R3CHAIN: Tiefengeothermie in der Rhein-Ruhr-Region. Werkzeuge zur Charakterisierung und Analyse geothermischer Reservoire, der Infrastruktur und Nutzer

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R3CHAIN

R3CHAIN: Tiefengeothermie in der Rhein-Ruhr-Region. Werkzeuge zur Charakterisierung und Analyse geothermischer Reservoire, der Infrastruktur und Nutzer

01.05.2026 bis 30.04.2029


Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien (IEG)
Am Hochschulcampus 1
44801 Bochum

Ruhr-Universität Bochum, Institut für Geowissenschaften (Hydrogeochemie und Umweltgeologie)
Technische Universität Berlin, Institut für Technologie und Management (Int. Energieinfrastrukturen)

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Tiefengeothermie

In der Rhein-Ruhr-Region (R3) eignen sich insbesondere karbonatische Gesteine im tiefen Untergrund für die geothermische Energiegewinnung. Von Relevanz sind hierbei karbonzeitliche Kohlenkalke und devonische Massenkalke, die infolge von Verkarstung oder Klüftung eine hohe hydraulische Durchlässigkeit aufweisen. Das geothermische Potential dieser Gesteine in Nordrhein-Westfalen wurde bisher nur unzureichend untersucht und steht daher im Mittelpunkt der Verbundprojekts R3CHAIN. Ziel des Projekts ist es, die geochemischen Lösungs- und Fällungsprozesse entlang von Kluft und Karstflächen zu quantifizieren, den Wärmeinhalt und die Entzugsleistung geothermischer Reservoire in den Karbonaten zu bestimmen sowie eine technisch-ökonomische Bewertung der Integration hydrothermaler Systeme in die regionale Energieversorgung vorzunehmen. Im Rahmen der geplanten Arbeiten ist eine umfassende mineralogisch-petrophysikalische Charakterisierung der Karbonate im Untersuchungsgebiet geplant. Weiterhin soll eine quantitative Datenbasis zu chemischen und physikalischen Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen aufgebaut sowie geochemische Monitoring-Werkzeuge für Lösungs- und Fällungsprozesse im Untergrund kalibriert werden. Ferner ist die Verbesserung von Prognosemodellen unter Berücksichtigung thermisch-hydraulisch-chemischer (THC) Prozesse sowie relevanter Druck- und Temperaturbedingungen vorgesehen, um das dynamische Reservoirverhalten zu bestimmen. Einen weiteren Arbeitsschwerpunkt bildet die Erstellung von Potentialkarten zum Wärmeinhalt der betrachteten Gesteinsvolumina (Heat-In-Place, HIP). Zur Ermittlung lithologieabhängiger Reservoirfunktionen ist eine Erweiterung der geothermischen Simulationssoftware »PyDoublet« geplant, welche zur Berechnung der thermischen Leistung und des Wärmeinhalts von Kluft- und Karstleitern eingesetzt wird. Außerdem soll die quelloffene Wärmenetzsoftware »pandapipes« für die Integration hydrothermaler Wärmequellen angepasst werden, um sowohl Energieversorgern als auch Endverbrauchern eine Abschätzung der Wärmekosten für regionale Reservoire zu ermöglichen. Alle neu entwickelten Methoden und Werkzeuge werden gezielt auf die geologischen Bedingungen der Rhein-Ruhr-Region angewendet, die hinsichtlich ihres tiefengeothermischen Potentials bislang als unterexplorierter urban-industrieller Raum gilt. Mit Hilfe eines eigens hierfür entwickelten Workflows sollen Netzbetreiber und Energieversorger in die Lage versetzt werden, die wirtschaftlichen Randbedingungen von Tiefengeothermie-Projekten bewerten zu können.

Das Verbundprojekt gliedert sich in fünf Arbeitspakete (AP). AP1 umfasst die geologische Erkundung der Rhein-Ruhr-Region. Hierfür ist die Zusammenstellung geologischer und hydrogeologischer Informationen in einer strukturierten Datenbank vorgesehen. Weiterhin ist die Beschaffung von Probematerial in Aufschlüssen und die Auswertung von Bohrkernarchiven geplant. Die Gesteinsproben werden mineralogisch untersucht, wobei ein besonderer Fokus auf Verkarstungserscheinungen und diagenetische Lösungsprozesse gelegt wird. Auch die geohydraulische Auswertung von Pumpversuchen gehört zu den geplanten Arbeiten, um einen repräsentativen Datensatz mit hydrogeologischen Schlüsselparametern zu erarbeiten. Im Mittelpunkt von AP2 stehen experimentelle Analysen, in deren Rahmen eine petrophysikalische Charakterisierung der Gesteinsproben unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen sowie eine mikrostrukturelle und tomographische Bestimmung des Hohlraumvolumens erfolgen soll. Weiterhin werden geologisch-petrologische Untersuchungen zur Bestimmung des Überprägungsgrades der Gesteinsproben sowie Fluidzirkulationsexperimente an induzierten Bruchflächen zur Bestimmung von Lösungs- und Ablagerungsprozessen vorgenommen. In AP3 ist die Entwicklung digitaler Werkzeuge vorgesehen. Dafür sollen die gewonnenen Daten der Reservoirgesteine zur Berechnung des geothermischen Potentials (HIP) genutzt werden. Hierbei sind sowohl eine Analyse der räumlichen Verteilung thermo-hydraulischer Gesteinsparameter als auch möglicher Risiken (z. B. Scaling) geplant. Eine daraus abgeleitete Potentialkarte für die Rhein-Ruhr-Region dient der Identifizierung von Standorten zur Simulation geothermischer Dublettensysteme mit der PyDoublet Software sowie mit vergleichbaren Programmen (Benchmarking). Im Mittelpunkt von AP4 stehen Arbeiten zur Netzsimulation und Integration tiefengeothermischer Systeme. Vorgesehen ist die Entwicklung eines Tiefengeothermie-Moduls für die Netzsimulationssoftware pandapipes, das über standardisierte Schnittstellen mit der Reservoir- und Dublettensimulation PyDoublet verbunden wird. Dadurch können geologische, hydrogeologische und thermo-hydraulische Datensätze aus der Rhein-Ruhr-Region direkt in gekoppelte Reservoir- und Wärmenetzsimulationen überführt werden. Zusätzlich soll ein KI-gestützter Chatbot entwickelt werden, der auf die Datenbanken, Potentialkarten und Simulationsergebnisse aus PyDoublet und pandapipes zugreifen kann. Über standardisierte Schnittstellen werden strukturierte Daten, techno-ökonomische Kennzahlen und Simulationsergebnisse an ein Large Language Model angebunden. So können relevante Informationen über RAG (Retrieval Augmented Generation) abgerufen und direkt mit den gekoppelten Simulationsumgebungen verknüpft werden. Dadurch wird eine dialogbasierte Planung möglich, bei der Nutzer Fragen zu Standorten, Wärmegestehungskosten, Netzintegration oder unterschiedlichen Ausbauszenarien direkt auf Basis der Daten und Modelle beantworten können. AP5 umfasst die Koordination sowie die gemeinsame Entwicklung von Handlungsempfehlungen für ein Demonstrationsprojekt in der Rhein-Ruhr-Region.