Georessourcen -
für die Energiewende und eine High-Tech Gesellschaft

Das Suptopic "Geoenergie" untersucht Eigenschaften und Prozesse in natürlichen und technischen Systemen um eine optimale und sichere Nutzung des Untergrunds zu gewährleisten. In diesem Subtopic erforschen wir sowohl das Potential geothermischer Systeme, die sichere untertägige Speicherung von Energieträgern (z.B. Syntese-Gas, Wasserstoff, CO2, Nuklearer Abfall) sowie Kohlenstoffressourcen (z.B. Gashydrate, Erdöl-Gas, tiefe Biosphäre).

Geothermie ist eine Säule zukünftiger Energieversorgung. Ob in der Versorgung mit Wärme oder Elektrizität, Geothermie spielt zukünftig eine wesentliche Rolle in urbanen Räumen. Die Erforschung der bestmöglichen geothermische Nutzung des Untergrunds ist Schwerpunkt der Forschung von Topic 8. Hierbei untersuchen wir grundlegende Prozesse und Eigenschaften der Erdkruste, die uns dabei helfen Wärme zu extrahieren oder Strom aus „super-heißen“ Wässern zu erzeugen. Neben der effizienteren Nutzung des Untergrunds fokussieren wir uns auch auf deren „Nebenwirkungen“ und entwickeln Strategien wie der menschengemachte Einfluss sowie die Risiken der Nutzung minimiert werden können.

Geologische Speicherung von Energieträgern (wie Wärme, Syngas und Wasserstoff) und Abfallprodukten aus nicht regenerativer Energieerzeugung (wie CO2 und Nuklearer Abfall) werden in näherer Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Zum einen bietet der geologische Untergrund das Potential große Mengen Energie zu speichern, zum anderen gilt die untertägige Speicherung auch langfristig als sicher und nachhaltig. Unsere Forschungsschwerpunkte fokussieren sich daher auf die Entwicklung von i) Nutzungsstrategien zur Wärme oder Kältespeicherung in größeren Tiefen, ii) Ansätzen zur effizienten und nachhaltigen Speicherung von synthetischem Wasserstoff and Gas, iii) Forschungsplattformen zur Erforschung der sicheren Speicherung von nuklearen Abfall. Geochemische und petrophysikalische Experimente und Messungen bilden die Grundlage für unsere Modellierungen grundlegender Prozesse.

Kohlenstoffressourcen sind unerlässlich auf dem Weg zur Energiewende. Eine effektivere Nutzung von Kohlen-Wasserstoffen und ein verbessertes Verständnis ihrer Eigenschaften und Kreisläufe sind Forschungsthemen in Topic 8. Im Bereich organische Kohlenwasserstoffe und Gashydrate sind Wechselwirkungen zwischen Kohlen-Wasserstoffen und ihren Wirtsgesteinen, Formationswässern sowie mikrobiellen Gesellschaften von besonderem Interesse für uns. Des Weiteren untersuchen wir geomechanische und physikalische Eigenschaften von hydrathaltigen Sedimenten.

Sprecher/innen:

Olaf Kolditz (UFZ)

Ingo Sass (GFZ)
Simona Regenspurg (GFZ)

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ür rohstoffintensive „Grüne Technologien“ der Energiewende und den Ausbau der Infrastruktur unsere High-Tech Gesellschaft werden zukünftig große Mengen an verschiedenen Metallen aus neuen Quellen benötigt. Topic 8 widmet sich der Erforschung von Lagerstätten „kritischer“ (z.B. W, SEE, Co) und „strategischer“ Metalle (z.B. Cu, Zn) und entwickelt Modelle wie diese entstehen. Im Fokus stehen hierbei großskalige Systeme, die zum einen einen signifikanten Beitrag zur zukünftigen Ressourcensicherheit leisten können und zum anderen nachhaltig abgebaut werden können. Wir erforschen die geodynamischen Voraussetzungen und die chemischen-physikalischen Prozesse ihrer Entstehung und entwickeln Modelle um sie im Untergrund besser auffindbar zu machen. Wir fokussieren uns auf folgende Gruppen von Lagerstätten:

Magmatische Lagerstätten, welche an (ultra) mafischen, alkalin-carbonatischen und felsisch-pegmatischen Intrusionen vorkommen können, sichern den Großteil der weltweiten Versorgung an Cr-Ni-PGE (Platin-gruppen Elemente), seltenen Erden und Li-Nb-Ta. In Topic 8 erforschen wir, ob eine Intrusion solche Lagerstätten ausbildet oder auch nicht, und welche Prozesse zur Anreicherung mit wertvollen Elementen führen. Wir kombinieren geochemische und isotopenchemische Verfahren mit petrologischen Experimenten, um herauszufinden wie sich die verschiedenen Elemente während Aufschmelzen und Kristallisation von Mineralen verhalten.

Magmatisch-Hydrothermale Lagerstätten, die an Subduktions- und Kollisionszonen gebunden sind, sind Hauptvorkommen von Cu, Mo, Au, Ag, Sn und W. Um solche Lagerstätten zu finden, ist es nötig eine Vielzahl ablaufender Prozesse und Mechanismen (z.b. Aufschmelzen, Platzname, Entgasen des Magmas, Fluid-Flow, Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, Ausfällungen) zu erkennen und bestmöglich zu quantifizieren. Forschung in Topic 8 konzentriert sich unter anderem auf die fundamentalen Prozesse wie Metall-Anreicherungen in Magmaquellen, das Verhalten von Volatilen in magmatischen Intrusionen, und die Rolle von Störungen in hydrothermalen Systemen.

Massiv-Sulfid Lagerstätten, welche in vulkanischen und sedimentären Becken vorkommen, können große Mengen an Cu, Zn und Pb enthalten. In Subtopic 8.2 erforschen wir die Wechselwirkungen zwischen diagenitischen und hydrothermalen Prozessen, welche im Zusammenspiel mit der Entwicklung von Permeabilität und Porosität, die Stoff- und Wärmeflüsse und damit die Erzbildung im Gestein bestimmen. Weitere Aspekte die wir untersuchen sind: i) die Rolle von biotischen Gesellschaften und Organik bei der Bildung von Massiv-Sulfid Lagestätten, ii) den Schwefelkreislauf, iii) Mobilität von redox-sensitiven Metallen.

Sprecher/innen:

Philipp Weis (GFZ)
Sven Petersen (Geomar)

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Zwischen den Subtopics 8.1 Geoenergie und 8.2 Rohstoffe existieren starke Synergien. Zum einen sind es dieselben Prozesse und Wechselwirkungen, die die Verteilung von Energie- und Metallressourcen in der Erdkruste kontrollieren, zum anderen ist die wissenschaftliche Herangehensweise in beiden Feldern komplementär. So fördern zum Beispiel Geothermieanlagen tiefe hydrothermale Fluide an die Oberfläche, die direkt analog zu lagerstättenbildenden Fluiden in magmatischen und hydrothermalen Systemen sind. Auf der anderen Seite zeigen Erz-bildende Systeme die Langzeiteffekte intensiver Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, die wichtige Rückschlüsse auf die Produktivität geothermischen Systemen erlauben sowie bei der Suche nach sicheren geologischen Speichern helfen.

Das ST8.3 führt unsere Forschung in folgenden Bereichen zusammen: i) Geodynamische und strukturelle Kontrolle der Verteilung von Energie- und mineralischen Rohstoffen in der Erdkruste, ii) physikalische, chemische, und biologische Prozesse sowie ihre Wechselwirkung, die für die Entstehung von Ressourcen verantwortlich sind, iii) Entwicklung neuester Technologien für das Erkunden, Darstellen und Überwachen von Georessourcen.

Geodynamische Treiber wie z.B. die Plattentektonik spielen eine herausragende Rolle beim Transfer von Energie und Masse innerhalb der Erde und kontrollieren somit die regionale Verteilung von Ressourcen. In ST8.3 erforschen wir den Aufbau der Erdkruste und ihre Störungszonen, die Wegsamkeiten für Schmelzen und Fluide bieten, und sind dadurch in der Lage Prozesse an Plattengrenzen (Magmatismus, Deformation, Hebung und Sedimentation) in neue 4D-Modelle einfließen zu lassen. Unter anderem erforschen wir das Potential von Sedimentbecken für die Bildung von Erzlagerstätten, für die Nutzung geothermischer Energie, sowie für die geologische Speicherung. Ob und wie Sedimentbecken genutzt werden können, ist direkt abhängig von ihrer geodynamischen Geschichte und damit einhergehend von bestehenden Stressregimen, thermischen Eigenheiten, und physikalischen Heterogenitäten des Gesteins im Untergrund. Des Kennen dieser Eigenschaften ist kritisch für die Abschätzung von Risiken in den verschiedenen Systemen, z.B. durch induzierte Seismizität bei Nutzung geothermischer Reservoire oder bei der Langzeitstabilität von Endlagern.

Gekoppelte Wechselwirkungen von thermischen-hydrologischen-mechanischen-chemischen Prozessen laufen über eine große zeitliche und örtliche Spanne ab und kontrollieren die Bildung von Energie- und Metallressourcen. In ST8.3 entwickeln wir neue THMC-Modelle welche Rückkopplungs- und Kaskadeneffekte berücksichtigen. Dies beinhaltet die Erforschung von Wechselwirkungen zwischen Organik-Anorganik und mikrobiellen Gemeinschaften, welche besonders wichtig bei der Bildung von mineralischen Lagerstätten sowie bei der Nutzung geothermischer Energie und untertägigen Speichern sein können.

Fortschrittliche Technologien werden für die Analyse und das Entdecken von Ressourcen sowie für eine sichere und nachhaltige Nutzung dieser Ressourcen benötigt. In ST8.3 entwickeln wir neueste Methoden und Anwendungen auf verschiedenen Feldern: i) Nutzung von Glasfasertechnologien bei der Überwachung, Abbildung und Exploration von Georessourcen, ii) Multi-Parameter Sensorsysteme, iii) analytische und experimentelle Labore, iv) Untertagelabore, v) Datenkonzepte.

Sprecher/innen:

Magdalena Scheck-Wenderoth (GFZ)
Lars Rüpke (Geomar)

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