde geprüft, ob im Gegensatz zu den üblichen Verlegeformen, bei denen Verbundrohre wie z. B. Kunststoffmantelrohre (KMR) mit einer thermischen Isolation direkt am Rohr eingesetzt werden, eine Vereinfachung der Verlegearbeiten durch den Einsatz simpler (ggf. flexibler) Rohrsysteme erfolgen kann. Der Leitungsgraben wird dabei anschließend mit thermisch geringleitenden Bettungsmaterial zur thermischen Isolation der Rohre gegenüber dem umgebenden Boden verfüllt. Als Bemessungsgrundlage für Planung und Betrieb wird das Gesamtsystem aus Rohrleitung-Bettung-Boden berücksichtigt und ggf. entsprechend den lokalen Randbedingungen angepasst.

In dem Beitrag werden die Ergebnisse einer umfassenden Parameterstudie vorgestellt und die mögliche Potenziale des Ansatzes für den Neu- und Ausbau von Wärmenetzen erläutert.