GeoEn - Spitzenforschung zu Geothermie, Abscheidung und Speicherung von CO2 sowie zu unkonventionellen Energieressourcen - Potsdam

Die Spitzenforschung-und-Innovation-Initiative

Angesichts knapper werdender fossiler Energiereserven muss nach neuen Wegen der Energiegewinnung gesucht werden, um eine umfassende und nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten. Gleichzeitig müssen künftige Energiebereitstellungskonzepte verstärkt auf eine klimaverträgliche Gewinnung und Nutzung von Energie abzielen. So rücken erneuerbare Energien, aber auch Konzepte der CO2-Abscheidung, der CO2-Nutzung, des CO2-Transports und der CO2-Speicherung (CSS-Technologie) in den Fokus der Forschung. Das Projekt GeoEn konzentriert sich auf die Erschließung und Nutzbarmachung heimischer Georessourcen und forscht mit interdisziplinären Ansätzen insbesondere in den Bereichen Geothermie, Shale Gas (Erdgas aus Schiefergesteinsschichten) und CSS-Technologien (CO2-Abscheidung und -Speicherung).

Die Ziele

Im Fokus der Forschung stehen sichere Fündigkeitsprognosen, umweltschonende Erschließungstechnologien und effiziente Energiewandlungsverfahren für Erdwärme (Geothermie) und Shale Gas einerseits, sowie die Suche nach Möglichkeiten, das bei der fossilen Energiegewinnung freigesetzte CO2 abzutrennen, zu nutzen oder zu speichern, um so den Anstieg des CO2 in der Atmosphäre abzumildern. Hierzu werden Technologien entworfen, die übergangsweise eine schonende und klimaverträgliche Nutzung fossiler Energieträger ermöglichen, jedoch eine preisgünstige Anwendung regenerativer Energiequellen zum Ziel haben. Daraus hervorgehende Entwicklungen werden in Pilotanlagen getestet. Die Pilotanlagen sind der Oxyfuel Versuchsstand an der BTU Cottbus (CO2-Abscheidung), der Pilotstandort Ketzin (CO2-Speicherung) und die Geothermie-Forschungsplattform Groß Schönebeck.

Die thematischen Schwerpunkte

Die 4 Säulenthemen

CO2-Abscheidung, -Transport und -Nutzung

Um die CO2-Freisetzung durch den Verbrennungsprozess fossiler Energieträger weitestgehend zu vermeiden, werden in modernen Kraftwerken verschiedene Verfahren zur Abscheidung von CO2 erforscht. Dazu zählen Precombustion, Postcombustion und der Oxyfuelprozess. Letzterer wird an der BTU Cottbus entwickelt und verbessert. Beim Oxyfuel-Prozess wird im Kraftwerk die Verbrennung mit reinem Sauerstoff anstelle von Umgebungsluft durchgeführt und das klimaschädliche CO2 im Abgas angereichert. Das mit über 90 Prozent hochkonzentrierte CO2-Abgas wird anschließend einer weiteren Verwertung oder Speicherung zugeführt. Die Nutzung des CO2 als Rohstoff für weitere Verfahren und Produkte hat den Schwerpunkt auf CCU (Carbon Dioxide Capture and Utilisation) und CCC (Carbon Dioxide Capture and Cycling). Ein weiterer Forschungsbereich sind die Anforderungen an die Materialien, die im Bereich der Brennkammer/Feuerung verwendet werden.

CO2-Speicherung

Die langfristige sichere geologische Speicherung von CO2 ist der nächste Schritt nach der Abscheidung und dem Transport. Dies wird im Pilotstandort Ketzin seit drei Jahren durchgeführt und dabei wissenschaftlich begleitet. Es werden neue, innovative Überwachungsmethoden der CO2-Ausbreitung in CO2-Speichern wie „controlled source“ Magnetotellurik (CSMT), Temperaturüberwachung sowie mikrobiologische „Fingerprint“-Verfahren entwickelt und erprobt. Grundlegende Daten zu den chemischen und biologischen Wechselwirkungen zwischen Formationsfluiden, Reservoirgesteinen sowie injiziertem CO2 werden gewonnen. Reservoirmodelle werden mit Felddaten aus dem Standort Ketzin validiert.

Shale Gas

Erdgas aus Schiefergesteinen stellt eine heimische unkonventionelle Energieressource dar, die in Europa noch ungenutzt ist. Die geologischen Bedingungen, die zur Shale-Gas-Bildung und -Erhaltung führen, sind noch weitgehend unklar. Die Potenzialnachweise für Shale-Gas-Vorkommen in Karbonschichten in Deutschland sollen mit Methoden der Beckenmodellierung, mit Untersuchungen von Shale-Gas-relevanten organisch-anorganischen Wechselwirkungen im Nanobereich sowie von geomechanischen Parametern untersucht und durch Betrachtung möglicher Auswirkungen der Schiefergas-Förderung auf die Umwelt ergänzt werden.

Geothermie

Die Geothermie hat das Potenzial grundlastfähige Mengen an Strom sowie Wärme und Kälte als erneuerbare Energiequelle bereitzustellen. Mit der Geothermie-Forschungsplattform Groß Schönebeck kann die gesamte Kette geothermischer Technologie vom Reservoir bis zur Stromerzeugung abgebildet und deren Betrieb untersucht werden. Am Standort ist das Gesamtsystem so aufgebaut, dass einzelne Komponenten wie zum Beispiel Tiefpumpe, Wärmetauscher, Rohrleitungen unterschiedlicher Materialien, Filter, Arbeitsmittelkreisläufe und verschiedene Kühlsysteme betriebsnah analysiert und optimiert werden können. Das geochemische Fluidmonitoring-System zur online Beobachtung physiko-chemischer Parameter, Arbeiten zu thermischen Gesteinseigenschaften, zu Korrosionsstudien und zum biologischen Monitoring helfen, die Machbarkeit geothermischer Energieerzeugung zu konkretisieren. Zusätzlich werden Modellierungen der gekoppelten Prozesse im Fernfeld, im Reservoir, im Bohrlochnahbereich und in der Anlage bessere Vorhersagen zum Verhalten der Anlage im Langzeitbetrieb ermöglichen.

Die 3 Querschnittsthemen

Erkundung, Erschließung und Überwachung

Dieses Forschungsfeld umfasst die Erkundung, Erschließung und Überwachung von Reservoiren und wird bei den drei geowissenschaftlich orientierten Kernthemen CO2-Speicherung, Shale Gas und Geothermie eingesetzt. Die Arbeiten umfassen ein weites Spektrum zeitlicher Skalen von geologischen Zeiträumen bis zur Untersuchung von Änderungen der Reservoire während der wirtschaftlichen Nutzung. Ebenso reichen auch die betrachteten räumlichen Skalen von der Analyse ganzer Sedimentbecken bis zu mikroskopischen Untersuchungen von Gesteins- und Fluidproben. Dazu werden neben Methoden der Sedimentbeckenanalyse, die Analyse von Steuerungsfaktoren zur Entstehung von Shale Gas, die Bestimmung von thermodynamischen, hydraulischen, biologischen, chemischen und kinetischen Reservoireigenschaften, die geophysikalische Lagerstättenerkundung, sowie verschiedene Monitoring-Methoden und Untersuchungen zur Geomechanik und Bohrlochstabilität eingesetzt.

Nutzungstechnologien und Wechselwirkungen

Die Forschung in diesem Querschnittsthema befasst sich mit der konkreten Umsetzung der Forschungsergebnisse in Technologien. Die gewonnenen Erkenntnisse und Daten sollen möglichst effektiv aufgearbeitet werden, um parallel zur Grundlagenforschung auch die technische Umsetzung von Anfang an bei der Bearbeitung der einzelnen Arbeitspakete berücksichtigen zu können. So greifen die Arbeitspakete zur CO2-Abscheidung, -Transport und -Nutzung direkt ineinander. Sowohl die Geothermie, als auch die CO2-Speicherung und die Nutzung von Gas Shales greifen auf die Ressource tiefer Untergrund zurück. Jede Erkenntnis, die in einem der Teilgebiete in GeoEn gewonnen wird, stellt indirekt auch für die anderen Kernthemen einen unmittelbaren Wissensgewinn dar. Die Forschung in den Kernthemen greift z.B. auf ähnliche Bohrtechniken und Daten über die Beschaffenheit des Untergrundes zurück oder verwendet Verfahren wie Fracturing zur künstlichen Erzeugung von höherpermeablen Reservoirbereichen.

Modellierung und Simulation

Das Arbeitspaket umfasst verschiedene Aspekte der Prozessmodellierung die gemeinsam relevant sind, um einerseits die Prozesse bei der CO2-Abscheidung, -Transport und -Nutzung und andererseits die Potenziale der Reservoirnutzungen abschätzen zu können. Ein wichtiger Faktor in diesem Zusammenhang ist auch der zeitliche Rahmen der ablaufenden Prozesse. Die ökonomisch und ökologisch sinnvolle Nutzung von Reservoiren kann nicht ausschließlich auf Echtzeitexperimente aufgebaut werden, da diese zu lange Zeiträume umfassen. Die dreidimensionale Simulation dieser natürlichen Vorgänge stellt allerdings noch immer große Herausforderungen an die methodische Entwicklung. Sowohl bei der Erkundung nach geeigneten Standorten für CO2-Speicherung, Shale-Gas-Vorkommen oder geothermische Ressourcen als auch zur Einbindung der CO2-Prozesskette, ist eine Kenntnis der physikalischen Beschaffenheit des Untergrunds und seines Verhaltens Voraussetzung. Benötigt wird ein Prozessverständnis wie Strömung, Wärmeausbreitung, Stofftransport, chemische Reaktionen und mechanische Deformationen die CO2-Prozesskette und das Reservoir beeinflussen.

Die Partner

• Brandenburgische Technische Universität Cottbus – BTU Cottbus
• Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
• Universität Potsdam

Kontakt

Dr. Magdalena Scheck-Wenderoth
Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: 0331 288-1345
Fax: 0331 288-2825
E-Mail: geoenergy@gfz-potsdam.de