Finden sich die Gesteinsformationen der über 350 Millionen Jahre alten devonischen Massenkalke im Hagener Untergrund und eignen sie sich in Tiefe, Temperatur und Mächtigkeit zur energetischen Nutzung? Für diese Fragestellungen gewinnen die drei Projektpartner im Rahmen des Forschungsprojektes »Geothermale Papiertrocknung« Daten und Erkenntnisse durch das seismische Erkundungsprogramm im Frühjahr 2021.

Ziel ist es, den Untergrund in Hagen-Kabel detaillierter als bisher zu charakterisieren, um beurteilen zu können, ob sich der Standort in Hagen eignet, Erdwärme aus bis zu 4000 Metern Tiefe für das Papierwerk im Hagener Stadtteil Kabel wirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. Der Papierhersteller Kabel Premium Pulp & Paper, einer der größten Arbeitgeber in Hagen, möchte seine Papiertrocknung und damit seinen Wärmebedarf nachhaltig und zukunftssicher aufstellen.

Auswertung der Messdaten

Während der Messungen im Februar wurden entlang zweier Strecken alle 50 Meter Schallwellen in den Untergrund geschickt. Zeitgleich wurden an einer Vielzahl von Messstellen entlang des Wegesrandes die aus dem Untergrund reflektierten Wellen mit empfindlichen Geophonen gemessen. Aus der Laufzeit der aufgezeichneten Signale können die Fachleute auf die Tiefe der Schichten schließen und aus der Veränderung des Reflexionsbildes auf einige Gesteinseigenschaften des Untergrundes.

Anhand dieser Daten haben die Geologen und Geophysiker des Fraunhofer IEG erste Modelle des geologischen Aufbaus im Untergrund entwickelt, um die Frage zu beantworten, wo und in welcher Ausprägung sich die prognostizierten Kalksteinschichten befinden. Dr. Oliver Ritzmann, Geologe vom Fraunhofer IEG, betont: »Die Analyse und Interpretation der gewonnenen Daten aus dem Hagener Raum ist besonders aufwendig und herausfordernd.« Anders als in anderen Regionen Deutschlands wie etwa München, dem Oberrheingraben oder dem Norddeutschen Becken fehlt es in weiten Teilen NRWs an Referenzpunkten, da die Erkundung und Probennahme aus kilometertiefen Bohrungen etwa der Öl- oder Gasgewinnung fehlt. Der Kohlebergbau in der Region hat kaum Tiefen jenseits von einem Kilometer erschlossen. «Wir leisten hier Pionierarbeit für die Exploration des südlichen Ruhrgebietes in bis zu 4000 Metern Tiefe«, so Ritzmann weiter. »Daher sind die Arbeiten an Gesteinsproben aus dem südlichen Hagen auch wichtig für die Beurteilung des ganzen unterirdischen Systems.«

Die Modelle, die Ritzmann und sein Team aus den Daten entwickelten, bestätigen die vermuteten geologischen Verhältnisse in Hagen und sind konform mit der Existenz einer Kalksteinschicht unter dem Gebiet. In verschiedenen Szenarien haben sie den Verlauf und die Dicke der Formation modelliert. Auch hier scheinen sich die ursprünglichen Vermutungen zu bestätigen. Je nach konkretem Standort zeigen die Modelle die gesuchte Kalksteinschicht in knapp 3000 Metern bis über 4000 Metern Tiefe mit einer Dicke von bis zu 700 Metern.

Für das weitere Projekt sind diese Erkenntnisse wichtig. Sie dienen dem Fraunhofer IEG als Grundlage für die weitere Planung eines möglichen Bohr- und Erschließungskonzepts; Fraunhofer UMSICHT arbeitet basierend auf den prognostizierten Temperaturen des Gesteins von 130 bis 160 Grad Celsius die Konzepte für die Anlagentechnik zunächst in einer Machbarkeitsstudie weiter aus.

Nächste Arbeitsschritte

Die Projektpartner werden in den kommenden Monaten mehrgleisig weiterarbeiten. Sie entwickeln das Untergrundmodell auf Basis der seismischen Daten sukzessive weiter. Gleichzeitig beginnen die Planungen für eine Forschungsbohrung an einem Standort, wo die Kalksteine nur 300 Meter tief liegen, um Gesteinsmaterial für weitere Laboruntersuchungen zu gewinnen. Im Labor untersucht das Team dann die Massenkalkproben hinsichtlich ihrer Wasserdurchlässigkeiten und Porosität. Natürliches Thermalwasser ist das Medium, welches bei der Nutzung tiefer geothermischer Potentiale die Wärme an die Oberfläche transportiert.

Trotzdem bestehen auch weiter Unsicherheiten. Abschließend kann die Situation in der Tiefe nur vor Ort geklärt werden. Vor Ort bedeutet in diesem Fall, dass man mehrere tausend Meter tief Bohren muss, um die Geologie mit Sicherheit bestimmen zu können. Kabel Premium Pulp & Paper und die beiden Fraunhofer-Institute werden im weiteren Projektverlauf die Basis für eine Entscheidung über die Abteufung einer tiefen Geothermiebohrung am Standort schaffen.

Über das Projekt

Die Kabel Premium Pulp & Paper GmbH untersucht zusammen mit der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG aus Bochum und dem Fraunhofer UMSICHT aus Oberhausen die Möglichkeiten der Erdwärmenutzung aus Tiefen von bis zu 4000 Meter am Standort Hagen.

Während das Fraunhofer IEG bis Ende 2022 die Geologie des Untergrundes in bis zu 4.000 Metern Tiefe untersucht, um abschätzen zu können, in wie weit die Nutzung der Erdwärme mit erwarteten Temperaturen von bis zu 160°C überhaupt möglich ist, entwickelt Fraunhofer UMSICHT dazu verfahrenstechnische Konzepte, um die Wärme, die aus der tiefen Geothermie gewonnen werden kann, in die Prozesse der Papiertrocknung einzubinden.

Die Papierherstellung ist eine der energieintensivsten Branchen in Deutschland. Knapp 40.000 Mitarbeiter*innen der deutschen Zellstoff- und Papierindustrie erwirtschafteten 2020 in 152 Werken laut dem Verband der deutschen Papierfabriken einen Umsatz von 12,7 Mrd. Euro. Um diese Branche in Deutschland nachhaltig und zukunftssicher aufzustellen, braucht es Lösungen, um fossile Energieträger zu ersetzen. Eine könnte die Tiefengeothermie sein.

Das Forschungsprojekt und die seismische Untersuchung werden mit Mitteln des Landes NRW und der Europäischen Union gefördert und von der EnergieAgentur.NRW unterstützt.