DeepStor dient der Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmespeichern (engl.: high temperature aquifer thermal energy storage, HT-ATES) im tiefen Untergrund. Die Notwendigkeit der Hochtemperatur-Wärmespeicherung ergibt sich aus den saisonalen Schwankungen im Wärmebedarf, die oft zu Überschusswärme im Sommer führen. Mit der Nutzung eines ausgeförderten Kohlenwasserstofffeldes nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den umfangreichen Wissensstand für den Speicher und schaffen somit eine echte Geoenergiewende.

Be- und Entlade-Experimente in den potentiellen Speicherlagen im Randbereich des ehemaligen Erdölfeldes Leopoldshafen ermöglichen kalibrierte Untersuchungen der damit verbundenen gekoppelten thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen Prozesse im Thermalwasserkreislauf. In wissenschaftlichen Experimenten werden weitere grundlegende Fragestellungen zur Entwicklung dieser Technologie vertieft betrachtet. Neben dem Hauptfokus der Wärmespeicherung gehören dazu Themen wie innovative Bohrtechnologien, Zwei-Phasen-Strömung, Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen, Einsatz von Nano-Tracern und induzierte Seismizität.

Mit einer möglichen Weiterentwicklung könnte die wissenschaftliche Infrastruktur Teil des Gesamtkonzeptes zur CO₂-neutralen Wärmeversorgung am Campus Nord des KIT werden. Solch ein Konzept auf Basis geothermischer Technologien kann langfristig als Blaupause für umliegende Gemeinden und urbane Bereiche mit Wärmenetzen dienen. Mehr über Geothermie und Geoenergie-Nutzung für den KIT Campus Nord erfahren Sie auf der Unterseite Geoenergie für den Campus. 

Aufbau der Forschungsinfrastruktur

• 2 Bohrungen bis in ca. 1'300 Meter Tiefe
• Test von Ein- und Ausspeicherung mittels eines oberirdischen Speicherbeckens
• Einspeisetemperatur bis 140°C

DeepStor besteht aus zwei Bohrungen in ca. 1'300 Meter Tiefe und einem Becken, in dem das geförderte Thermalwasser bis zur Reinjektion zwischengelagert wird. Die Erkundungsbohrung DeepStor-1 ermöglicht Untersuchungen in drei Kalkfeinsandstein-Horizonten zwischen 800 und 1'300 m Tiefe, die für die Experimente genutzt werden sollen. Langfristig wird diese Bohrung für Langzeitbeobachtungen genutzt. Dazu werden verschieden Sensoren eingebaut.

Die Bohrung DeepStor-2 ermöglicht die Durchführung der wissenschaftlichen Experimente über die Förderung und Reinjektion von Thermalwasser. Die Kalkfeinsandstein-Horizonte sind dazu über eine Perforation der Verrohrung zugänglich und werden über Packer nach oben abgedichtet. Das während der Testphase geförderte Tiefenwasser muss in einem Speicherbecken zwischengelagert werden. Die Speicherversuche mit temperiertem Wasser bis 140°C werden mit Hilfe eines Wärmetauschers und einer mobilen Heizzentrale durchgeführt.

Messsonden, die in die Erkundungsbohrung eingebracht werden, zeichnen die Antwort des Untergrundes auf die Produktions- und Reinjektionsversuche auf und ermöglichen so die Langzeitüberwachung der Versuche. Hier werden vor allem Druck- und Temperaturänderungen dauerhaft aufgezeichnet. Im tiefsten und rückverfüllten Bereich der Bohrung nimmt ein Seismometer seismische Wellen auf und ergänzt damit auch die fünf seismischen Oberflächenstationen, die um die Anlage aufgebaut werden. Damit sollen eventuelle hydro-mechanische Interaktionen aufgezeichnet werden. Über eine kontinuierliche Aufzeichnung und Echtzeitverabeitung der gemessenen Daten können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Daten mit weiteren Ergebnissen zusammenführen und zu einem Gesamtmodell des Untergrundes interpretieren.  

Beim Oberrheingraben in seiner heutigen Ausdehnung von Basel im Süden bis nach Frankfurt am Main im Norden handelt es sich um einen Grabenbruch, der tief in die Erdkruste hineinreichte und später mit Sedimenten verfüllt wurde. Hier wird der Wärmehaushalt im Untergrund von einer positiven Temperaturanomalie bestimmt. Was das genau ist und warum sich diese Region so gut für die Geoenergie-Nutzung eignet, erklärt die Unterseite Geoenergie & Nutzung.

Die Grabenfüllung erreicht eine Mächtigkeit von teilweise mehr als 3 km und besteht aus unterschiedlichen Sedimentschichten, die sich über Jahrmillionen übereinander ablagerten. Diese Schichten werden nach dem Zeitabschnitt in der Erdgeschichte benannt, in der sie abgelagert wurden, oder nach einer Ortschaft, in der man sie findet. Ihre Zusammensetzung gibt Hinweise auf die Umweltbedingungen zur Zeit ihrer Ablagerung. Im Oberrheingraben zeugen sie von einer wechselvollen Geschichte, in der diese Region von einer Seen- und Flusslandschaft geprägt war und immer wieder vom Meer überspült wurde. 

Quartär & Pliozän, bis max. 200 m, Ablagerungsalter: ca. 5 Millionen  - 12'000 Jahre

Hier findet man die jüngsten Sedimente. Im Quartär und Pliozän wurden überwiegend Sande und Kiese abgelagert. Sie werden am KIT-Campus Nord wie in vielen Regionen im Oberrheingraben als Grundwasserleiter genutzt. Um sie zu schützen, wird die DeepStor-Bohrung in den pliozänen-quartären Sedimenten durch insgesamt drei Verrohrungen von den Grundwasser führenden Schichten isoliert, so dass ein Eintrag von Tiefenwässern in das Grundwasser ausgeschlossen werden kann. Zudem wird ein zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Grundwassermonitoring zur Überwachung der Grundwasserqualität installiert.

Landau- /Bruchsal Formation bis ca. 800 Meter, Ablagerungsalter: ca. 25 – 16 Millionen Jahre

Bei der Landau- und der darunter liegenden Bruchsal-Formation handelt es sich um größtenteils Mergel, das hauptsächlich aus Kalk und Ton besteht. Unterbrochen werden die Mergelschichten von marin und brackisch gebildeten Dolomit- und Kalksteinen. Man findet hier Fossilien wie Corbicula (Muschelgattung) und Cerithien (Schneckengattung). In der Landau-Formation dominieren Mergel aus Süßwasserablagerungen, in denen die Hydrobien (Schneckengattung), zu finden sind. In der Landau- und Bruchsal-Formation befinden sich nur vereinzelte sandige Lagen, die als Speichergesteine dienen könnten. Zu Zeiten der Ablagerung beider Formationen gab es eine hohe tektonische Aktivität.

Niederrödern-Formation bis ca. 1000 Meter, Ablagerungsalter: ca. 28 – 25 Millionen Jahre

Die Sedimente der Niederrödern-Formation sind durch grüne, graue, rote, ockerfarbene („bunte“) Mergel charakterisiert, in die erste, mächtigere fluviatile Sandsteinlagen und –linsen in Rinnensystemen abgelagert wurden. Die Niederrödern-Formation ist relativ fossilarm. Einige Pflanzenreste und Kohlen treten auf und deuten auf kontinentale, fluviatile-lakustrine Ablagerungsbedingungen hin. In dieser Zeit hatte sich also das Meer zurückgezogen, es gab Seen und Sümpfe, und Flüsse luden ihre Fracht ab. 

Froidefontaine-Formation bis ca. 1400 Meter, Ablagerungsalter: ca. 32 – 28 Millionen Jahre

Die Sedimente der Froidefontaine-Formation sind durch uniforme graue Mergel mit eingelagerten Sandsteinlagen charakterisiert, die unter marinen Bedingungen abgelagert wurden. Fossilien sind nicht selten und zum Teil namengebend (z.B. Foraminiferenmergel, Fischschiefer, Melettaschichten, Cyrenenmergel). Die Froidefontaine-Formation kann wie die darüberliegende Formation im Bereich von "Erdölfallen" - wie bei Leopoldshafen - ölführend sein. Der Salzgehalt in den Sandsteinlagen ist sehr hoch: 1 Liter Wasser enthält etwa 120 g Salz. Die eingebetteten Sandsteinschichten sollen als mögliches Speichergestein in DeepStor untersucht werden. 

GECKO ist ein inter- und transdisziplinäres Verbundprojekt zwischen dem KIT und dem Öko-Institut e.V. In einem Co-Design-Prozess wurde gemeinsam mit Bürgerinnen, Bürgern sowie weiteren Stakeholdern ein Konzept zur Nutzung der Geothermie für eine klimaneutrale
Wärmeversorgung am Campus Nord des KIT entwickelt. Die Ergebnisse dieses Projekts fließen in das DeepStor-Konzept ein. Zukünftig sollen Bürgerinnen und Bürger eingeladen werden, im Rahmen eines Citizen-Science-Projekts selbst Daten zu erheben und so einen  direkten Einblick in die Forschung zu erhalten.

Haben Sie Fragen zum Projekt? In Kürze entsteht eine Sammlung von FAQ zum Thema Geothermie und Geoenergienutzung für den Campus auf unserer Webseite. Ihre Fragen können Sie gerne senden an geoenergiecampus∂kit.edu