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Energieversorger stehen vor der Aufgabe, Wärmenetze trotz Kohleausstieg zukunftsfest aufzustellen. Erdwärme könnte dafür ein Baustein werden, wenn wir unser Wissen über den Untergrund vergrößern. Fraunhofer IEG zeigt nun anhand neuer Bohrkernanalysen aus Iserlohn, wie stark verkarstete Kalkgesteinsschichten aus dem Erdzeitalter Devon die Wärmeversorgung in NRW künftig unterstützen können. Die Forschenden untersuchten im Rahmen des Reallabors Geothermie Rheinland, welche Porosität, Durchlässigkeit und Struktur diese Gesteine besitzen – und warum sie gerade für Stadtwerke und Industriewärme in NRW interessant sind.
»Unsere Ergebnisse zeigen: verkarstete Gesteine in 2 bis 3 Kilometer Tiefe können für Energieversorger ein echtes Reservoir für die Wärmewende sein«, sagt Manfred Heinelt, Studienleiter am Fraunhofer IEG. Bei der Verkarstung löst Tiefenwasser über Millionen Jahre Gestein auf und erweitert Spalten und Hohlräume, was wiederum den Durchfluss des Wassers immer einfacher macht. Aus solchen verkarsteten Reservoiren lässt sich mit geringem Aufwand heißes Tiefenwasser fördern und als Wärmequelle nutzen, wie die Beispiele in München, Paris und den Niederlanden zeigen. Die Forschenden bestätigen erstmals auf Basis umfassender Labordaten, dass die Gesteine im Raum Iserlohn deutlich höhere Durchfluss- und Wärmeinhalte besitzen als bislang angenommen. NRW besitzt hier also ein relevantes Reservoir an Tiefenwärme, auch wenn es bisher kaum genutztes wird.
Höhere Durchlässigkeit durch natürliche Hohlräume
Die Untersuchungen zeigen, dass Verkarstung die entscheidenden Eigenschaften der Erdschichten dominiert. Während unveränderte Kalkgesteine kaum Wasser führen, erreichen verkarstete Einheiten effektive Porositäten von bis zu 14 Prozent und hohe Durchlässigkeiten. Das erleichtert die Strömung des Tiefenwassers und erhöht die wirtschaftliche Nutzbarkeit. Für Energieversorger bedeutet dies: Potenzielle Standorte bieten mehr hydraulische Reserven, als es Bohrdaten der Vergangenheit vermuten ließen.
Wie die Studie vorgeht
Das Fraunhofer IEG maß bei den Proben aus der Tiefe mit verbesserten Methoden Dichte, Wärmeleitfähigkeit und akustischen Eigenschaften sowie führte aufwendige Durchlässigkeitsexperimente durch – zwar im Labor aber unter Druck- und Temperaturbedingungen wie sie in 2.000 bis 3.000 m Tiefe herrschen. Zusätzlich kam ein Computertomograph zum Einsatz, um das innere Hohlraumsystem im Gestein detailiert sichtbar zu machen. Die Daten flossen anschließend in ein Computermodell ein, welches das gesamte geothermische Wärmeangebot der Gesteine bis in 3000 Meter Tiefe abschätzt. Besonders interessant sind die sogenannten Devonkalke. Die Gesteine des Devons lagerten sich vor rund 400 Millionen Jahren als Sedimente ab. Sie wurden beständig durch die Tektonik bewegt und haben chemische und physikalische Veränderung erfahren. In NRW nördlich der Linie Aachen-Düsseldorf-Arnsberg sind sie in relevanten Tiefen verbreitet. Die Studie zeigt nun, dass die Kalkgesteine in Iserlohn ausreichend rissig und porös sind, um Tiefenwasser zu speichern und zu leiten: Dies sind die Grundvoraussetzungen für eine geothermale Nutzung über Tiefenbrunnen.
Potenzial für die Wärmeplanung
Das Ergebnis: Mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90 Prozent liegen die theoretischen Wärmemengen im Untergrund von Iserlohn bei über 87 Tera-Joule, was dem Jahreswärmebedarf von rund 1500 Haushalten entspricht. Besonders relevant ist, dass die höheren Werte dort auftreten, wo die Devon-Kalkgesteine größere Mächtigkeiten und höhere Temperaturen erreichen. Die Region scheint damit ein relevantes geothermisches Reservoir zu besitzen. Die Studie zeigt auf, wie die geologische Komplexität, insbesondere die Verkarstung, die Eigenschaften des Reservoirs beeinflusst. Sie schafft gleichzeitig einen methodischen Rahmen für die geologische, chemische und petrophysikalische Charakterisierung komplexer Kalksteinsysteme in NRW, der hilft deren geothermischen Potenzials zu bewerten. Für kommunale Wärmeplaner entsteht so ein präziseres Bild über mögliche zukünftige Erschließungsgebiete.
Beteiligte Partner und Publikation
Die Studie basiert auf einer gemeinsamen Untersuchung des Fraunhofer IEG mit der Ruhr Universität Bochum und der Technischen Hochschule Georg Agricola. Veröffentlicht wurde sie unter dem Titel »Geothermal potential of karstified Devonian carbonates in NW Germany« in der Zeitschrift Geothermics (DOI: 10.1016/j.geothermics.2025.103552). Diese Studie wurde vom »Reallabor Geothermie Rheinland« und damit von Bund und Land NRW mit der Fördernummer 46SKD218X gefördert.
Über das »Reallabor Geothermie Rheinland«
Die Forschungsplattform »Reallabor Geothermie Rheinland« dient der wissenschaftlichen Untersuchung von hydrothermaler Geothermie im Rheinland durch zunächst zwei tiefe Forschungsbohrungen und großflächige geophysikalische Erkundung des Untergrundes in Verbindung mit einem stationären Observatorium in Weisweiler. Betrieben wird das Reallabor von der Fraunhofer IEG. Assoziierte Partner sind der Energieversorger RWE Power AG, die Aachener Stadtwerke STAWAG sowie die RWTH Aachen und die Ruhr-Universität Bochum. Für das Land Nordrhein-Westfalen ist das Projekt ein wichtiger Schritt im Rahmen der Umsetzung des Masterplans Geothermie. Das Reallabor kann zum Hochlauf der Geothermie in NRW beitragen. Die seismischen Messungen und Tiefbohrungen liefern wichtige Grundlagendaten für anschließende Projekte durch Wärmeversorger, Projektentwickler und Kommunen. Bei positiven Erkundungsergebnissen besteht für die Menschen, Kommunen und Unternehmen in der Region in einigen Jahren die Möglichkeit einer kostengünstigen und regionalen Wärmequelle – Erdwärme.
Bildunterschrift
Verkarstete, also von Spalten durchzogene Kalkgesteine, können heißes Tiefenwasser aufnehmen und weiterleiten. Sie bieten damit günstige Bedingungen für geothermale Reservoire. Bild: M. Heinelt, Fraunhofer IEG
Unter dem Mikroskop erkennt man die Kristallstruktur der Kalkgesteine. Ihr mikroskopischer Aufbau verrät viel über ihre Wandlung über die Jahrmillionen und die damit einhergehenden Eigenschaften. Bild: M. Heinelt, Fraunhofer IEG
Manfred Heinelt, manfred.heinelt@ieg.fraunhofer.de
»Geothermal potential of karstified Devonian carbonates in NW Germany«, Geothermics, DOI: 10.1016/j.geothermics.2025.103552
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Energie, Geowissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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