ANGUS-Symposium 2021: Geologische Energiespeicher können Beitrag zu erfolgreicher Energiewende in Schleswig-Holstein leisten

18.06.2021

Projekt ANGUS II an der Uni Kiel zieht Bilanz

Das neue Klimaschutzgesetz sieht bis 2030 eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 65 Prozent vor. Bis 2045 soll Deutschland dann komplett klimaneutral sein. Um diese Ziele zu erreichen, müssen sehr schnell regenerative Energiequellen in erheblichem Ausmaß erschlossen werden, damit fossile Energiequellen in den Sektoren Strom, Verkehr und Wärme ersetzt werden können. Einen Beitrag zu dieser Energiewende leistet das Projekt ANGUS II (Auswirkungen der Nutzung des Geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher). Unter Leitung von Professor Sebastian Bauer und Professor Andreas Dahmke vom Institut für Geowissenschaften an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat das Verbundprojekt die Potenziale untertägiger Energiespeichertechnologien im Modellgebiet Schleswig-Holstein ausgelotet. Die Erkenntnisse und entwickelten Methoden stellten die Projektverantwortlichen, -träger und -beteiligten heute (Donnerstag, 17. Juni) der Fachöffentlichkeit im Rahmen des digitalen Symposiums „Energiespeicher im geologischen Untergrund“ vor. Im Zentrum des Forschungsprojektes standen die Integration saisonaler geologischer Wärme- und Gasspeicher in bestehende und zukünftige Energienetze sowie deren potenzielle Umweltauswirkungen.

Begrüßt wurden die Teilnehmerinnen und Teilnehmer unter anderem von Johannes Grützner, Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt, Natur und Digitalisierung des Landes Schleswig-Holstein: „Wir stehen insbesondere bei der Wärmewende noch vor sehr großen Herausforderungen. In Ballungsgebieten können saisonale (Untergrund-) Wärmespeicher gemeinsam mit Wärmenetzen verschiedene Erneuerbare Energien und Abwärme langfristig und stabil nutzbar machen. Das ANGUS-Projekt hat in hervorragender Weise wesentliche Grundlagen entwickelt und wichtige Fragestellungen für solche Lösungen bearbeitet. Nun kommt es darauf an, die Ergebnisse in die Praxis umzusetzen.“

Den Impulsvortrag hielt Professor Georg Teutsch vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig. Teutsch: „Der Klimawandel und seine Folgen sind globale Phänomene mit weltweiten Auswirkungen, die jedoch vor allem auf nationaler, regionaler und lokaler Ebene bewältigt werden müssen. Dabei sind wir alle gefordert, Klimaschutz aktiv voranzutreiben, indem Expertise gebündelt wird, Mitigationsstrategien und Anpassungsmaßnahmen gemeinschaftlich entwickelt und in der Praxis umgesetzt werden. Zukünftig werden Dürreperioden und Extremereignisse zunehmen und das ‚neue Normal‘ werden. Die Nutzung von thermischen Speichern im Untergrund ist hier eine wertvolle Maßnahme, die Auswirkungen des Klimawandels für intelligente Anpassungsmaßnahmen zu verwenden“. Als eine Lösungsstrategie beschreibt Teutsch dabei quantitative System-Managementmodelle, die den saisonalen Wasser- und Wärmehaushalt des natürlichen Systems für eine Region insgesamt detailliert und prognosefähig abbilden, eine Technik die auch als „Digitaler Zwilling“ bekannt ist.

Nutzungspotenziale des geologischen Untergrundes

„Wir sind am Beispiel von Schleswig-Holstein der Frage nachgegangen, ob und wie der geologische Untergrund für die Energiespeicherung genutzt werden kann“, erklärt Andreas Dahmke. Dafür war zunächst die Beschreibung des in der Beispielregion Schleswig-Holstein zur Verfügung stehenden Geosystems notwendig. Auf dieser Basis konnten von den ANGUS II-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gekoppelte Modelle erstellt und validiert werden, die zukünftige Energiesysteme mit Berücksichtigung von erneuerbaren Erzeugungskapazitäten wie z.B. Windparks oder Solaranlagen, energietechnische Anlagen wie etwa Kraftwerke oder Wärmepumpen sowie die untertägigen geologischen Speicher und deren Speicherpotenziale quantitativ abbilden. „Mit so einem integrierten Ansatz lassen sich plausible Szenarien zur Transformation unseres Energiesystems in den kommenden Jahrzehnten entwickeln“, ergänzt Sebastian Bauer.

Geotechnische Energiespeicher bieten sowohl große Speicherkapazitäten als auch die Möglichkeit, Energie über Monate oder sogar Jahre zu speichern. Sebastian Bauer erläutert weiter: „Mit der im Projekt neu entwickelten Kopplung von Energiesystemmodell, Anlagenmodell und Geospeichermodell kann systematisch die Integration der Geospeicher in die Energienetze detailliert untersucht und die im zukünftigen Energiesystem erforderlichen Leistungen und Kapazitäten konsistent bestimmt werden. Damit ist ein flexibles Planungsinstrument für die Auslegung und Dimensionierung von geologischen Energiespeichern geschaffen worden.

Umweltverträglichkeit geologischer Speichersysteme

Ein Untersuchungsschwerpunkt im ANGUS II-Vorhaben war zudem die Untersuchung der Umweltauswirkungen von untertägigen saisonalen Wärmespeichern, die zwischenzeitlich in anderen Forschungsvorhaben noch weiter vertieft werden konnte. „Es treten bei unterirdischen Wärmespeichern thermisch induzierte, hydrochemische Veränderungen sowie Veränderungen der Funktionalität des Aquiferbioms, also der mikrobiologischen Lebensgemeinschaften im Untergrund, auf. Diese lassen sich jedoch gut in ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik prognostizieren. Mithilfe unserer Ergebnisse stehen nun Ansätze bereit, um bei geplanten Vorhaben für geologische Wärmespeicher im Vorwege mögliche Umweltauswirkungen einzugrenzen“, erläutert Andreas Dahmke.

Einen Teil der erarbeiteten Prognosemethoden konnten die Forschenden auf dem eigenen experimentellen Testfeld der CAU verifizieren. Die Ergebnisse der Projektarbeiten zeigten demnach auch, dass untertägige saisonale Wärmespeicher für viele Betriebsszenarien und Wärmebedarfsdichten nur einen relativ geringen Anteil des untertägigen Raums thermisch stark verändern würden. Bauer: „Geologische Energiespeicher für Gas und Wärme können in allen betrachteten Ausbauszenarien unseres zukünftigen Energiesystems einen Beitrag zur Stabilisierung der Energieversorgung leisten und so den notwendigen Übergang zu 100 Prozent erneuerbaren Energien unterstützen.“

Sehr hohe Speicherpotenziale im schleswig-holsteinischen Untergrund

Für Schleswig-Holstein wurden anhand der im ANGUS II Projekt entwickelten Methodik große geologische Speicherkapazitäten für tiefe Porengasspeicher für Wasserstoff, synthetisches Methan beziehungsweise Druckluft erfasst. „Aufgrund der sehr großen geeigneten untertägigen Räume werden wir auch bei hohen Speicherbedarfen nur einen sehr geringen Anteil für geologische Energiespeicher benötigen“, so Projektleiter Andreas Dahmke. Damit stünden für Energiespeicher im Untergrund ausreichend Speichertechnologien, große potenzielle Kapazitäten und eine große Spannbreite an erreichbaren Speicherraten zur Verfügung.

Auch für Wärmespeicher, die näher an der Erdoberfläche liegen, gäbe es große Potenziale, sagt Bauer: „Mittels der in ANGUS II entwickelten numerischen Methoden lassen sich saisonale untertägige Wärmespeicher systematisch in komplexe zukünftige Wärmeversorgungskonzepte von Städten integrieren und im Hinblick auf ihre Effektivität, Effizienz und dem damit verbundenen untertägigen Raumbedarf und die Wärmeverteilung bewerten.“ Da hierbei der Wärmebedarf eine große Rolle spielt, wurden zur Abschätzung des gebäudespezifischen Wärmebedarfs in Schleswig-Holstein neue GIS-Methoden entwickelt, anhand von Messdaten überprüft und angewendet. Diese werden nun beispielsweise in Kooperation mit der Landeshauptstadt Kiel und dem MIT in Cambridge, USA, genutzt, um effiziente Ansätze für eine energetische Gebäudesanierung zu ermitteln.

Die im ANGUS-Projekt entwickelten Methoden und Ansätze werden bereits bei der Planung und dem anschließenden Bau von Demonstrationsvorhaben zu großtechnischen geologischen Wärmespeichern in Hamburg im Rahmen der Reallaborvorhaben IW3 und Tiefstack bzw. im Rahmen der Entwicklung eines neuen Energiekonzepts der CAU eingesetzt.