Das Geothermie-Informationssystem (GeotIS) ist das Informationssystem für die Abschätzung des Geothermiepotentials in Deutschland. GeotIS besteht aus (i) Informationen zur Nutzung Von Geothermie, (ii) einer E-Learning-Plattform und (iii) einer Kartenanwendung zur Erkundung der geothermischen Untergrundbedingungen vor Ort. GeotIS basiert auf Daten von mehr als 30.000 Bohrungen, hauptsächlich Erdöl und Erdgas-Bohrungen, aber auch Geothermiebohrungen und anderen. Vor kurzem wurde GeotIS mit einem Ampelkarten-System erweitert, um das Potenzial der oberflächennahen Geothermie zu erstellen.

Behörden verlangen die Verwendung von numerischen Modellen, um nachzuweisen, dass geothermische Anlagen (z. B. > 30 kW) die Untergrundbedingungen innerhalb zulässiger Grenzen verändern. Der Finite-Elemente-Software FEFLOW wird in vielen geothermischen Projekte aufgrund seiner Vielseitigkeit zur Modellierung von Grundwasserströmung, Massentransport und Wärmetransport unter variablen und vollständig gesättigten Bedingungen angewendet. FEFLOW wurde zur Modellierung von Anlagen mit wenigen bis Hunderten Erdwärmesonden verwendet.

In dieser Studie stellen wir einen neuen Workflow vor, der GeotIS-Datensätze halbautomatisch in FEFLOW verwendet. Der potenzielle Standort von Erdwärmesonden wird auf Grundlage der von GeotIS prognostizierten Machbarkeit ausgewählt. Datensätze wie die mittlere Untergrundtemperatur und hydrothermale bzw. petrophysikalische Parameter von GeotIS werden verwendet, um das FEFLOW-Modell zu parametrisieren. Das numerische Modell, das Grundwasserströmung und Wärmetransport einbezieht, wird verwendet, um die Machbarkeit der neuen Anlage am ausgewählten Standort zu bestätigen (oder nicht). Der Workflow ist standortunabhängig und kann angewendet werden, um das Potenzial oberflächennaher Geothermie in mehreren Bundesländern zu testen.

Bei den erdgekoppelten Wärmepumpen, die oberflächennahe geothermische Quellensysteme nutzen, dominieren bislang Erdwärmesonden. Erdwärmekollektoren haben inzwischen einen signifikanten Anteil und gewinnen im Zusammenhang mit Kalten Nahwärmenetzen weiter an Bedeutung. Als Beispiel kann angeführt werden, dass laut Aussage des Bundesverband Geothermie, im Dezember 2018,der Marktanteil dieser Quellensysteme bei 35 % lag. Für diese Art Quellensystemen gibt es jedoch noch keine allgemein anerkannte Möglichkeit, das thermische Verhalten im Untergrund zu bestimmen, wie es für Erdwärmesonden mit einem TRT der Fall ist.

Im Verbundvorhaben „QEWSplus – Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (FKZ: 03EE4020) werden im Teilprojekt 1: „erweiterte thermische Testmethoden“ untersucht. Es wird ein Verfahren und ein Messgerät entwickelt, um Grabenkollektoren zu charakterisieren. Aufbauend auf Erfahrungen mit klassischen TRT-Geräten wurde ein modular erweiterbares Testgerät entwickelt, um neben Erdwärmesonden auch Erdwärmekollektoren untersuchen zu können. Das neuartige Testgerät ermöglicht die Beheizung oder Kühlung der Quellensysteme. Da Erdwärmekollektoren bei Wärmeentzug den Phasenwechsel des im Boden enthaltenen Wassers nutzen, bringt das Kühlen der Quellensysteme Herausforderungen mit sich. Wasser scheidet als Wärmeträgermedium aus, da das Temperaturniveau unter dem Gefrierpunkt liegt. Dadurch müssen Wasser-Glykol-Mischungen verwendet werden. Deren Dichte und Wärmekapazität müssen von dem Testgerät bestimmt werden, um ein exaktes Ergebnis zu bekommen. Zudem werden ein weiterentwickelter Testablauf sowie eine neue Auswertemethodik benötigt, welche den Phasenwechsel des Erdreichs berücksichtigen.

Für erste Testmessungen mit diesem neuen Gerät wurde am Testfeld der Hochschule Biberach ein Grabenkollektor verbaut und mit Messtechnik ausgestattet. In diesem Beitrag sollen das Konzept, die Konstruktion und der Aufbau des Testgerätes vorgestellt werden sowie Erfahrungen mit ersten Testmessungen im Geothermietestfeld der HBC.

Aufgrund der Abschaltung des RWE-Kohlekraftwerkes Weisweiler im Jahre 2029, das Wärme für Fernwärmenetze im Rheinischen Revier bereitstellt, werden Alternativen für die klimaneutrale, kommunale Wärmeversorgung gesucht. Hierbei könnte die mitteltiefe und tiefe Geothermie eine wichtige Rolle einnehmen, um einzelne Gebäude, Quartiere, Industriegebiete und ganze Stadtteile der Stadt Aachen mit regenerativer Fernwärme zu versorgen. Im Rahmen der Geothermie-Erkundung und des Aufbaus eines Forschungsstandortes in Weisweiler, wurden vom RWE Bohrbetrieb im Oktober 2023 eine 100 m tiefe und im Februar 2024 eine ca. 500 m tiefe Erkundungsbohrung abgeteuft. Im Nachgang wurde die erste Bohrung zu einem seismologischen Observatorium ausgebaut und in der zweiten Bohrung eine Doppel-U-Erdwärmesonde eingebaut. Beide Bohrungen sind bis zur Endteufe mit Glasfaserkabeln ausgestattet. In der zweiten Bohrung ist ein Enhanced Geothermal Response Test zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeiten des Oberkarbons durchgeführt worden. Die Auswertungen der geologischen und geophysikalischen Daten geben Aufschlüsse über die Verteilung von tertiären und paläozoischen Ablagerungen auf dem Weisweiler Horst der Niederrheinischen Bucht. Die paläozoischen Gesteine der Inde Mulde des Rhenoherzynischen Falten- und Überschiebungsgürtels stehen in beiden Bohrungen bei 70 m an. Die gewonnen Daten erlauben Rückschlüsse auf die Ablagerungssequenzen (Zyklotheme) im Oberkarbon sowie strukturelle und petrophysikalische Eigenschaften der identifizierten Ton-/Silt-/Sandstein/Steinkohlen Wechselfolgen. Mit Hilfe der stratigraphischen Grenzen der Basis Breitgang und Basis Aussenwerke Formation können Strukturmodelle aktualisiert und die Teufenlage der unterkarbonischen Kohlenkalke weiter eingegrenzt werden. Die Bohrungen dienen als erste Maßnahmen für die Erkundung tieferer Schichten im Raum Weisweiler. Für die kommenden Jahre sind seismische Vermessungen sowie Tiefbohrungen von den verschiedenen Partnern geplant.

Geothermie ist eine wichtige Säule für die Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung. Bei der Nutzung von Erdwärmesonden ist zu beachten, dass die aus dem umgebenden Erdreich nachströmende Wärme die Entzugsenergie der Erdwärmesonden in der Regel nicht ausgleicht. Somit ist der Untergrund häufig nicht als Energiequelle im eigentlichen Sinne zu betrachten, sondern vielmehr als Energiespeicher. Da Wärmepumpen besonders bei einem niedrigen Temperaturhub (Differenz zwischen Heizungsvorlauf- und Quellentemperatur) effizient sind, ist die Temperatur der Erdwärmesonden eine wichtige Größe. In Normen und Leitfäden sind Betriebsgrenzen für die Temperaturen von Erdwärmesondenanlagen festgelegt, die zum einen die Sicherheit, zum anderen aber auch den langfristigen und effizienten Betrieb der Anlagen sicherstellen sollen. Die aktuellen Regeln, die bei der Dimensionierung beachtet werden müssen und wie deren Einhaltung im Betrieb sichergestellt werden, werden in diesem Beitrag zusammengefasst. Anschließend wird eine reale Beispielanlage mit dem marktüblichen Simulationswerkzeug EED (Earth Energy Designer) anhand mehrjähriger Messdaten nachsimuliert und eine Prognose für den langfristigen Verlauf der Sondentemperaturen erstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für weitergehende Untersuchungen, in denen der Einfluss verschiedener Optionen der thermischen Regeneration des Untergrunds, wie Solarthermie, Abwärme, und Gebäudekühlung, als auch baulicher Maßnahmen auf die Temperaturprognosen ermittelt wird. Darüber hinaus wird geprüft ob eine genauere Untersuchung der Grundwasserbedingungen und eine entsprechende Simulation, die diese berücksichtigt, zu signifikanten Unterschieden bei der Prognose führen. Unter Umständen ist dadurch die aktive Regeneration des Untergrunds nicht nötig. Abschließend werden Kosten- und Energieabschätzungen gemacht und daran die Ergebnisse bewertet.

Das Verbundvorhaben „Geo-Resume“ (FKZ 03EE4021) wird mit Mitteln des Landes Niedersachsen und des BMWK gefördert.