Aktuell laufende Projekte am KGE

GEWS

Entwicklung und Bau eines tiefenhorizontierten Geologischen Eis-Wärme-Speichersystems als Demonstrationsanlage auf dem Testfeld TestUM/Wittstock. Vorhaben: Technologische Umsetzung und Betrieb, numerische Modellierung, hydrogeochemische Auswirkungsuntersuchungen

Infolge des voranschreitenden Klimawandels und damit verbundener sommerlicher Hitzewellen wird der Kühlungsbedarf in den nächsten Jahren stark zunehmen. Insbesondere in urbanen Räumen besteht deshalb die Notwendigkeit, ganze Quartiere und Stadtteile vor den Auswirkungen extremer Wärme zu schützen. Konventionelle Eis-Wärme-Speicher stellen eine Möglichkeit zur Kühlung dar, wobei hierfür zumeist künstliche Behältnisse eingesetzt werden. Abgesehen von begrenzten Volumina und vergleichsweise hohen Investitionskosten stehen diese Speicher in räumlicher Konkurrenz zur obertägigen Flächennutzung. Ähnliche Nutzungseinschränkungen bestehen für Speichersysteme, welche eine Vereisung oberflächennaher Bereiche vorsehen. Hierbei können insbesondere negative geomechanische Effekte auftreten.

Mit dem Verbundprojekt GEWS (Geologisches Eis-Wärme-Speichersystem) soll erstmalig die Nutzung von Grundwasserleitern vorrangig zu Kühlzwecken erprobt werden. Im Unterschied zu konventionellen Eis-Wärme-Speichern werden hierbei aktive thermische Isoliersysteme in Erdwärmesonden eingesetzt, welche gezielte, tiefenhorizontierte Vereisungs- und Auftauprozesse im geologischen Untergrund ermöglichen. Es ist geplant, kostengünstige und skalierbare GEWS-Anlagen für Lockersedimente zu entwickeln, welche auf die Randbedingungen im urbanen Raum ausgelegt werden, da hier der größte Kühlbedarf besteht. Mit den geplanten Untersuchungen sollen die GEWS-Technologie entwickelt sowie deren Umweltauswirkungen und Wirtschaftlichkeit bestimmt werden.

Das Verbundprojekt gliedert sich in fünf Teilprojekte. Im Zentrum des ersten Teilprojekts steht die Erprobung und Weiterentwicklung der Technologie zur Vereisung bzw. zum Auftauen wasserführender geologischer Schichten. Die Experimente finden auf einem Testfeld nahe dem brandenburgischen Wittstock statt. Mit Hilfe geophysikalischer Monitoringverfahren soll der räumliche Vereisungsstatus im Umfeld eines oberflächennahen Grundwasserleiters überwacht werden. Das zweite Teilprojekt fokussiert auf die Erfassung und Bilanzierung der eingesetzten thermischen und elektrischen Energieflüsse bei den Gefrier- und Auftauprozessen. Diese Untersuchungen werden von numerischen Simulationen begleitet, welche in ein Modellierungswerkzeug zur Prognose der zeitlich-räumlichen Dynamik der Vereisungs- und Auftauprozesse münden soll. Im dritten Teilprojekt werden die potentiellen hydrogeochemischen und mikrobiologischen Effekte von GEWS-Anlagen bestimmt. Mit dem vierten Teilprojekt sollen GEWS hinsichtlich Kosten und Treibhausgasemissionen betrachtet sowie deren mögliche Rolle bei der Transformation von Wärmeversorgungssystemen bestimmt werden. Ein fünftes Teilprojekt befasst sich mit der numerischen Modellierung möglicher Oberflächendeformationen, die infolge des Gefrieren und Auftauens durch die Verformung des Untergrundes verursacht werden können.

Laufzeit:

  • 01.10.2021-30.09.2023

Förderung:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Fachprogramm Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N) im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3)“: FKZ 03G0907A-C

Verbundpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung – UFZ GmbH
  • Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie – Fraunhofer IE

Verbundkoordination:

  • Prof. Dr. Andreas Dahmke
    Institut für Geowissenschaften
    Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Testfeldkoordination:

  • Dr. Götz Hornbruch
    Institut für Geowissenschaften
    Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

 

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Norddeutsches Reallabor - Teilvorhaben "Aquiferspeicher - Planung und Bau zur saisonalen Speicherung von Ab- und Überschusswärme"

Mit dem Norddeutschen Reallabor (NRL) als länderübergreifendem Verbundprojekt soll die ganzheitliche Transformation des Energiesystems erprobt und so der Weg zu einer schnellen Dekarbonisierung aller Verbrauchssektoren demonstriert werden. Das Vorhaben zeichnet sich durch seinen gesamtsystemischen Ansatz aus. Dabei legt es den Fokus auf zwei Technologiebereiche, die groß-flächig, technologieoffen sowie markt- und realitätsnah erprobt werden sollen: integrierte Sektorkopplung mit Schwerpunkt Wasserstoff sowie energieeffiziente Quartierslösungen vorrangig im Wärmebereich.

Die Modellregion des Norddeutschen Reallabors umfasst die Bundesländer Hamburg und Schleswig-Holstein, das westliche Mecklenburg-Vorpommern sowie Bremerhaven. Das Projekt bündelt unterschiedliche Sektorkopplungsvorhaben in geografischen „Hubs“, die sich an der Netztopologie des Strom- und des Gasnetzes orientieren. An leistungsfähigen Knotenpunkten werden Wasser-stoffproduktionsschwerpunkte geschaffen, um lokale Verbrauchschwerpunkte schrittweise zu dekarbonisieren. Durch skalierbare Innovationen sollen wirtschaftliche Impulse für die Durchdringung und Entwicklung von neuen Märkten ausgelöst werden.

Hierzu hat sich eine einzigartige Energiewende-Allianz aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik gebildet, bestehend aus 23 Förderpartnern, 25 assoziierten Partnern sowie 6 Behörden und Ministe-rien der beteiligten Landesregierungen. Diese Partner decken die gesamte Energie-Wertschöpfungskette ab – von der Erzeugung über den Transport und die Speicherung bis zum Verbrauch von Energie. Derzeit sind im NRL 25 verschiedene Projekte geplant.

Mithilfe von 22 Demonstratoren werden relevante Verbrauchsbereiche in der Industrie, der Wärmeversorgung und dem Mobilitätssektor sukzessive dekarbonisiert. So umfasst das Norddeutsche Reallabor beispielsweise acht Elektrolyseure mit einer Wasserstoff-Erzeugungskapazität von 42 MW. Sie dienen insbesondere dazu, fossile Energieträger in industriellen Prozessen durch Wasserstoff bzw. dessen Folgeprodukte zu ersetzen. Außerdem werden im NRL drei Projekte umgesetzt, die eine Abwärmenutzung in einem Umfang von 700 GWh pro Jahr ermöglichen. Im Rahmen der NRL-Aktivitäten im Mobilitätssektor werden mehrere Wasserstoff-Tankstellen und über 200 Fahrzeuge in unterschiedlichen Nutzungsszenarien erprobt.

Mit dem Norddeutschen Reallbor soll somit der Transformationspfad erprobt werden, der eingeschlagen werden muss, um das Erreichen der bundesweiten Klimaziele zu sichern. Zugleich soll die industrielle Umsetzung der Sektorkopplung in der Region beschleunigt und der Markthochlauf von Wasserstoff-Technologien gefördert werden. Es werden innovative und klimafreundliche Produktionsverfahren und -prozesse für die Dekarbonisierung der Industrie erprobt. Dabei sollen Skaleneffekte realisiert und eine rechtzeitige Technologieentwicklung und Markteinführung auf Erzeuger- und Abnehmerseite angestoßen werden, die den langen Investitionszyklen von Industrieprozessen Rechnung tragen.

Das NRL baut auf dem SINTEG-Projekt NEW 4.0 (12/2016-03/2021) auf. Dessen Demonstratoren, Infrastrukturen sowie die im Projekt erworbenen tiefen Systemverständnis von Region, Akteuren, Herausforderungen und Lösungen legen den Grundstein dafür, im Norddeutschen Reallabor die Dekarbonisierung aller Verbrauchssektoren voranzutreiben.

Das Großprojekt hat eine Laufzeit von fünf Jahren (04/2021-03/2026). Es ist Teil der Förderinitiative „Reallabore der Energiewende“ und wird mit rund 52 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Das Gesamtinvestitionsvolumen der beteiligten Part-ner beträgt rund 300 Millionen Euro. Weitere Förderungen anderer Bundesministerien werden erwartet.

Mit den im Projektzeitraum geplanten Vorhaben können zwischen 350.000 – 500.000 t CO2-Emissionen pro Jahr eingespart werden. Der großskalige, überregionale Ansatz des Norddeutschen Reallabors verleiht ihm Modellcharakter für wasserstoffbasierte Sektorkopplung in Deutschland und in Europa.

Das NRL- Teilvorhaben "Aquiferspeicher - Planung und Bau zur saisonalen Speicherung von Ab- und Überschusswärme" wird von Seiten der CAU am Lehrstuhl für Angewandte Geologie - Aquatische Geochemie und Hydrogeologie bearbeitet. Fachliche Ansprechpartner des Teilprojekts an der CAU sind Herr Dr. habil Markus Ebert und Herr Adrian Metzgen, organisatorischer Ansprechpartner an der CAU ist Herr Dr. Sönke Bohm.

 

Weitere Informationen zum Norddeutschen Reallabor:

Pressemitteilung des BMWi zum Projektstart

NRL im Web-Portal "Energiesystem Forschung" des Projektträgers Jülich

 

Laufzeit:

  • 01.04.2021-31.03.2026

Förderung:

  • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Koordination des NRL Gesamtvorhabens:

Kooperationspartner des Teilvorhabens:

 

 

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Dimensionierung und Prognose der Umweltauswirkung der ATES Anlage Bremerskamp in Kiel

Das Heizen und Kühlen von Gebäuden mit erneuerbaren Energien nimmt eine Schlüsselfunktion bei der Reduktion des CO2-Ausstoßes ein. Saisonale Wärmespeicher dienen durch eine effizientere Kühlung von Gebäuden der Adaption an den Klimawandel und verringern die CO2-Emission durch Nutzung der gespeicherten Wärme zum Heizen. In urbanen Gebieten bietet sich die Speicherung im geologischen Untergrund aufgrund seiner hohen Kapazität und geringer Transportwege an. Speichertechnologien, wie Aquifer-Wärmespeicher (ATES) besitzen ein TRL (technical readiness level) zwischen 7 („Hoch“-Enthalpie-Bereich) und 9 („Niedrig“-Enthalpie-Bereich), doch ist in Deutschland ihre Planung, Bewilligung und Anwendung limitiert. In den komplexen durch Eiszeiten geprägten geologischen Formationen Norddeutschlands sind geologische Schichtungen sowie ihre Parameter z.B. für hydraulische Strömung und Wärme im Detail wenig bekannt. Diese geringe Kenntnis des Untergrunds führt zu Unsicherheiten bei  der Anlagenplanung, aber auch zu Problemen bei der Bewilligung, da sich die Umweltauswirkungen der Anlage aus Sicht der bewilligenden Behörde nicht ausreichend genau quantifizieren lassen.
Im Bremerskamp (Kiel) wird die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel neue Labor- und Büroräume, sowie u.U. ein neues Rechenzentrum mit hohem Bedarf an Heiz- und Kühlenergie errichten. Ein Aquiferspeicher soll als hochkapazitärer saisonaler Wärmespeicher dienen. Gefördert durch die EKSH (Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein GmbH) und in Kooperation mit dem Gebäudemanagement der CAU besteht die Möglichkeit, die Auswirkungen der wenig bekannten geologischen Parameter auf die Funktionalität des Speichers und auf die Umwelt an einem speziellen und daher gut definierten Speichersystem zu untersuchen. Die so geschaffene breitere Wissens- und Bewertungsgrundlage wird dem Speicher im Bremerskamp und insbesondere seiner Bewilligungsfähigkeit zu Gute kommen, die Ergebnisse werden aber auch auf andere unterirdische Speicher übertragbar sein. Der Standort wäre somit eine wichtige Referenz für Planung, Bewilligung und Umsetzung unterirdischer Wärmespeicher in Schleswig-Holstein.
Im Rahmen dieses EKSH-Projekts sollen deshalb folgende Untersuchungsschritte durchgeführt und dokumentiert werden:

  • Erstellung von drei Erkundungsbohrungen am Standort Bremerskamp
  • Erstellung eines numerischen Modells zur Dimensionierung und Auslegung eines ATES Wärmespeichers
  • Variation wenig bekannter geologischer Parameter (z.B. hydraulische Durchlässigkeiten, Porositäten, Wärmetransportparameter, Schichtmächtigkeiten, Mineralzusammensetzungen, natürliche Strömungsgeschwindigkeit) im numerischen Modell
  • Ableitung von Veränderungen der Funktionsweise, Effektivität und Effizienz des Speichers aus den Modellvariationen
  • Auswertung der Modellvariationen im Hinblick auf Umweltauswirkungen und Auswirkungsräume, die insbesondere bei der Bewilligung unterirdischer Speicher relevant sind
  • Zusammenfassung der Ergebnisse in einer Auswirkungsmatrix und einem Bericht
  • Wissenstransfer durch Beteiligung der Wasserbehörden bei der Planung des Projekts und durch Diskussion der Ergebnisse

 

Laufzeit:

  • 01.01.2021-31.12.2022

Förderung:

  • Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein GmbH (EKSH)

Kooperationspartner:

  • Gebäudemanagement Schleswig-Holstein AöR

 

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TestUM-II

Geophysikalisches und hydrogeologisches Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen – TestUM-Aquifer

Im Projekt TestUM-II wird am Testfeld "TestUM" in Wittstock in Brandenburg ein zyklischer Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicherversuch (HT-ATES-Versuch) durchgeführt. Der Versuch soll Wissenslücken insbesondere im Hinblick auf folgende Fragenkomplexe schließen:

  1. Durchführung eines langfristigen zyklischen HT-ATES-Versuchs:
    • Untersuchung und Prognose des hydrochemischen Emissionsverhaltens von Haupt- und Spurenkomponenten im zyklischen Betrieb und Untersuchung der Betriebsprozesses
    • Erfassung von Veränderungen der Bodenluftzusammensetzung und Radon-Emissionen in die wasser-teilgesättigte Zone im oberflächennahen Auswirkungsraum von zyklischen HT-ATES-Systemen
    • Entwicklung einer standardmäßig praktikablen Untersuchungsmethodik mit numerischen Simulations- und hydraulischen Messverfahren, um Wärmespeichereffizienzen und -leistungen belastbar prognostizierbar zu machen
    • Durchführung experimenteller Untersuchungen im Hinblick auf den Temperatureinfluss auf mikrobiell induzierte Korrosionsprozesse an "Eisenlegierungen" sowie zur experimentellen Prognose der hydrogeochemischen und mikrobiologischen Auswirkungen zyklischer HT-ATES-Systeme im Kurz- und Langzeitbetrieb
  2. Fortführung des hydrochemischen, mikrobiologischen und geophysikalischen Monitorings der im Vorgängerprojekt TestUM-Aquifer begonnenen CH4- und H2-Einspeiseversuche bis zur weitgehenden bzw. vollständigen Resorption der Gasphase einschließlich der Erarbeitung entsprechender numerischer Modellansätze zum reaktiven Mehrphasentransport
  3. Aufbau und Komplettierung einer öffentlich zugänglichen zentralen TestUM-Datenbank in Abstimmung mit dem UFZ

 

Laufzeit:

  • 01.11.2020 - 31.10.2022

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

Förderung:

Das Projekt TestUM-II wird innerhalb des Fachprogramms „Geoforschung für Nachhaltigkeit (Geo:N)“ im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3)“ im Förderbereich: Nutzung unterirdischer Geosysteme 2 gefördert.

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IW3

Integrierte WärmeWende Wilhelmsburg

Wilhelmsburg in Hamburg zeigt mit dem Reallabor IW3, das eine zuverlässige und bezahlbare Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich ist. In dem stark wachsenden Stadtteil werden Wärme, Strom und Mobilität effizient miteinander gekoppelt.

Über eine Geothermie-Anlage wird aus etwa 3.500 Metern Tiefe geothermische Energie gewonnen und in ein lokales Nahwärmenetz gespeist. In den Sommermonaten soll überschüssige Wärme in einem oberflächennahen, wasserleitenden Gestein zwischengespeichert werden. Eine systemübergreifende Technologieplattform koppelt über ein virtuelles Kraftwerk Wärme, Strom und Mobilität im Quartier für eine intelligente, effiziente und regenerative Energieversorgung. Die Partner entwickeln für das Reallabor einen offenen Wärmemarktplatz, über den Wärme aus verschiedenen Quellen und von verschiedenen Anbietern transparent, hochautomatisiert und effizient gehandelt werden soll. Das Konzept der integrierten Wärmewende macht Wilhelmsburg zu einem Leuchtturm für die Energie- und Wärmewende in urbanen Räumen, die deutschlandweit übertragbar ist.

Zur saisonalen Wärmespeicherung wird im IW3-Vorhaben der Bau und die Nutzung eines Aquifer-Wärmespeicher geplant und gebaut. Dies beinhaltet auch die Erfassung möglicher Umweltauswirkungen und die Ableitung eines regulatorischen Rahmens für die Speicherung von Wärme in Grundwasserleitern.

Konkrete Ziele des Teilvorhabens sind:

  • Bau eines Aquifer-Wärmespeichers (= ATES: Aquifer Thermal Energy Storage) am Standort Wilhelmsburg einschließlich eines Messnetzes zur Erfassung der Betriebsbedingungen und der Umweltauswirkungen
  • Inbetriebnahme des Speichers einschließlich der Integration des Speichers in das Wärmeversorgungssystem (Systemintegration)
  • Entwicklung und Erprobung eines Steuerungssystems des Speichers, mit dem die Anforderungen aus der Netzeinbindung und dem Wärmemarkt gewährleistet werden können
  • Etablierung einer nach verschiedenen Kriterien optimierbaren Fahrweise
  • Sammlung von Betriebsdaten und Betriebserfahrungen
  • Erfassung der Umweltauswirkungen
  • Unterstützung bei der Ableitung eines regulatorischen Rahmens

 

Laufzeit:

  • 01.08.2020 – 31.07.2024

Förderung:

  • BMWi (Reallabore der Energiewende)

Konsortialführer:

  • Hamburg Energie GmbH

Projektpartner u.a.:

  • Hamburg Energie GmbH
  • Consulaqua Hamburg Beratungsgesellschaft mbH
  • Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Projekt-Website:

 

IW3-IWs-Logo

Förderlogo BMWi

Geo-Storetec

Investitionsmittelbedarf zur Nutzungsoptimierung des oberflächennahen geologischen Untergrundes als thermischer Speicher und/oder stofflicher Speicher mittels Konzept- und Technologieentwicklungen sowie zur Erfassung der damit verbundenen hydraulischen, thermischen und hydrogeochemischen und mikrobiologischen Auswirkungen auf die wasserteilgesättigte und wassergesättigte Zone

Aufgrund der verschiedenartig messtechnischen Anforderungen bei der Erprobung und dem Langzeitbetrieb von untertägigen thermischen und stofflichen Speichern (im Rahmen der Klimawandelmitigation bzw. -adaption) ist es notwendig, ein breites und erprobtes Instrumentarium von z.T. im Feld bzw. unter in-situ-Bedingungen einsetzbaren Messmethoden zur Verfügung zu haben. Das Beschaffungsvorhaben ist Teil des sukzessiven und von verschiedenen Fördermittelgebern getragenen Aufbaus einer transportablen bzw. mobilen und für Feldeinsätze geeigneten, modular aufgebauten instrumentellen Untersuchungseinheit am KGE, die insbesondere den Betrieb und die Überwachung von UTES (Underground Thermal Energy Storage)-Systemen und von Gas-Speichern (z.B. H2 bzw. CH4) bzw. Gastransportsystemen „vor-Ort“ in der wassergesättigten und wasserteilgesättigten („ungesättigten“) Zone ermöglicht und zur Entwicklung neuer Technologien in diesem Bereich dient. Übergreifendes Merkmal des Einsatzkonzeptes für die beantragten Messgeräte ist, dass in der Regel essentielle hydrochemische und/oder hydraulische Parameter in-situ oder vor Ort zu bestimmen sind und zudem häufig eine vergleichsweise sehr große Probenanzahl auf sehr viele Parameter in relativ kurzer Zeit zu analysieren sind. Dies ist z.B. notwendig, um Alterungseffekte bei den Messwerten zu minimieren oder eine Entscheidungsbasis für die weitere Betriebsführung u.a. von UTES-Systemen zeitgerecht zu erhalten.

Laufzeit:

  • 01.07.2020 – 31.03.2021

Förderung:

  • BMBF (GEO:N – Geoforschung für Nachhaltigkeit)

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NEPTUN

Platform for Innovating Water and Climate Adaptation Technologies and Solutions

Dänemark und Norddeutschland stehen vor ähnlichen Herausforderungen durch den Klimawandel im Bereich der Wasserver- und -entsorgung, beispielsweise durch eine sich ändernde Niederschlagsverteilung mit vermehrten Starkregenereignissen und Trockenperioden sowie durch den steigenden Meeresspiegel. Im von Interreg geförderten grenzüberschreitenden Projekt NEPTUN beschäftigen sich die Projektbeteiligten mit Herausforderungen der Wasserver- und -entsorgung vor dem Hintergrund des Klimawandels und entwickeln innovative Lösungen zur Klimawandeladaption.

Ziel des Projekts ist, im Bereich der Wasserver- und -entsorgung sowie der Klimawandelanpassung Innovations- und Wachstumspotenziale in der Programmregion zu erschließen. Dafür werden Akteure von der Nachfrage-, als auch von der Angebotsseite grenzüberschreitend zusammengeführt.

Wesentliches Element des Projekts ist der grenzüberschreitende Aufbau eines Informations- und Kooperationsnetzwerkes zwischen Universitäten, Unternehmen und Verwaltungen zu Fragen der Wasserver- und -entsorgung und Klimawandelanpassung. Im Projekt sollen Prototypen innovativer Produkte unter Berücksichtigung konkreter Herausforderungen der Problembetroffenen entwickelt werden. Langfristig soll so eine deutliche Steigerung der Anzahl neuer umweltfreundlicher und ressourcenschonender Wassertechnologielösungen und Geschäftsmodelle sowie eine stärkere Außendarstellung der innovativen Technologieunternehmen erzielt werden. Übergeordnet wird durch die im Projekt entwickelten Lösungen die Widerstandsfähigkeit der Region gegenüber klimabedingten Risiken gestärkt.

Ergänzend zu der Entwicklung konkreter Lösungen werden im Rahmen des Projektes Veranstaltungen und Ausstellungen für den Wissenstransfer zwischen den Projektbeteiligten und der Gesellschaft entwickelt und durchgeführt.

Die CAU ist im Projekt sowohl durch das IfG, als auch durch den Bereich Regelungstechnik der Technischen Fakultät beteiligt.

Das Projekt ist in fünf Arbeitspaketen strukturiert:

  • AP1: Projektmanagement
  • AP2: Öffentlichkeitsarbeit
  • AP3: Entwicklung innovativer Wassertechnologie- und Klimawandeladaptionslösungen
  • AP4: Capacity Building
  • AP5: Demo / Living Lab

 

Laufzeit

03/2020 – 02/2023

Projektpartner

  • LeadPartner: CLEAN Innovation
  • Aalborg Universitet
  • Billund Vand & Energi A/S
  • Blue Kolding A/S
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Fredericia Spildevand og Energi
  • GreenTech center
  • Kreis Nordfriesland
  • Learnmark
  • Middelfart Kommune
  • Region Syddanmark
  • Stadt Flensburg
  • Syddansk Universitet

 

Förderung

Interreg Deutschland-Danmark

Logo von Interreg Deutschland-Danmark

Umweltwirkungen und umweltverträglicher Ausbau der oberflächennahen Geothermie

Im vom Umweltbundesamt (UBA) in Auftrag gegebenen Forschungsprojekt „Umweltwirkungen und umweltverträglicher Ausbau der oberflächennahen Geothermie“ werden die Auswirkungen oberflächennaher Geothermie untersucht und Empfehlungen für eine umweltverträgliche Gestaltung des Ausbaus gegeben. Betrachtet werden dabei die Planung, die Errichtung, der Betrieb und der Rückbau oberflächennaher geothermischer Systeme. Besonderer Schwerpunkt wird auf oberflächennahe thermische Speicher gesetzt.

Untersucht werden die Auswirkungen auf die Umweltmedien Wasser, Boden - hier auch Baugrund, Untergrund - und Luft. Auch Wirkungen auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Aquifer sowie die Grundwasserfauna und Wirkungen auf die Gesundheit des Menschen stehen im Fokus. Vorangegangene Studien des UBA und anderer Forschungseinrichtungen kommen zu dem Ergebnis, dass der Ausbau und die Verbreitung geologischer Heiz- und Kühlsysteme notwendig sind, um die Klimaneutralität des Gebäudebestands in Deutschland bis zum Jahr 2050 zu erreichen. Zunächst werden die Umweltwirkungen und der Klimaschutzbeitrag der geothermischen Anlagen, die zur Nutzung oberflächennaher geothermischer Ressourcen heute oder aller Voraussicht nach in Zukunft die gebräuchlichsten Systeme darstellen werden, identifiziert. Die wesentlichen vorkommenden Umweltwirkungen positiver und negativer Art werden dann in ihrer Gesamtheit bzw. Auftrittswahrscheinlichkeit eingeschätzt, um auf dieser Grundlage einerseits eine Einschätzung der Wirkung auf das Gesamtsystem der Wärmeversorgung zu erarbeiten, andererseits eine Aufstellung des notwendigen Handlungsbedarfs für gesetzliche und untergesetzliche Regelungen sowie für Ausbildungs- und Schulungsmaßnahmen abzuleiten. Das Forschungsprojekt teilt sich in sechs Schritten auf, wobei ein stark holistischer Ansatz verfolgt wird:

  • Ziel des Arbeitspakets 1 ist die Einschätzung des räumlichen Ausbaupotenzials oberflächennaher Geothermie in Deutschland unter Berücksichtigung der räumlichen Verteilung und Raumbedarfe.
  • In Arbeitspaket 2 werden ausbaufähige geothermischen Heiz- und Kühlsysteme unter Berücksichtigung der Minimierung ihrer Antriebsenergie identifiziert. Dargestellt und untersucht werden soll dabei auch die Einbindung dieser Anlagen in zukünftige regenerative Wärmeversorgungssysteme, insbesondere basierend auf Wärmepumpensystemen.
  • Das Arbeitspaket 3 dokumentiert die Umweltwirkungen und den Klimaschutzbeitrag der im Vorschritt identifizierten geothermischen Heiz- und Kühlsysteme einschließlich der Wärmepumpen. Adressiert werden dabei die Umweltmedien Wasser, Boden und Luft sowie die hydrochemischen, geochemischen und mikrobiologischen Wirkungen auf Aquifere und die menschliche Gesundheit.
  • Die Analyse von Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen und des zutreffenden Regelwerks ist Ziel des Arbeitspakets 4. Neben dem regulatorischen Rahmen sollen hier technische Interventionsansätze mit den jeweiligen Limitierungen und Vorteilen im Status quo bewerten.
  • Darauf baut in Arbeitspaket 5 die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Weiterentwicklung des Regelungswerks und von Vermeidungs- und Minderungsmaßnahmen auf. Perspektiven für Aus-, Fort- und Weiterbildungsansätze im Hinblick auf die Sicherstellung eines ausreichenden Fachpersonalpotenzials zur gegebenenfalls flächendeckenden Umsetzung dieser Technologien werden entwickelt. Schließlich werden wesentliche Forschungs- und Entwicklungsbereiche identifiziert, die essentiell die Entwicklung dieser Technologien beeinflussen können.
  • Die Ergebnisse des Forschungsprojektes werden im Rahmen des Arbeitspaketes 6 der Fachöffentlichkeit in Form eines Fachgespräches und einer schriftlichen Studie präsentiert. Dabei sollen im Fachgespräch spezifische Fachfragen und Meinungen zum (scheinbaren) Widerspruch zwischen Klimaschutz und Grundwasserschutz adressiert und im Kontext der Auswirkungen des Klimawandels auf die urbanen Lebensbedingungen diskutiert werden, um die Ergebnisse des Fachgesprächs schließlich in die schriftliche Studie einfließen zu lassen.

 

Laufzeit

09/2019-06/2020

Projektpartner

Bietergemeinschaft:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Angewandte Geowissenschaften
  • Consulaqua Hamburg Beratungsgesellschaft mbH

in Zusammenarbeit mit:

  • Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Geowissenschaften
  • HIC Hamburg Institut Consulting GmbH
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung

 

Förderung

Umweltbundesamt im Rahmen der ReFoPlan-2016-Ausschreibung
(FKZ 3716 43 104 2)

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TestUM-Aquifer

Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen

Der begrenzte und bereits stark genutzte geologische Untergrund besitzt eine herausragende volkwirtschaftliche Bedeutung als Grundwasserreservoir und Energiespeicher, sowie als Lagerstätte für energetische und mineralische Rohstoffe. Es muss daher Sorge getragen werden, dass die Nutzungsoptionen für den geologischen Untergrund in ihren Wechselwirkungen untereinander und in ihren Auswirkungen auf die Umwelt realistisch prognostiziert werden können. Eine besondere Bedeutung bei der Nutzung des Untergrundes kommt dem Grundwasserschutz zu. Gerade bzgl. der Detektion und Bewertung von Leckageereignissen in oberflächennahe Grundwasserleiter ergaben sich jedoch auch eine Reihe von wissenschaftlichen Wissensdefiziten im Hinblick auf die reaktiven Transportprozesse. Entsprechendes gilt auch für die direkte Nutzung oberflächennaher Grundwasserleiter z.B. bei der Wärmespeicherung. Das Verbundvorhaben greift diese Problemstellungen für oberflächennahe, poröse Grundwasserleiter und deren Deckschichten auf.

Strategische Zielsetzung des Forschungsvorhabens, das vom Helmholtz-Institut UFZ Leipzig und der Universität Kiel getragen wird, ist der Aufbau, der Betrieb und die Etablierung eines entsprechenden Testfeldes an einem (bereits in ähnlichem wissenschaftlichen Kontext gut voruntersuchten) Standort in der Nähe der Stadt Wittstock (Projekt: CO2-Injektion). Dort soll im Rahmen einer nationalen Geo:N-Infrastrukturbildung mittelfristig auch anderen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen die Möglichkeit für entsprechende Forschungen eröffnet werden.
Schwerpunkte der Geländeexperimente sollen zum einen geophysikalische, mikrobiologische und hydrogeochemische Untersuchungen und die Entwicklung und Validierung numerischer Modelle (THMC) bzw. von „Invers-Modellen“ zu experimentellen Gasleckagensimulationen (N2-, (CO2-), O2-Gemisch als „Luft“, CH4, H2) und den damit in Verbindung stehenden bzw. induzierten reaktiven Mehrphasentransportprozessen sein. Zum anderen sollen mit einem reduzierten Umfang die Auswirkungen von Wärmeeinspeicherungen (T < 80°C) auf reaktive z.T. mehrphasige Transportprozesse aufgrund von Gasphasenbildung in natürlichen Grundwasserleitern untersucht werden.
Übergeordnete Fragestellungen sind dabei Detektierbarkeit, Prognostizierbarkeit und Kontrollierbarkeit der reaktiven Mehrphasen- und Wärmetransportprozesse in natürlichen oberflächennahen Grundwasserleitern unter besonderer Berücksichtigung der Erprobung und Validierung geophysikalischer und numerischer Verfahren. Konkretisiert und fachlich untersetzt werden diese übergeordneten Fragestellungen in den drei wissenschaftlichen Teilprojekten:

  • TP 1 „Experimentelle und Numerische Modelle“
  • TP 2 „Geophysikalisches Monitoring und Parametrisierung“
  • TP 3 „Hydrogeochemische, isotopenchemische und mikrobiologische Prozesse“

Laufzeit:

  • 07/2017 - 10/2020

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

Förderung:

Das Projekt TestUM-Aquifer wird innerhalb des Fachprogramms „Geoforschung für Nachhaltigkeit (Geo:N)“ im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3)“ – „Aus- und Wechselwirkung von reaktiven mehrphasigen Transportprozessen auf Speicherkapazität, Injektivität und geomechanische Integrität – Prozessverständnis, Umweltauswirkungen und Monitoringansätze.“ gefördert.

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ANGUS II

Auswirkungen der Nutzung des Geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher – Integration unterirdischer Speichertechnologien in die Energiesystemtransformation am Beispiel des Modellgebietes Schleswig-Holstein

Energiespeicher werden in einer zukünftigen, stark auf erneuerbare Energien ausgerichteten Energieversorgung zum Ausgleich von Erzeugerfluktuationen und saisonalen Schwankungen unverzichtbar sein. Geotechnische Energiespeicher zur Speicherung von Wasserstoff, synthetischem Methan oder Druckluft sowie zur Speicherung von Wärme bieten sowohl große Speicherkapazitäten als auch Speicherzeiten von Stunden bis hin zu Monaten bzw. Jahren. In diesem Projekt soll das unterirdische Geosystem um die noch nicht betrachteten hydraulisch dichten Schichten sowie die damit verknüpften Prozesse ergänzt werden. Zur Integration geotechnischer Energiespeicher in die Energieversorgungsnetze bei unterschiedlichen Ausbaupfaden der Energienetze und EE-Erzeugung sowie zur Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarien wird durch Kopplung bestehender Modelle zur Simulation der Energienetze, Energieeinzelanlagen und der geotechnischen Speicher ein Modellinstrumentarium entwickelt und beispielhaft anhand realistischer Szenarien angewendet. Für die so dimensionierten geotechnischen Speicher werden die im Untergrund induzierten Auswirkungen zeitlich und räumlich aufgelöst durch prozessbasierte Simulationsmodelle bestimmt und mögliche Auswirkungen auf Schutzgüter und die Interaktion mit anderen geotechnischen Speichern bzw. untertägigen Nutzungen betrachtet. Anhand mesoskaliger Technikums- und Feldversuche soll das entwickelte Instrumentarium validiert werden. Die Ergebnisse werden zur Weiterentwicklung einer Methodik der unterirdischen Raumplanung verwendet.

Das Projekt greift auf wesentliche Vorarbeiten zurück, die im Verbundvorhaben ANGUS+ erarbeitet wurden.
Die übergeordneten Ziele des Verbundprojektes sind: 

  • Die Vervollständigung des als Energiespeicher potenziell zur Verfügung stehenden Geosystems in Schleswig-Holstein - als Beispielregion für Norddeutschland - um die bisher aus Kapazitätsgründen noch nicht berücksichtigten hydraulisch gering durchlässigen Schichten und Barrierehorizonte sowie die wasserungesättigte Zone im Hinblick auf Parameterbestimmungen und Prozessuntersuchungen für die jeweiligen
    geotechnischen Speicheransätze. Dabei werden insbesondere die durch zyklische Beanspruchung induzierten Effekte im Speicher und im umgebenden Untergrund berücksichtigt.
  • Die Kopplung und Weiterentwicklung bestehender Modelle zur Simulation geotechnischer Energiespeicher und ihrer unterirdischen Auswirkungen mit Modellen zur Simulation der Energieversorgung und von Einzelenergieanlagen, um räumlich und zeitlich aufgelöste Betriebsszenarien für geotechnische Energiespeicher (spezifisch: Druckluft, synthetisches Methan, Wasserstoff, Wärme/Kälte) und deren Integration in die Energienetze bei unterschiedlichen Ausbauszenarien zu erlangen.
  • Die Bestimmung von Szenarien i) zur Integration von geotechnischen Energiespeichern in die Energieversorgungsnetze und von wirtschaftlich sinnvollen Betriebsszenarien, ii) zur zeitlich und räumlich aufgelösten Raumbeanspruchung dieser Speicher, insbesondere im stark genutzten urbanen Untergrund, anhand realistischer Nutzungsszenarien und Speichermanagementkonzepte, iii) zu möglichen Auswirkungen auf Schutzgüter, insbesondere aufgrund von Störungen des geologischen Aufbaus, sowie zur Interaktion mit anderen Speichern oder anderen Nutzungen des Untergrunds. Zur Validierung der verwendeten Prognosemodelle und zur Methodenentwicklung sollen mesoskalige Technikumsexperimente mit hoher wirtschaftlicher Anschlussfähigkeit durchgeführt werden.
  • Die Bereitstellung und Erprobung des Modellinstrumentariums zur Integration geotechnischer Speicher in die Energiesysteme und die Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarios für geotechnische Energiespeicher sowie die Weiterentwicklung und Anpassung der Methodik und der Planungsinstrumentarien für eine großskalige Raumplanung des Untergrundes.

 

Laufzeit:

  • 01/2017 - 12/2020

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Geographisches Institut
  • Europa-Universität Flensburg, Institut für Umwelt-, Sozial- und Humanwissenschaften
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften
  • Hochschule Flensburg, Energie und Biotechnologie
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

Förderung:

Das Projekt ANGUS II wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen der Bekanntmachung „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“

Projekthomepage:

angus-projekt.de

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ShearWall2

The overall project and in particular the role of the CAU Kiel aims at developing and designing various ways for the use of materials and composites in everyday engineering and building work, and to study ways of improving existing plain stone masonry composite building techniques with new and improved methods and materials for a better seismic and other induced resistances. In addition to the lab-work associated with the development of the proposed modifications on stone masonry composites, material behavior prediction models will also be developed as part of the project work. The development procedure is definedin two ways. On the one hand, simple analytical methods for simple wall and building structures will be proposed, and on the other hand a further, more complex methodologies for use in common FE and discrete models for the dimensioning of complex buildingsystems will be used. The methods are to be partly calibrated using the laboratory tests and the final validation will be performed using large-scale tests at the IAB Weimar.

Laufzeit:

01/2020 - 09/2022

Förderung:

AiF

Partner:

  • IAB Weimar
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • G.W.REYE & SÖHNE GmbH & CO. KG
  • JASTO Baustoffwerke

Betonprüfverfahren

A 2D Finite Difference Model is developed for Full Waveform Inversion of Seismic Wave Propagation problems in time domain. The model consists of Perfectly Matched Layers (PML) as boundary conditions to consider Sommerfeld Radiation Condition at the infinity. The existing CPU based numerical solutions are programmed for GPU parallelized computation. It is found that the larger the model size, the computational efficiency improves geometrically, in the other hand, the model size is limited to the available GPU memory. It is found that, with some more improvements by code optimization, the Full Waveform Inversion technique by GPU based computation can offer real-time tools for estimation of sub-surface material properties of structures like dams, dykes and so on.

Laufzeit:

03/2019 - 03/2021

Förderung:

AiF

Partner:

  • IPG Instandsetzungsgesellschaft GmbH
  • K-UTEC AG Salt Technologies
  • MFPA Weimar

EnTraEmiss

The proposed project aims to develop a sophisticated numerical simulation methodology to analyze the impact of increasing urban development through monitoring and assessing energy and transport infrastructure impact on quality of life and on high technology centers. An increasing number of wind turbines, highways, and high-speed rail networks pollute the urban quality of life as well as the existing and future high technology centers by emitting, interfering, and propagating wave fields and their associated vibrations.

Laufzeit:

01/2019 - 12/2021

Förderung:

BMBF

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BewehrtePacklagen

The aims of research project “BewehrtePacklageKonstruktion” are (1) to develop a sustainable and fast acting fiber-binder-packing layer composite construction for soil stabilization and plate action with traction and bending moment absorption and (2) to develop and test the required quality controls in intrinsic and external monitoring, as well as the area-wide dynamic compaction control (FDVK) required during the installation and compaction process.

Laufzeit:

07/2018 - 05/2021

Förderung:

AiF

Partner:

  • HIB Hessisches Institut für Baustoffprüfungen GbR
  • Universalbau GmbH Mühlhausen
  • IAB-Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH
  • VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH

Deichbauwerke

Increasing global climate change affects not only temperature but also the sea level and the frequency and amount of precipitation as well. These factors increase the risk of flooding in coastal and domestic river or canal areas. The excessive flooding mainly affects the dike structures built in these areas. So, the rehabilitation and fast stabilization of the dike is very important to avoid the economic losses incurred by dike failures.

The aim of this project is divided in two steps: (1) to develop the materials based on Acetylate-Gel with rapid stabilization and injection technique, (2) to develop new monitoring methods for temporary or permanent use based on the dynamic behaviour of the dike system. The target features of developed materials are fast stabilization, quick sealing of hydraulic path, curing in water, long-term stability, high mechanical resistance, and environmental compatibility. The first aim will be achieved by conducting extensive laboratory test as well as field test.

In order to be able to detect and derive the general state of a dike, a new way of monitoring method based on dynamic structural analysis of the dyke will be developed. The background assumes that the eigenform, the vibration amplitudes and the damping, dynamic vibration measurements will be changed due to the ongoing changes in the three-substance system system (water, solids and air) in the dike due to moisture, erosion, suffusion, rigidity, etc. After injection of the hydraulic barrier and later the consolidation, significant changes in the dynamic response of the dyke should be visible, so that the measure can be monitored.

Laufzeit:

05/2019 - 03/2022

Förderung:

Aif

Partner:

  • IAB-Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gemeinnützige GmbH
  • Köster Bauchemie AG
  • Heinz Werner GmbH Aschara