CARBSCALE: Geothermisches Multiskalenlabor in karstifizierten Karbonaten

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CARBSCALE

CARBSCALE: Geothermisches Multiskalenlabor in karstifizierten Karbonaten

01.06.2026 bis 31.05.2029


Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie
Lochnerstr. 4-20
52064 Aachen

Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien (IEG) Bochum

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Tiefengeothermie

Ziel des Projekts CARBSCALE ist die optimierte Erschließung karbonatischer Tiefengeothermiesysteme. Obwohl hydrothermale Karbonatreservoire zumeist günstige hydraulische und thermische Eigenschaften aufweisen, wird deren geothermische Nutzung häufig durch ausgeprägte Heterogenitäten erschwert. Ablagerungsprozesse, Dolomitisierung, Karstifizierung und tektonische Aktivitäten führen zu stark variierende Permeabilitäten, welche sich mit seismischen Erkundungsmethoden zumeist nur unzureichend detektieren lassen. Um das geothermische Potential solcher Karbonatformationen zukünftig besser prognostizieren zu können, soll im nordrheinwestfälischen Steinbruch Eschweiler-Hastenrath ein Feldlabor als dauerhafte Forschungsinfrastruktur entwickelt werden. Der Steinbruch bietet außerhalb der Dekompaktionszone einen idealen Zugang zu reservoirähnlichen Strukturen und ermöglicht die kontrollierte Nachbildung geothermischer Systeme. Das CARBSCALE Projekt gliedert sich in zwei Phasen, welche den gesamten Lebenszyklus geothermischer Projekte abbilden sollen. In der ersten Phase (2026 bis 2029) sollen der vom BMFTR geförderte Aufbau und die multiskalige Charakterisierung des Feldlabors (CARBSCALE 1) erfolgen, woran sich in einer zweiten Projektphase Ausbau und Durchführung von Langzeitexperimenten (CARBSCALE 2) anschließen werden, deren Förderung durch das BMWE geprüft wird. Mit CARBSCALE ist erstmals eine systematische Untersuchung verkarsteter Karbonatreservoire über verschiedene Skalen geplant, um dynamische Wechselwirkungen zwischen Karststrukturen und Fluiden quantifizieren zu können. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, das Risiko trockener Bohrungen und die Abhängigkeit von durchlässigen Störungszonen zu senken. Damit kann das Projekt neue Industriestandards (Referenzsystem) für die Erschließung karbonatischer Geothermiesysteme setzen, welche insbesondere für Nordrhein-Westfalen und die benachbarten Benelux-Staaten von Bedeutung sind.

Das Verbundprojekt gliedert sich in fünf Arbeitspakete (AP). Mit AP1 erfolgt der Aufbau des geothermischen Feldlabors im aktiven Kohlenkalk-Steinbruch Eschweiler-Hastenrath. Dieser befindet sich wenige Kilometer nordöstlich von Aachen im Umfeld des Braunkohlekraftwerks Weisweiler. Die geplanten Arbeiten beginnen mit der geologischen und geophysikalischen Erkundung des Untersuchungsgebiets und bilden die Basis für die Festlegung von Bohrungsstandorten. Es sind insgesamt vier Bohrungen mit einer Zieltiefe von 100 Metern geplant, die vollständig gekernt abgeteuft werden sollen. Zur Bestimmung der grundlegenden Gesteinseigenschaften sind verschiedene geophysikalische Bohrlochmessungen vorgesehen, um Bereiche erhöhter Porosität zu identifizieren. Ferner werden die hydraulischen und elastischen Parameter des untersuchten Gesteinsvolumens ermittelt. Im Fokus von AP2 steht die Untersuchung der Karbonatgesteine auf der Mikro- bis Zentimeter-Skala (Labormaßstab) anhand von Kernproben. Neben der Bestimmung der petrographischen, thermischen, hydraulischen und chemischen Eigenschaften soll insbesondere die Heterogenität der Gesteine mit Hilfe elektronenmikroskopischer und computertomographischer Untersuchungen der Porenräume analysiert werden. Ferner sind Durchströmungsexperimente geplant, um mikrostrukturelle Veränderungen unter variierenden Druck- und Temperaturbedingungen sowie spezifischer Fluidchemie zu ermitteln. Mit AP3 ist eine Quantifizierung von Heterogenitäten auf der Zentimeter- bis Dekameter-Skala (Feldmaßstab) vorgesehen. Dieses Arbeitspaket umfasst die Charakterisierung unterirdischer Strukturen (Klüfte, Störungen, Verkarstung) mittels Bohrlochmessungen und geophysikalischer Untersuchungen sowie die Quantifizierung grundlegender Gesteinseigenschaften und ihrer Heterogenität. Mit hydraulischen Versuchen und Temperatur-Tracer-Tests sollen dominante Fließwege identifiziert sowie Reservoirparameter quantifiziert werden. Weiterhin ist eine geophysikalische Überwachung mittels Crosshole-Messungen geplant, um Heterogenitätsänderungen, vernetzte Fließpfade und die raum-zeitlichen Dynamik der Fluidfront zu erfassen. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zum lokalen Wärmetransport sowie zur Austauschdynamik zwischen Matrix und Klüften. Mit den geplanten Untersuchungen soll eine präzise Kartierung von Reservoirveränderungen erfolgen, um die Fließdynamik im Karst bewerten zu können. Ziel von AP4 ist die Quantifizierung von Heterogenitäten auf der Dekameter- bis Hektometer-Skala mit Hilfe numerischer Modellierung. Hierfür sollen sämtliche Ergebnisse der Standortuntersuchungen in ein strukturgeologisches Modell des Steinbruchs Hastenrath einfließen, welches mit einem Kluftnetzwerk- (DFN) und einem thermo-hydro-mechanischen (THM) Modell gekoppelt wird. Der auf diese Weise generierte Digitale Zwilling des Steinbruchs ermöglicht es, die Reaktionen des Reservoir-Äquivalents auf unterschiedliche Randbedingungen zu analysieren und kann als Referenz für verschiedene Betriebsstrategien dienen. Damit soll ein Werkzeug zur Optimierung des Reservoirmanagements bereitgestellt werden, mit dem die Leistungsfähigkeit hydrothermaler Karbonatreservoire prognostiziert werden kann. AP5 umfasst das Projektmanagement und die Datenverwaltung.