Die Zukunft der Energiespeicherung liegt im Untergrund

Die Speicherung von Energieträgern im Untergrund hat deutlich zugenommen. Doch viele Fragen hinsichtlich der Umweltauswirkungen sind noch nicht geklärt. Hier setzt der vom BMBF geförderte Themenschwerpunkt „Nutzung unterirdischer Geosysteme“ an.

Ein Forscherteam nimmt Gasproben aus verschlossenen Bohrlochabschnitten. Gasmenge und Zusammensetzung der Gasprobe geben unter anderem Aufschluss über die Durchlässigkeit des Gesteins.
Ein Forscherteam nimmt Gasproben aus verschlossenen Bohrlochabschnitten. Gasmenge und Zusammensetzung der Gasprobe geben unter anderem Aufschluss über die Durchlässigkeit des Gesteins. © Andreas Jurczyk, GFZ

Der Bedarf an Erdgas schwankt – daher wird in Deutschland schon seit Jahrzehnten ein großer Teil des fossilen Brennstoffs unterirdisch gelagert. Insgesamt rund 24 Milliarden Kubikmeter Speichervolumen stehen für diese Zwecke zur Verfügung, was einem Viertel des jährlichen Erdgas-Verbrauchs im Land entspricht. Ebenso wird Erdöl unterirdisch gespeichert, um in Krisenzeiten die Versorgung sicherzustellen.

Zunehmend spielt der geologische Untergrund auch bei der Umsetzung der Energiewende eine wichtige Rolle. Neben der Nutzung geothermischer Reservoire zum Heizen von Gebäuden oder zur Stromerzeugung stellen unterirdische Speicher die einzige Möglichkeit dar, große Mengen regenerativer Energie zu speichern und in Zeiten großer Nachfrage bereitzustellen.

Bislang sind jedoch die Prozessabläufe in diesen Geosystemen nur unzureichend verstanden. Vor allem die Dichtheit der Geospeicher muss insbesondere für die Einlagerung von Wasserstoff, einem hochexplosiven Energieträger, weiter erforscht werden. Ebenso sind tiefergehende Untersuchungen zur Integrität der Gesteinsformationen notwendig, so dass ein effizientes Ein- und Ausspeichern möglich ist.

Diesen Fragen sind elf Verbundprojekte im Rahmen des BMBF-Themenschwerpunkts „Nutzung unterirdischer Geosysteme“ im Zeitraum von 2017 und 2020 nachgegangen. Die jetzt mit einer Abschlussveranstaltung offiziell beendeten Grundlagenforschungsprojekte liefern wichtige Daten, mit denen das Wissen über unterirdische Geo-Ressourcen weiter verbessert werden kann. Dieses Wissen ist notwendig, um die Speicher künftig effizient und nachhaltig zu nutzen.

Schwerpunkt der Vorhaben war die Erforschung sogenannter mehrphasiger Transportprozesse von Stoffen sowie die Durchlässigkeit von Gesteinsschichten im Zusammenhang mit geochemischen Wechselwirkungen. Hierbei wurden natürliche Störungszonen, aber auch die durch menschliche Aktivitäten verursachten Schädigungen geologischer Barrieren untersucht.

Unterirdische Speicher

Unterirdische Speicher dienen in Deutschland vorwiegend zur Speicherung von Erdgas und Erdöl. Zum einen existieren rund 240 künstliche Kavernenspeicher in Salzstöcken, die durch einen Soleprozess bergmännisch angelegt werden. Andererseits werden rund 20 ausgeförderte Erdöl- und Erdgaslagerstätten für die Speicherung genutzt. Sie stellen natürliche Formationen dar, in denen poröses Gestein das gespeicherte Erdgas wie ein Schwamm aufnehmen kann. Einer der größten Porenspeicher in Westeuropa ist die Anlage von Wingas im niedersächsischen Rehden mit 4,4 Mrd. Kubikmetern.

Diese Störungen wiederum werden mit der Entstehung von unerwünschten „Wegsamkeiten“ in Verbindung gebracht – feine Rissbildungen im Gestein, die dazu führen können, dass gespeicherte Stoffe aus tiefen Reservoiren in die Grundwassersysteme oder gar bis an die Oberfläche vordringen. Diese Beeinträchtigungen der Umwelt müssen bei der Nutzung unterirdischer Geosysteme zwingend ausgeschlossen werden.

So untersuchte das Projekt H2_React grundlegende Fragen der unterirdischen Speicherung von Wasserstoff. Im Blickpunkt standen hierbei chemische und mikrobielle Reaktionen, die während einer Langzeitspeicherung dieses Energieträgers in Porenspeichern und Salzkavernen auftreten. Das Vorhaben SUBI beschäftigte sich dagegen mit der Sicherheit von Untergrundspeichern bei höheren Belastungen.

In drei weiteren Verbundvorhaben standen experimentelle Untersuchungen sowie Computersimulationen im Fokus, mit denen die Entstehung von Diskontinuitäten in Gesteinsformationen (GeomInt), die Bildung von Bruchzonen (PERMEA) oder Fließeigenschaften in Reservoiren (MERID) bewertet werden können. Der zeitliche Ablauf chemischer Reaktionen in Geo-Reservoiren wurde in ResKin erforscht. Eine nachhaltige und umweltfreundliche Nutzung der Geo-Reservoire war auch Thema des Projekts SECURE.

Blick in Kavernenhohlraum: Eine Wissenschaftlerin blickt in einen künstlichen Kavernenhohlraum, der in einem Pfeiler Im Salzbergwerk für experimentelle Untersuchungen angelegt wurde.
Blick in Kavernenhohlraum: Eine Wissenschaftlerin blickt in einen künstlichen Kavernenhohlraum, der in einem Pfeiler Im Salzbergwerk für experimentelle Untersuchungen angelegt wurde. © Martin Zimmer, GFZ

Die Erschließung von heißem Thermalwasser aus mehreren Kilometern Tiefe hat eine zunehmende Bedeutung im Energiemix, doch diese sogenannte Tiefengeothermie ist mit gewissen Risiken verbunden. Hier setzte das Projekt GEOSMART an – und entwickelte eine transparente Methode zur Risikobewertung. Ebenso beschäftigte sich das Vorhaben STIMTEC mit der Nutzung von Geothermie. Schwerpunkt war hier die Optimierung von Stimulationsverfahren für die Schaffung von Wärmetauschern.

Mit geologischen Strukturen in Salzkavernen befasste sich das Projekt ProSalz. Ein Forscherteam hat hier in einem aktiven Salzbergwerk die Wechselwirkungen zwischen Salz, Gas und Wasser im Übergang der Kavernen zum Festgestein erfoscht. Die Projektergebnisse sind für die mögliche künftige Nutzung von Salzlagerstätten zur Speicherung von Wasserstoff von großem Interesse.

TestUM-Aquifer untersuchte die Auswirkungen der technologischen Untergrundnutzung auf oberflächennahe Grundwasserleiter – speziell die geochemischen und mikrobiellen Effekte des Wasserstoffeintrags in Grundwasserleiter, den Aquiferen. Nahe Wittstock (Brandenburg) wurden im Rahmen des Vorhabens ein Testfeld aufgebaut, das von internationalen Interessenten aus Forschung und Wirtschaft nachgefragt wird.