Nutzungsszenarien & Betriebsführung

Die Erschließung und Nutzung von Erdwärme in oberflächennahen bis mitteltiefen Systemen ist mit seinen geringen operativen und wirtschaftlichen Risiken sowie seiner hohen Flexibilität und Auslegbarkeit für Einzelgebäude, Wohnquartiere und Gewerbegebiete ein wesentlicher Träger der Wärmwende in Deutschland. Unsere Expertinnen und Experten am Fraunhofer IEG sind langjährig erfahren in der Machbarkeitsprüfung, Planung, Umsetzung, Tests und Anbindung von Erdwärmesonden und Sondenfeldern sowie innovativen Lösungen für Bestandsgebäude wie dem GeoStar.

Wir bieten Ihnen alle Leistungen und Service im Bereich innovativer, oberflächennaher bis mitteltiefer geothermischer Versorgungsysteme an. Dies umfasst neben klassischen Erschließungs- und Nutzungskonzepten auch koaxial Sonden bis zu 1000 m Tiefe sowie Doppel-U-Sonden bis mehrere hundert Meter. Wir begleiten Ihre Projekte mit numerischer Analytik und Multikriterienanalysen, und unterstützen Sie durch Innovationsberatung, Weiterbildung und Produktentwicklung. Zudem streben wir eine aktive Weiterentwicklung und Optimierung eigener und externer Technologien und Verfahren an (z. B. Wärmeträgerflüssigkeiten, Erdwärmesonden, Verpressmaterialien).

Das vom Fraunhofer IEG entwickelte GeoStar-Konzept zeigt, wie auch der Bestandsbau Wohnen & Gewerbe seinen Untergrund zum klimaneutralen Heizen und Kühlen nutzen kann. Durch Schrägbohrtechnik mobiler Bohranlagen, wie dem Bo.Rex des Fraunhofer IEG, werden hierzu sternförmig angeordneten Bohrungen in etwa 10° Neigung bis in mehrere hundert Meter Tiefe zu Erdwärmesonden ausgebaut. Da durch diese Technologie ein großes Erdreichvolumen auch unter Gebäuden bei minimalem Flächenbedarf an der Oberfläche erschlossen und genutzt werden kann, reicht auch der knappe Raum zwischen bestehenden Gebäuden aus, um Erdwärme für effizientes und nachhaltiges Heizen und Kühlen zu erschließen. Nach Abschluss der Bohrarbeiten und der Anbindung an das Gebäude oder Verteilnetz ist von der geothermischen Anlage fast nichts mehr zu sehen. Da sich hierbei Kühl- und Heiztechnik kombinieren lässt und smarte Betriebsführung eine maximale Effizienz der Nutzung erlaubt, ist der GeoStar ein Erfolgsfaktoren für die Wärmewende in gewachsenen innerstädtischen Wohn- und Gewerbegebieten.

Unsere Expertinnen und Experten für die energetische Nachnutzung von stillgelegten Bergbauinfrastrukturen befassen sich mit der Analyse und Bewertung bestehender Bergwerksinfrastrukturen und deren Potentiale zur Nutzung zu Heiz- und Kühlzwecken. Dazu werden Wärme- und Kältepotentiale ermittelt und Undergrundproduktions- oder speicherkonzepte zur Nutzung und Integration von Grubenwässern sowie Potentiale zur Kopplung von Wärme- und Kältenetzen bewertet. Neben der Digitalisierung von Grubenbildern erstellen wir dreidimensionale Bergwerksmodelle, planen Bohrpfade und konzipieren die Verrohrung zur Anbindung von Grubengebäuden an oberirdische Technologien, wie zum Beispiel Solarthermie und Wärmepumpen-Systeme. Zusammen mit unseren Bohringenieuren und dem eigenen Bohr-Team können Projekte zur Erschließung und geothermischen Nachnutzung von Bergbauinfrastrukturen entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Sie realisiert werden.

Einer der größter Kostentreiber und Risikofaktoren bei der Erschließung und Nutzung untertägiger Infrastrukturen sind die Investitionskosten von Bohrungen und der Ausbau von Speichern. Die Nachnutzung schon vorhandener Bohrungen in ehemaligen Öl- und Erdgasfelder sowie von Speichern und Infrastrukturen bietet die Chance große Investitionen und auch das Machbarkeits- und Fündigkeitsrisiko zur Erschließung von Erdwärme oder energetischer und stofflicher Speicherung auszuhebeln.

Unsere Expertinnen und Experten am Fraunhofer IEG können dazu ökologische und wirtschaftliche Potenzial der verfügbaren Ressourcen in bereits installierten Bohrungen prüfen und bewerten. Dazu werden grundlegende Modellierungen und Simulationen der Nachnutzung mit Feldmessungen der Integrität und aller notwendigen Rahmenparameter verschnitten. Wir erstellen zudem Modelle zur Nutzbarmachung und Implementierung bzw. Anbindung an Infrastrukturen und Abnehmer, wie zum Beispiel beim Ausbau zu Erdwärmesonden für den Grundlastbedarf von Fernwärmenetze oder großen Einzelverbrauchern wie Krankenhäusern, Industriebetrieben oder Schwimmbädern. Wir beraten zudem, wie Sie auf Ebene kommunaler und industrielle Wärmeplanung die Umnutzung alter Erdgas- und Erdölquellen, Bergbaustrukturen und Untertätiger Speicher bewerten und berücksichtigen können.

Mittels Datenaufnahme und sensorischer Überwachung können unsere Expertinnen und Experten am Fraunhofer IEG den Betrieb und die Produktion Ihrer untertätigen Infrastrukturen überwachen und somit langfristige Prognosen zum Betrieb erstellen. Dazu werden schon bei der Erschließung und Testproduktion gezielt sensorischen Messungen des Betriebs unter- und übertage durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse erlauben Ihnen neben einer Optimierung der Betriebsführung (z. B. Produktions- und Injektionsraten geothermischer Anlagen) auch eine Risikoreduktion des Betriebs sowie eine detailliertere Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Betriebsstätte und eine möglichen Feldesentwicklung zum Ausbau weiterer Anlagen.

Mit Erreichen der Betriebsreife von untertägigen Anlagen zur energetischen oder stofflichen Produktion oder Speicherung ist eine Parametrisierung aller relevanten Faktoren zum langfristigen, wirtschaftlichen und ökologischen Betrieb sowie zur Feldesentwicklung unumgänglich. Dazu nutzen unsere Expertinnen und Expertem am Fraunhofer IEG Digitale Zwillinge sowie KI-gestützte Tools, um auf Basis vorhandener und zu generierender Daten aus dem Untergrund und dem Betrieb eine belastbare Nutzungsstrategie zur Produktion und Betriebsführung zu entwickeln.

Zur strategischen und wirtschaftlichen Implementierung von Untertageinfrastrukturen, wie geothermischen Quellen und Speicher, in Energieinfrastrukturen werden meist zahlreiche Projekte in zu entwickelnden bergrechtlichen Aufsuchungs- und Produktions-Feldern umgesetzt. Eine flächenhafte Nutzung von Erdwärme, der Inbetriebnahme mehrerer Untertagespeicher oder die Produktion von Ressourcen aus dem Untergrund erfordert demnach planerische Leistung zur optimalen Ausnutzung der verfügbaren Flächen.

Unsere Expertinnen und Experten am Farunhofer IEG stützen ihre Expertise in der Feldesentwicklung und damit einhergehenden Ausbaustrategie auf langjährige Erfahrungen. Hierzu werden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit Langzeit-Prognosen der Produktion oder Speicherung verschnitten, um die optimale Verteilung von Anlagenstandorten bei maximaler Effizienz zu berechnen. Digitale Zwillinge sowie Produktionsüberwachung der künftigen Betriebsführung helfen dabei Prognosen zur Feldesentwicklung bereitzustellen.