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Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress, Teilvorhaben: Verifizierung des Toolkits EFECT

Die tiefe Geothermie in Deutschland hat das Potential ein entscheidender Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele zu sein - insbesondere bei der Wärmewende. Hierzu müssen jedoch die Risiken bezüglich der notwendigen Tiefbohrungen, Fündigkeit und Produktion weiter reduziert werden. Dabei ist die mechanische Integrität des Untergrundes entscheidend, beeinflusst sie doch maßgeblich die Reservoirqualität, die Bohrlochstabilität und das Auftreten induzierter Seismizität. Die mechanische Integrität des Untergrundes ergibt sich neben den geomechanischen Gesteinseigenschaften aus der Differenz zwischen minimalen Hauptspannungsmagnitude und dem Porendruck, der minimalen Effektivspannung. Das vorgeschlagene Projekt soll dazu beitragen, die Risiken und Gestehungskosten tiefengeothermischer Projekte in Deutschland zu verringern, indem erstmals Porendruck und somit minimale Effektivspannungen im Rahmen der World Stress Map zur Verfügung gestellt werden. Speziell für die Bohrplanung sind Porendruck und minimale Effektivspannung von zentraler Bedeutung, da sie das optimale Spülungsgewicht, die Rohrabsetzteufen und die Bohrlochstabilität definieren. In einem weiteren Schritt soll daher die neue Datenbank genutzt werden, um ein Bohrrisikomanagement-Toolkit zu entwickeln. Das Toolkit soll es ermöglichen unter Eingabe des Bohrstandorts und Bohrpfads automatisiert eine Vorhersage der minimalen Effektivspannung und Bohrlochstabilität zur Verfügung zu stellen. Das Toolkit wird von einem Industriepartner hinsichtlich seiner Eignung sowie der Sensitivitäten an realen Daten validiert und bzgl. seiner Handhabbarkeit optimiert. Die Verfügbarkeit einer Datenbank zu Porendruck und Effektivspannungen sowie die Bereitstellung eines Toolkits, das eine qualitativ hochwertige und standardisierte Vorhersage dieser Parameter erlaubt, wäre weltweit einzigartig und verschafft der Tiefen Geothermie in Deutschland sowohl sozioökonomische als auch sicherheitsrelevante Vorteile.

Geomechanische Beurteilung und Bohrplanung für Geothermiestandorte mittels Effective Stress

Die tiefe Geothermie in Deutschland hat das Potential ein entscheidender Faktor zur Erreichung der Klimaschutzziele zu sein - insbesondere bei der Wärmewende. Hierzu müssen jedoch die Risiken bezüglich der notwendigen Tiefbohrungen, Fündigkeit und Produktion weiter reduziert werden. Dabei ist die mechanische Integrität des Untergrundes entscheidend, beeinflusst sie doch maßgeblich die Reservoirqualität, die Bohrlochstabilität und das Auftreten induzierter Seismizität. Die mechanische Integrität des Untergrundes ergibt sich neben den geomechanischen Gesteinseigenschaften aus der Differenz zwischen minimalen Hauptspannungsmagnitude und dem Porendruck, der minimalen Effektivspannung. Das vorgeschlagene Projekt soll dazu beitragen, die Risiken und Gestehungskosten tiefengeothermischer Projekte in Deutschland zu verringern, indem erstmals Porendruck und somit minimale Effektivspannungen im Rahmen der World Stress Map zur Verfügung gestellt werden. Speziell für die Bohrplanung sind Porendruck und minimale Effektivspannung von zentraler Bedeutung, da sie das optimale Spülungsgewicht, die Rohrabsetzteufen und die Bohrlochstabilität definieren. In einem weiteren Schritt soll daher die neue Datenbank genutzt werden, um ein Bohrrisikomanagement-Toolkit zu entwickeln. Das Toolkit soll es ermöglichen unter Eingabe des Bohrstandorts und Bohrpfads automatisiert eine Vorhersage der minimalen Effektivspannung und Bohrlochstabilität zur Verfügung zu stellen. Das Toolkit wird von einem Industriepartner hinsichtlich seiner Eignung sowie der Sensitivitäten an realen Daten validiert und bzgl. seiner Handhabbarkeit optimiert. Die Verfügbarkeit einer Datenbank zu Porendruck und Effektivspannungen sowie die Bereitstellung eines Toolkits, dass eine qualitativ hochwertige und standardisierte Vorhersage dieser Parameter erlaubt, wäre weltweit einzigartig und verschafft der Tiefen Geothermie in Deutschland sowohl sozioökonomische als auch sicherheitsrelevante Vorteile.

Sozialgerechte Wärmewende im Wohnungsbestand, Teilvorhaben: Entwicklung und Optimierung einer nachhaltigen Energieversorgung für die Wohngebäude in der Fröbelstraße und Virchowstraße in Goslar

Partizipative und sozialverträgliche Wärmewende im Quartier, Teilvorhaben: Zukunftspfade

Energieforschungsplan EVUPLAN, Ermittlung geothermischer Wärme- und Kälteversorgungspotenziale (Greta)

a) Zielstellung, fachliche Begründung: Geothermie kann einen wichtigen Beitrag bei der Dekarbonisierung der deutschen Energieversorgung leisten. Die Optionen zur Wärmespeicherung im Untergrund und die hohe Effizienz der geothermischen Wärmeversorgung in der direkten Nutzung und bei der Aufwertung durch Wärmepumpen machen sie zu einer tragenden Säulen der Wärmewende. Darüber hinaus kann über die geothermische Nutzung des Untergrund der absehbar steigende Energiebedarf für Kühlungsanwendungen bedient werden. Diese Beiträge gilt es, aufbauend auf bisherigen Untersuchungen, verlässlicher zu quantifizieren und gerade die Ressourceneffizienz, die Sektorenkopplungseigenschaften sowie die Wirtschaftlichkeit in vergleichenden Zusammenhang mit anderen Wärmequellen zu stellen. Zur Bewertung der Ressourcenverfügbarkeit ist das erschließbare Potenzial der geothermischen Wärme- und Kältebereitstellung und -speicherung genauer zu bestimmen. b) Output: Im Vorhaben werden oberflächennahe und tiefe Geothermie wegen der Überschneidung der Nutzbarkeitsbereiche bei der Wärmespeicherung, bei Aufwertungsoptionen und dem Vorliegen von Potenzialen für eine leitungsgebundene Wärmenachfrage gemeinsam adressiert. Um eine belastbare Datenbasis zu erhalten, werden eine Vielzahl von Daten zu den Eigenschaften der untertägigen Ressourcen zusammengestellt und ergänzt. Mit dem erzielten Ergebnis wird eine Bewertung des wirtschaftlichen Potentials der Geothermie auf dem Gebiet der Bundesrepublik Deutschland möglich sein.

Integration des 'Geothermal-Hub'-Konzepts in das Wärmeversorgungssystem eines Forschungscampus, Teilvorhaben: Fernwärmetransformationsplan und Systemmodellierung

Geothermie für die Wärmewende: Flankierung des Rollouts der Mitteltiefen Geothermie in Deutschland, Teilvorhaben: Kostenverteilung und regionalökonomische Effekte

Erdwärme kann als erneuerbare Energiequelle fossile Energieträger mehr und mehr ersetzen und damit zum Klimaschutz beitragen und Wertschöpfung vor Ort schaffen. Trotz großer Potenziale ist der Anteil der Wärme aus tiefer Geothermie noch sehr gering. Ziel der Bundesregierung ist es, diesen Anteil in den nächsten Jahren deutlich zu erhöhen. Ein zentrales Hemmnis zum bundesweiten Ausrollen der tiefen Geothermie für die kommunale oder gewerbliche Wärmeversorgung ist das ungünstige Verhältnis hoher Anfangsinvestitionen gegenüber den späteren moderaten Betriebskosten. So ist für die Planung und erfolgreiche Umsetzung eines Geothermieprojekts eine geowissenschaftlich fundierte Datenbasis unerlässlich. Weitere wichtige Hemmnisse für die Umsetzung von Projekten sind das Fündigkeitsrisiko, die Finanzierung von Projekten und die Akzeptanz von Netzbetreibern, Kommunen sowie der Bevölkerung vor Ort. Zentrales Ziel des Projekts Warm-UP ist es, den Roll-Out der Mitteltiefen, hydrothermalen Geothermie im Bereich der Wärmenutzung zu unterstützen. Das Teilvorhaben des IÖW zielt hierbei insbesondere darauf ab, sozioökonomische Hemmnisse und Erfolgsfaktoren herauszuarbeiten, um darauf aufbauend Empfehlungen zur lokalen Ausgestaltung für einen wirtschaftliche Integration der Mitteltiefen Geothermie unter Akzeptanz der lokalen Stakeholder abzuleiten. Die Ergebnisse fließen ein in die Weiterentwicklung obertägiger Bewertungskriterien für Explorationskampagnen.

Wärmespeicher für moderne Gebäude - Wohlfühlen und Geldsparen für die Wärmewende

Zielsetzung: Kaufentscheidungen werden zunehmend von Nachhaltigkeitsgedanken beeinflusst. Bei Gebäuden ist eine nachhaltige Entscheidung eine Entscheidung gegen Stahl und Beton, denn diese Baustoffe verursachen bereits bei der Gewinnung nicht vertretbare Mengen an CO2 (500-800kg CO2 /m² bei Massivbauten (DGNB)). Zudem sind sie nicht oder nur eingeschränkt recyclingfähig. Trotzdem fällt es vielen Kund:innen nach wie vor schwer in dieser „Once in a lifetime“-Entscheidung die ökologische Alternative, wie z. B. die Holzbauweise, zu wählen. Ein Grund sind die thermischen Eigenschaften solcher Leichtbauten. Die MELT-Ing GmbH ist eine Ausgründung der Hochschule Mannheim. Die Gründer forschen schon seit 10+ Jahren an Wärmespeicherlösungen. Das Produkt der jungen Firma sind sogenannte MELT-Plates. Das sind dünne und frei skalierbare Wärmespeicherplatten auf Basis von Phasenwechselmaterialien (PCM) die für den Einsatz in Gebäuden in ökologischer Leichtbauweise optimiert wurden. Sie können im Neubau oder bei Dachsanierungen in die Gebäudestruktur integriert werden und speichern in 1,2 cm die gleiche Wärmemenge wie eine 20 - 30 cm Betonwand. - Im Sommer bieten sie einen passiven Überhitzungsschutz - in den Übergangszeiten werden Schwankungen durch passive Pufferung reduziert und damit die Heizperiode verkürzt - im Winter ermöglichen sie Flexibilität für moderne Heizsysteme mit Wärmepumpen und erneuerbarem Strom Die Zielgruppe sind in erster Linie Hersteller:innen von Gebäuden in Leichtbauweise - zum Beispiel Holzfertighausbau, Modulbau, serielles Sanieren, temporäre Bauten - Unternehmergruppen auf die Trends effiziente serielle Vorfertigungen und ökologische Baumaterialien aufsetzen. Die MELT-Ing hat sich zum Ziel gesetzt die Wärme- und Bauwende als größte Hebel der Transformation gleichzeitig zu adressieren. Die größten Herausforderungen für das Startup sind neben langen Entscheidungsprozessen und unterschiedlichen Interessen verschiedener Akteure die aufwendige Zertifizierung neuer Bauprodukte und die Integration ihres Produktes in etablierte Gebäudekonstruktionen.

Erneuerbare Wärmenetze für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung ländlicher Siedlungen

Der ländliche Raum stellt eine besondere Herausforderung für die Wärmewende dar. Während in den Städten auf einen deutlichen Ausbau der Fernwärme gesetzt wird, findet regenerative Nahwärmenetze in ländlichen Siedlungen bisher zu wenig Berücksichtigung in den Studien für die Wärmewende. Hier setzt das Projekt ruralHeat an. Das Projektziel ist zum einen die wissenschaftliche Begleitung von Planung und Umsetzung der solaren Nahwärme in Bracht und Rüdigheim sowie zum anderen die Übertragbarkeit auf andere ländliche Siedlungen. Die Innovation in Bracht und Rüdigheim liegt darin, dass über 70% des Wärmebedarfs durch Solarwärme in Verbindung mit einem saisonalen Wärmespeicher gedeckt wird. Somit ist die Solarthermie nicht mehr ein 'fuel saver', sondern der Hauptwärmeerzeuger. Komplettiert wird das System mit einer Großwärmepumpe zur Speicherentladung und zwei Holzkesseln für die Spitzenlast. Das 100% regenerative Nahwärmekonzept ist zudem günstiger und wesentlich schneller umsetzbar als Maßnahmen an Einzelgebäuden (energetische Sanierung, Umstellung der Heizung). Die wissenschaftliche Begleitung unterstützt die beiden Bürgergenossenschaften bei Planung und Bau durch Simulationen zum Betrieb und Regelung der komplexen Anlage. Die Ergebnisse aus den beiden Demonstrationsanlagen sollen anhand von 10 Fallstudien auf die Übertragbarkeit auf andere ländliche Gebiete geprüft werden. Hierbei werden auch weitere technologische und energiewirtschaftliche Konzepte für 100% erneuerbare Nahwärmelösungen betrachtet und verglichen. Aus den Erkenntnissen wird ein webbasiertes Vorauslegungstool entwickelt, dass interessierten Kommunen oder Bürgerinitiativen bereits im frühen Stadium (d.h. mit wenig Inputdaten) eine Vorauswahl möglicher Nahwärmelösungen auf Basis erneuerbarer Wärme ermöglicht. Das Ziel des Vorauslegungstools ist somit eine Lenkungswirkung hin zur EE-Wärme und eine Hilfestellung für Kommunen, um den Aufwand für die Betrachtung möglicher Varianten zu reduzieren.

Datenraum Energie: Digital vernetzte kommunale Wärmeplanung in Quartieren mit unterschiedlichen Siedlungstypologien

Zielsetzung des Vorhabens AI-X Heat ist es, die kommunale Wärmeplanung als einen Teil des urbanen Datenraums aufzubauen und mit einer IKT- und Dateninfrastruktur in Form einer offenen, interoperablen und standardisierten Plattform für ein weitergehendes Ökosystem in der urbanen Energieversorgung zu verbinden, so dass sich die Wärmewende in die Energiewende und den übergreifenden gesellschaftlichen Wandel zur Datengesellschaft einfügt. AI-X HEAT will damit am Beispiel der Stadt Aachen die kommunale Wärmeplanung auf die nächste Ebene mit einer kontinuierlichen Fortschreibung bringen und die Basis für die kontinuierliche automatisierte Fortschreibung mit Schnittstellen zu weiteren Aktivitäten legen. Nur so können alle Akteure die Erfolge der Maßnahmen und die Erreichung der gesetzten Ziele kontrollieren. Auf Basis dieser neuen Datenstruktur werden als Ergebnis aus diesem Vorhaben mit den Projektpartnern der Stadt Aachen, der regio IT, heatbeat nrw, und der RWTH vier für die Wärmewende bedeutende Ergebnisse erzielt: 1. Eine Ausbauplanung der bestehenden Wärmenetze unter Berücksichtigung besonderer Anforderungen des Denkmalschutzes, so dass alle Immobilienbesitzer und Nutzer frühzeitig einen möglichen Anschluss an eine städtische Wärmeversorgung einplanen können. 2. Eine Ausweisung von Vorzugsgebieten für den Einsatz von Wärmepumpen, PV-Anlagen, und KWK-Lösungen, die als Ergänzung zu den Wärmenetzen durch einen abgestimmten und netzdienlichen Betrieb dienen. 3. Eine Beispielplanung anhand der aus den Daten gewonnen Informationen für zwei Quartiere mit unterschiedlicher Siedlungstypologie 4. Ein Informations- und Visualisierungssystem, mit dem für unterschiedliche Akteure erste Informationen aus der neuen Plattform verfügbar gemacht werden können.

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