Unterirdische Geosysteme
Mit dem weltweiten Ausbau von Erneuerbaren Energien aus Windkraft und Solaranlagen steigt der Bedarf an Energiespeichern. Neben Batterietechnologien sollen hierfür auch unterirdische Geosysteme genutzt werden. Im Fokus der Forschung stehen insbesondere Salzkavernen.
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Zehn Meter tief – 28 Zentimenter Durchmesser: eine künstlich angelegte Kaverne.
Foto: Martin Zimmer
Die Wissenschaftler – ausgestattet mit Schutzausrüstung, Bohrern und Messgeräten – haben ihren Arbeitsplatz für mehrere Wochen in ein Bergwerk bei Fulda verlegt. 500 Meter unter Tage, ringsherum nur Salz. Sie interessieren sich für Hohlräume in Salzlagerstätten, die künftig eine wichtige Rolle als Speicher für erneuerbare Energien einnehmen sollen. Denn Salzgestein ist undurchlässig. Dort können sehr gut verschiedene Flüssigkeiten und Gase eingelagert werden.
ProSalz heißt dieses Forschungsvorhaben, gefördert vom Bundesforschungsministerium und koordiniert von Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ). In Kooperation mit der K+S Aktiengesellschaft, einer der größten Salz- und Mineralstoffproduzenten der Welt, wurden wichtige geochemische und geophysikalische Daten gewonnen, die für den sicheren Speicherbetrieb unerlässlich sind.
Eine Kaverne ist ein natürlicher oder künstlich geschaffener unterirdischer Hohlraum. Im engeren Sinne werden als Kavernen auch alle aus einem Salzstock künstlich ausgespülten Hohlräume bezeichnet, in denen beispielsweise Erdöl oder Erdgas gelagert wird. In Deutschland gibt es etwa 250 solcher Kavernen.
Salzstrukturen in 500 Meter Tiefe untersucht
Insbesondere das Wechselspiel von Gas, Wasser und Salz an den Rändern der Hohlräume stand im Blickpunkt – komplexe Prozesse, die möglicherweise die Dichtheit der Kavernen beeinflussen. „Salzgestein ist nicht immer homogen und kann somit nicht immer problemlos für die Speicherung von Energieträgern genutzt werden“, sagt Dr. Bettina Strauch, Projektleiterin von ProSalz.
Die Salzablagerungen entstanden vor rund 250 Millionen Jahren in der Zechstein-Zeit, als ein flaches Binnenmeer große Teile des heutigen Mitteleuropas bedeckte. In diesen mächtigen Salzlagern wurden auch Salzlösungen und später durch Vulkanismus gebildete Gase über lange Zeiträume eingeschlossen. Durch winzige Risse können diese Flüssigkeiten oder Gase mobilisiert werden, was eine potenzielle Gefahr für die Sicherheit in Bergwerken darstellt.
Um mehr über die Salzstrukturen zu erfahren, entnahm das Forscherteam um die GFZ-Geologin Strauch in einem derzeit ungenutzten Stollen in regelmäßigen Abständen jeweils zwei Meter lange Bohrkerne und untersuchte die Proben im Labor. Die Bohrlöcher wurden anschließend verschlossen und in monatlichen Intervallen die Drücke und Gaskonzentrationen gemessen.
Um die Speichermöglichkeiten von Salzkavernen zu erforschen, nehmen die Wissenschaftler regelmäßig Gasproben.
Nach deren Entnahme werden Die Bohrkerne vakuumverpackt und dann im Labor untersucht.
Erste Untersuchungen der Salzkerne werden schon im Bergwerk gemacht. Die genaue Analyse erfolgt dann im Labor.
Im Labor werden unter anderem Drucktests am Kalisalzblock durchgeführt
Je nach Herkunft ist jeder Bohrkern einzigartig: orangefarbene Kalisalz- oder graue Steinsalzkerne.
Arbeiten unter Tage und im Labor
Außerdem legten die Forscherinnen und Forscher in einem massiven Salzpfeiler, der für die Statik des Stollens nicht mehr von Bedeutung war, eine künstliche Kaverne an. Dort hinein wurden Wasser und Gase gefüllt, um im kleinen Maßstab den Weg der Stoffe im Salzgestein und die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen nachvollziehen zu können. Auch seismische Messungen kamen zum Einsatz.
Ein Großteil der Arbeiten während der dreijährigen Projektlaufzeit lief jedoch in den Laboren ab. Dort wurden die Proben zersägt, zerkleinert und mit verschiedenen Analysegeräten untersucht. Die Daten flossen dann in Computermodelle ein. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, um die tief im Salzgestein ablaufenden Prozesse besser zu verstehen“, sagt Strauch.
Die Ergebnisse sind einerseits für die Grubenbetreiber von Interesse. Denn die während des Projekts entwickelten Messverfahren könnten eine verbesserte Prognose unterirdischer CO2-Einschlüsse ermöglichen und so die Bergbau-Sicherheit erhöhen. Sie liefern aber auch wissenschaftliche Grundlagen zur Überprüfung von Kavernen, die möglicherweise als Energiespeicher dienen können.
Kavernen bieten enorme Speichermöglichkeiten
Vor allem für die Speicherung von Wasserstoff gelten Salzkavernen als vielversprechendste Option. Mithilfe der Power-to-Gas-Technologie ist es bereits technisch möglich, große Mengen dieses Energieträgers aus erneuerbarem Strom zu erzeugen. Bislang fehlen jedoch große Speicherkapazitäten. Bundesweit laufen derzeit mehrere Großprojekte, um die unterirdische Aufbewahrung von Wasserstoff zu erforschen. 9,4 Petawattstunden (1PWh = 1 Billion Kilowattstunden) Wasserstoffenergie könnten hierzulande in diesen Geosystemen gespeichert werden – das ist die 18-fache Menge des in Deutschland jährlich verbrauchten Stroms.
Salzkavernen werden in Deutschland seit Jahrzehnten aber auch dazu genutzt, um Erdgas unterirdisch einzulagern. Insgesamt rund 24 Milliarden Kubikmeter Speichervolumen stehen in 240 künstlichen Kavernen für diese Zwecke zur Verfügung, was einem Viertel des jährlichen Erdgas-Verbrauchs im Land entspricht. Ebenso wird Erdöl im Salz gespeichert.
Aber auch für die Stilllegung von Kavernenspeichern liefert das Projekt ProSalz neue Ansätze zum Erkennen möglicher Risiken. „Man kann die nicht mehr genutzten Speicher mit Wasser oder anderen Feststoffen verfüllen. Aber es reicht nicht, dann einfach den Stöpsel draufzusetzen“, sagt Strauch. Wichtig seien ein dauerhaftes Monitoring der tief unten ablaufenden Prozesse.