Wärmespeicher: Forschungs-Bohrung erfolgreich: GFZ

09.12.2024 Geothermie Berlin/Brandenburg 4-8-Geoenergie News_2024 Kacheln unterm Slider

Die Bohrung liefert wichtige Informationen für den Bau von Berlins größtem Wärmespeicher in Adlershof. Das Ziel: Im Sommer Wärme aus erneuerbaren Quellen für den Winter im Untergrund zu speichern.

Eine Bohranlage wird mit einem Kran aufgebaut. — Am Standort der Forschungsbohrung in Berlin-Adlershof: Einsetzen der Richtbohrgarnitur mit Kran. *(Foto: Stefan Kranz, GFZ)*

Modelldarstellung eines Aquiferspeichers im Querschnitt: obertägige Anlagen zur Wärmeerzeugung und -tauschung. Im Sommer wird warmes Wasser in den Untergrund gepumpt. — Eine Darstellung der Funktionsweise eines Aquiferspeichers – beim Beladen im Sommer. Dann kann Wasser aus dem Untergrund auch zum Kühlen genutzt werden. *(Abbildung: BTB)*

Bild links: Der Bohrplatz: Hinten steht ein Bohrturm, vorne liegen lange Stangen aus Metall nebeneinander. Bild rechts: An einem langen Rohr stehen zwei Menschen in Schutzkleidung und befestigen ein Glasfaserkabel. — Links (a): Der Bohrplatz der Forschungsbohrung in Berlin Adlershof zu Beginn der Richtbohrarbeiten Ende Juli 2024. Im Hintergrund stehen der Bohrturm (links) und das Schüttelsieb der Bohranlage (rechts). Im Vordergrund liegt das Bohrgestänge für den Einbau bereit. Rechts (b): Die Kollegen des GFZ Spin-off FOMON GmbH beim Einbau des Glasfaserkabels zur Temperaturmessung entlang des Sumpfrohrs, d.h. entlang des Rohres, das am tiefsten Punkt der Forschungsbohrung verbaut wird. *(Fotos: (a) Lioba Virchow, (b) Stefan Kranz, GFZ)*

Links: Eine Bohrkrone, bestehend aus drei rollenden Elementen, die mit Diamanten besetzt sind. Rechts: Aus einem Sieb oben tropft graue, dickflüssige Bohrspülung nach unten und erzeugt hohe Spritzer. — Links (a): Eine Drei-Rollen-Bohrkrone. Rechts (b): Im Schüttelsieb tropft die Bohrspülung aus dem Bohrklein, das so zur weiteren Untersuchung vorbereitet wird. *(Fotos: (a) Stefan Kranz, (b) Lioba Virchow, GFZ)*

Links: Auf dem Boden steht eine Reihe von weißen Kästchen, in deren Vertiefung Tüten mit schlammigem Gestein aufbewahrt werden. Rechts: Ein offener Ofen mit einigen flachen Schälchen, auf denen Probenmaterial liegt. — Links (a): Zur Bestimmung der geologischen Schichten im Untergrund wurde pro Bohrmeter eine Probe vom Bohrklein genommen, in Probentüten und Probenkästen verpackt und im Anschluss hinsichtlich der Korngrößenverteilung und der Mineralogie untersucht. Rechts (b): Vor der weiteren Analyse werden die gesiebten Proben im Ofen getrocknet. *(Fotos: (a) Ben Norden, (b) Lioba Virchow, GFZ)*

Links: Ein Mann sitzt an einem Tisch und blickt durch ein Mikroskop. Rechts: Ein Gruppenfoto, vom Boden aus gen Himmel: Fünf Menschen stehen im Kreis neben der Bohranlage und beugen sich über die Kamera. — Links (a): Ben Norden mikroskopiert im Mini-Labor vor Ort. Rechts (b): Ziel erreicht: Nach erfolgreichem Produktionstest schaut das Team des GFZ auf die Bohrung, die allerdings zu dem Zeitpunkt schon gesichert und verschlossen ist, und nimmt Abschied von der Bohranlage. Vielen Dank an alle Beteiligten (von den hier nur ein Bruchteil zu sehen ist). *(Fotos: Lioba Virchow, GFZ)*

Die Speicherung von Wärme im Untergrund kann einen wichtigen Beitrag zur Wärmewende leisten. Eine Möglichkeit hierfür ist die Speicherung von Wärme in Aquiferen, d.h. in durchlässigen, Grundwasser-führenden Gesteinsschichten (Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)). Mit einer 410 Meter tiefen Forschungsbohrung untersucht ein Team des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ aus der Sektion 4.3 „Geoenergie“ unter der Leitung von Dipl.-Ing. Stefan Kranz und Dr. Katrin Kieling, ob am Standort Berlin-Adlershof Sandsteinschichten des Jura (Hettang) für ein ATES-System geeignet sind. Es soll in das bestehende Fernwärmenetz implementiert werden. Im September wurde die Bohrung erfolgreich komplettiert. Nun finden die weiteren Analysen statt.

Impressionen vom Projektverlauf können Sie in der Bildergalerie oben sehen.

Hintergrund: Potenzial unterirdischer Wärmespeicherung im Südosten Berlins

Am Standort Berlin-Adlershof errichtet die Berliner Blockheizkraftwerks-Träger- und Betreibergesellschaft (BTB) im Projekt „Reallabor GeoSpeicher Berlin“ Berlins größten Wärmespeicher – in Kooperation mit dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der TU Dresden. Die als Speicher anvisierten Aquifere liegen in rund 400 Meter Tiefe, wo Temperaturen von um die 23 Grad Celsius herrschen. Hier soll im Sommer 90 Grad heißes Wasser eingespeist werden. Es speichert die Überschusswärme aus einem Holzheizkraftwerk, in dem Altholz zur Energiegewinnung genutzt wird. Im Winter wird das heiße Wasser wieder hochgepumpt und in das bestehende Fernwärmenetz eingespeist. Modellierungen zeigen, dass rund 85 Prozent der eingespeisten Wärme wieder zurückgewonnen werden können.

Der geplante Aquiferspeicher soll zur Dekarbonisierung der Fernwärme in Südosten Berlins beitragen: Durch ihn kann ein Viertel der Wärme, die zurzeit im Winter noch aus dem Steinkohleheizkraftwerk Berlin-Schöneweide stammt, regenerativ ersetzt werden. Auf diese Weise lassen sich rund 10.000 Tonnen CO2 pro Jahr vermeiden.

So wurde gebohrt

Die Bohrarbeiten fanden im Rahmen des von der EU geförderten Projekts PUSH-IT vom 29. Juli bis zum 02. August 2024 statt. Aus einer bereits bestehenden Bohrung wurde im sogenannten Richtbohrverfahren ein Sidetrack gebohrt, das heißt ein Abzweig, der mit einer geringen Neigung vom ursprünglichen Bohrloch wegführt. Dazu arbeiteten die Kolleg:innen von der beauftragten Bohrfirma Anger’s Söhne Bohr- und Brunnenbaugesellschaft mbH und aus der Sektion Geoenergie des GFZ gemeinsam Tag und Nacht im 24 Stunden-Betrieb.

Um vom Bohrabschnitt zwischen 211 und 410 Meter Tiefe durchgängig Informationen zur Korngrößenverteilung im Gestein sowie der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung zu erhalten, wurde pro Bohrmeter eine Probe des Bohrkleins genommen und untersucht. Zum Teil konnten die Proben direkt vor Ort durch die Geowissenschaftlerin M.Sc. Lioba Virchow, die am GFZ promoviert, mittels einer mobilen Röntgenfluoreszensanalyse charakterisiert werden.

Analysen des tiefen Gesteins

Nach erfolgreichem Abschluss der Bohrarbeiten wurden diverse geophysikalische Bohrlochmessungen vorgenommen, um das Speichergestein weitergehend zu charakterisieren. Anschließend wurde die Bohrung komplettiert: Sie wurde verrohrt, wobei die Verrohrung im Bereich der potenziellen Speicherschicht –zwischen 371 und 389 Meter Tiefe – als Filter zum Gestein ausgeführt wurde. Entlang der gesamten Verrohrung und des Filterbereiches wurden außerdem Glasfaserkabel verbaut. Hieran waren das GFZ-Spin-off FOMON GmbH und die GFZ-Sektion 2.2 „Geophysikalische Abbildung des Untergrunds“ maßgeblich beteiligt. Die Glasfaserkabel ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Temperatur entlang des Bohrlochs in 0,5-Meter-Abständen, sowie die Messung von akustischen Signalen und Dehnungsmessungen, die Aufschluss über mechanische Veränderungen in der Verrohrung und der Zementation geben können. Diese Arbeiten wurden im September erfolgreich abgeschlossen.

In der aktuellen Phase finden u.a. Tests zur Förderung von Wasser aus der Speicherschicht statt, später auch zum Einspeisen. Dafür wurde zunächst die beim Bohren anfallende Bohrspülung durch Klarpumpen entfernt, wobei schon das erste Formationswasser aus der Speicherschicht gefördert und beprobt wurde. Die stufenweise Erhöhung der Förderrate sowie die anschließende Ruhephase geben Aufschluss über die Produktivität und das hydraulische Verhalten der Bohrung.

Zwischenfazit

Priv.-Doz. Dr.-Ing. Guido Blöcher, Hydrogeologe und Leiter der Arbeitsgruppe „Nachhaltige Produktionstechnologien“ in der GFZ-Sektion Geoenergie resümiert: „Wir haben einen vielversprechenden Produktivitätsindex von über 1 l/s/bar ermittelt, der darauf schließen lässt, dass mit dem angeschlossenen Sandstein gute Förderraten erreicht werden können. Dies ist für eine großskalige Wärmespeicherung besonders wichtig.“

Dipl.-Ing. Stefan Kranz, Leiter der Arbeitsgruppe „Geothermische Verfahrenstechnik und Systemintegration“ in der GFZ-Sektion „Geoenergie“ betont: „Die Fertigstellung der Forschungsbohrung ermöglicht nun weitere Tests zur Charakterisierung des Speicherverhaltens des Hettang Sandsteins. Wir werden im Rahmen des PUSH-IT Projektes nun Untersuchungen zum thermischen und hydraulischen Verhalten des Speichergesteins durchführen und dabei auch den Einfluss der Temperatur auf geochemische und mikrobiologische Prozesse betrachten.“ Die Ergebnisse fließen dann in die Umsetzung des Wärmespeichers der Berliner Blockheizkraftwerks-Träger- und Betreibergesellschaft (BTB) ein.