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Angus+ - Forschungsvorhaben

ANGUS+, Auswirkungen der Nutzung des geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher im Kontext der Energiewende - Dimensionierung, Risikoanalysen und Auswirkungsprognosen als Grundlagen einer zukünftigen Raumplanung des Untergrundes - ein Leuchtturmprojekt der Förderinitiative „Energiespeicher“

Steckbrief

Programm/ Zuschussgeber

BMWi

Akronym

Angus+

Titel/ Thema

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

Identifikation/ Zuwendungsnummer

03ET6122

Durchführungszeitraum

2017-01-01  –  2020-12-31

Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag

6.628.605

Sonstiges

 

Wesentliche Forschungsschwerpunkte

Der verstärkte Übergang zu regenerativen Energiequellen macht aufgrund der zeitlich fluktuierenden Erzeugung eine Speicherung von Energie notwendig. Regenerativ erzeugter Strom kann in andere Energieträger wie Wärme, Druckluft, Wasserstoff und Methan umgewandelt, gespeichert werden, und bei erhöhtem Energiebedarf später genutzt werden. Der geologische Untergrund bietet hierfür ein großes Potential an Speicherkapazitäten in Kavernen und porösen Gesteinsschichten. Die möglichen Potentiale und Auswirkungen einer Speicherung von sekundären Energieträgern im geologischen Untergrund werden im Projekt ANGUS+ untersucht.

Unterirdische Gesteinsschichten, die als Speicherraum in Frage kommen, werden zunächst anhand ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften beschrieben. Diese Parametrisierung umfasst die Sammlung von Daten zu thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften und Prozessen in Gestein und Grundwasser aus Literatur-Recherchen und experimentellen Labor-Arbeiten innerhalb des Projekts. Die hierbei angelegte Parameter-Datenbank speist numerische Simulationswerkzeuge, mithilfe derer die durch unterirdische Energiespeicherung induzierten Abläufe und Wechselwirkungen thermischer, hydraulischer, mechanischer, chemischer und mikrobiologischer Prozesse berechnet werden. Die dazu notwendigen numerischen Modellwerkzeuge werden im Projekt ANGUS+ entwickelt  und eingesetzt.

Aus der vertieften Kenntnis des geologischen Untergrundes und der ablaufenden Prozesse werden virtuelle, realitätsnahe Standortszenarien für die einzelnen unterirdischen Energiespeicheroptionen entwickelt. Diese werden anschließend numerisch ausgeführt, und so die unterirdischen Energiespeichervorgänge simuliert und deren Auswirkungen auf bestehende Schutzgüter prognostiziert. Hierbei wird die Speicherung  von Gasen in Salzkavernen und porösen Gesteinsschichten des tiefen geologischen Untergrundes betrachtet, sowie die Speicherung von Wärme in oberflächennahen und tiefen Gesteinsschichten. Geeignete Methoden zur Überwachung der ablaufenden Prozesse und für das Monitoring von Umweltauswirkungen können dann aus Simulationen abgeleitet werden.

Im Hinblick auf möglicherweise konkurrierende Untergrundnutzungen werden im Projekt ANGUS+ schließlich erste Konzepte für die unterirdische Raumplanung entworfen. Im Rahmen zweier Leitfäden zur Energiespeicherung im tiefen Untergrund einerseits und zur oberflächennahen Wärmespeicherung andererseits werden aus den Ergebnisse des Projekts ANGUS+ anwendungsorientierte Empfehlungen abgleitet, die so Planern und Entscheidungsträgern zur Verfügung gestellt werden.

Teilvorhaben

Zur Integration geotechnischer Energiespeicher in die Energieversorgungsnetze bei unterschiedlichen Ausbaupfaden der Energienetze und Erneuerbaren-Energien-Erzeugung sowie zur Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarien soll an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel durch Kopplung bestehender Modelle zur Simulation der Energienetze, Energieeinzelanlagen und der geotechnischen Speicher ein Modellinstrumentarium entwickelt und beispielhaft anhand realistischer Szenarien angewendet werden. Anhand mesoskaliger Technikums- und Feldversuche soll das entwickelte Instrumentarium validiert werden. Das notwendige Prozessverständnis und die Parametrisierung sollen durch experimentelle Laborversuche erworben werden. Zur Parametrisierung des Untergrundes und der durch den zyklischen Speicherbetrieb induzierten Prozesse werden an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel geomechanische, geochemische und thermische spezifisch ausgerichtete Laborversuche durchgeführt und ausgewertet. Zur Analyse des großräumigen Verhaltens geotechnischer Wärmespeicher und Gasspeicher für Wasserstoff, Druckluft und synthetisches Methan werden dezidierte numerische Methoden weiterentwickelt und in Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern in numerische Prozessmodelle implementiert. Anhand dieser Simulationsmethodik werden dann realistische Speicher mit wirtschaftlich sinnvoller Betriebsführung dimensioniert. Anhand von Prozessmodellen und den experimentell ermittelten Parametern und Prozessen werden die induzierten Auswirkungen beurteilt und Möglichkeiten des Monitorings entwickelt und beurteilt. Diese Methodik wird dann an mesoskaligen Technikumsversuchen sowie an Feldmessungen getestet und validiert.

Spezifische Ziele des Antragstellers sind die Simulation und das Monitoring von Prozessen in stofflichen oder thermischen geotechnischen Speichern als Beitrag für die Bewertung der Potenziale und Sicherheit dieser Anlagen sowie deren Auswirkung auf die Umwelt, insbesondere auf Schutzgüter (z. B. Grundwasser). Die Modellbildung basiert auf progressiven numerischen Ansätzen zur Simulation gekoppelter physikalischer und geochemischer Prozesse. Ein hinreichendes biogeochemisches Monitoring ist notwendig, um den nachhaltigen Betrieb geologischer Speicher zu gewährleisten und potenzielle handlungsrelevante Auswirkungen frühzeitig zu erkennen. Im Bereich Umweltinformatik werden numerische Methoden zur Analyse großskaliger geotechnischer Wärme-/Kältespeicher entwickelt und in die wissenschaftliche open-source-Software OpenGeoSys implementiert, was im Rahmen einer gemeinsamen Programmentwicklung von Verbundpartnern den direkten und effizienten Zugriff durch alle Entwickler erlaubt. In thermisch-hydraulisch-mechanisch/chemisch gekoppelten Modellen werden die Einflüsse zyklischer Prozesse bei Bau und Betrieb der Systeme erfasst. Szenariensimulationen sind auf die Evolution lokaler Spannungsfelder, auf Temperaturfeldstudien sowie auf die Analyse reaktiver Transportprozesse fokussiert. Verschiedene, im Bereich Isotopenbiogeochemie entwickelte, Messverfahren und -strategien werden hinsichtlich ihrer Eignung zum räumlich und zeitlich angepassten Monitoring beim Betrieb oberflächennaher Wärmespeicher sowie von Porengasspeichern evaluiert und die gewonnen Ergebnisse in Geländeversuchen am Pilotstandort validiert. Die Ergebnisse fließen in die Aktualisierung und Erweiterung von Leitfäden ein.

Die AG Sirocko hat in Schleswig-Holstein im Rahmen des DFG-SPP1135 umfangreiche Vorarbeiten zur Erfassung neotektonisch aktiver Störungen aufgebaut und publiziert. Im vorliegenden Arbeitspaket soll eine Methodik entwickelt werden, um Zonen bzw. Punkte aktiver Bewegung an der Erdoberfläche verlässlich zu erfassen. Hierfür wird das Ostufer des Plöner Sees, als Beispiel nachgewiesener aktiver Bewegungen, mit verschiedenen Methoden untersucht. Ziel ist dabei die Identifizierung aussagekräftiger Methoden um aktive Bewegung an Störungen und Salzstöcken effizient, umweltschonend und verlässlich zu charakterisieren. Die Untersuchungen zur Dichtigkeit der Deckschichten über einem tiefen Speichers haben direkte Bedeutung für das Projekt ANGUS2, sind aber auch von wirtschaftlicher Bedeutung für die Exploration von Erdöl und Erdgas. Im ersten Jahr werden Radonanalysen der Bodenluft kartiert und mit geophysikalischen Bodenparameter (AG Rabbel) statistisch ausgewertet. Im zweiten Jahr wird auf dieser Basis eine 50 m tiefe Grundwassermessstelle in einer aktiven Struktur gebohrt. Ein wichtiger Informationsträger im Bohrloch ist erneut das Radon. In der Grundwassermessstelle werden die Hydrochemie des Wassers sowie die Gase der Luft im Brunnenrohr erfasst. Spezielle Messungen der Gase in der Grundwassermessstelle werden in Zusammenarbeit mit der AG Dahmke durchgeführt. Im dritten Jahr werden alle Daten in einem GIS basiertem dreidimensionalem Blockbild visualisiert. Ergänzt werden die Arbeiten am Ostufer des Plöner Sees im zweiten und dritten Jahr durch Kartierungen anderer aktiver Regionen in Schleswig-Holstein, um die Charakterisierung der Bewegungen grundsätzlich zu beschreiben.

Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung und Anwendung eines Modellinstrumentariums zur wirtschaftlich-technischen Simulation und Optimierung von Energiespeicheranlagen im umgebenden Versorgungssystem. Damit sollen technisch belastbare und mit zukünftigen Entwicklungen des Versorgungssystems übereinstimmende Betriebsdaten der untersuchten geologischen Speicher ermittelt werden. Weiter kann auf dieser Basis die Technologieperspektive einzelner Energiespeicherkonzepte bewertet werden. Die Arbeiten der Hochschule Flensburg stellen die Verbindung zwischen Energieversorgungsstruktur und konkreten technisch-physikalischen Auslegungs- und Betriebsdaten von geologischen Speichern her. Die dazu notwendige Simulation von als beispielhaft ausgewählten Einzelanlagen nimmt dabei von der umgebenden Versorgungsstruktur insbesondere ökonomische Randbedingungen, wie etwa Preiszeitreihen, entgegen und liefert an der Schnittstelle zum physikalischen Speicher zeitlich hoch aufgelöste Betriebskollektive. Zur Untersuchung stofflicher Speicher werden Druckluftspeicherkraftwerke gewählt. Thermische Speicher werden am Beispiel von netzgebundenen Wärmeversorgungsanlagen untersucht. Um diese angemessen abzubilden, werden die Einzelanlagen auf der Ebene energietechnischer Komponenten, wie Turbinen, Verdichter und Wärmeübertrager, berechnet und daraus Anlagencharakteristiken abgeleitet, die zur numerischen Auslegungs- und Einsatzoptimierung verwendet werden. Technisch-physikalische Daten werden an die Untersuchung der geologischen Speicher weitergereicht. Ökonomische Ergebnisse dienen dagegen zur Bewertung der Rolle der

Es ist zu beachten in welchem zeitlichen und räumlichen Umfang die Speicher vom Energiesystem benötigt werden. Dies wird durch die Nutzung von Energiesystemmodellen abgebildet. Die Europa-Universität Flensburg (EUF) wird Modelle zur Simulation von Strom- und Energienetzen entwickeln und zusammen als ein Energiesystemmodell koppeln. Dabei wird auf dem an der EUF entwickelten unter offenen Lizenzen verfügbarem Simulationstools renpass und dem Open Energy Modelling Framework oemof aufgebaut. Die detaillierte simulative Betrachtung der Untergrundnutzung erfordert die Verknüpfung der geologischen Speichermodelle, der oberirdischen Anlagenmodelle und des Energiesystemmodells, um Wechselwirkungen korrekt abzubilden. Hierfür müssen geeignete Schnittstellen entwickelt und implementiert werden. Mögliche Entwicklungspfade des Energiesystems werden in Form von Szenarien entwickelt. Sie werden im Energiesystemmodell und in den über die Schnittstellen angebundenen Modelle genutzt. Aus diesen untersuchten möglichen Entwicklungspfaden wird einer ausgewählt, der plausibel ist und eine hohe Speichernutzung beinhaltet. Hierdurch wird es möglich, einen plausiblen Ausbaupfad mit hohen Nutzungsanteilen von geologischen Speichern, Hochtemperatur-Wärmespeichern, Druckluftspeichern und Kleingeothermieanlagen nicht nur in der Energiesystemsimulation detailliert zu untersuchen, sondern auch verschiedene Nutzungsszenarien des Untergrunds für diesen Entwicklungspfad des Elektrizitätssystem abzuleiten.

Koopertionspartner

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Geowissenschaften Geohydromodellierung, Kiel
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ - Department Umweltinformatik, Leipzig
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz - FB 09 Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften - Institut für Geowissenschaften, Mainz
  • Hochschule Flensburg, Flensburg
  • Europa-Universität Flensburg, Flensburg

Weblinks

http://www.angus2.de