Induzierte Seismizität. Themeninfo II /2018. Das Risiko von Mikro-Erdbeben im Umfeld geothermischer Anlagen vermeiden. Energieforschung kompakt

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1 Themeninfo II /2018 Energieforschung kompakt Induzierte Seismizität Das Risiko von Mikro-Erdbeben im Umfeld geothermischer Anlagen vermeiden Ein Service von FIZ Karlsruhe GmbH

2 2 BINE-Themeninfo II/2018 Zur Sache Neben Kohle, Erdgas und geringen Mengen Erdöl verfügt Deutschland noch über einen weiteren natürlichen Bodenschatz, der sich zur Energieversorgung nutzen lässt: Geothermie (Erdwärme). Die Ressourcen der tiefen Geothermie, die unterhalb von m zu finden sind, befinden sich in Thermalwasserschichten (Aquiferen) und Gesteinsschichten mit hohen Temperaturen. Die Vorkommen sind an bestimmte geologische Formationen gekoppelt, d. h., für eine geothermische Energiegewinnung gibt es Schwerpunktregionen. Dort liegen nutzbare Wärmeressourcen näher an der Erdoberfläche und sind deshalb mit Bohrungen kostengünstiger zu erreichen, als es im Durchschnitt in Deutschland zu erwarten ist. In Deutschland wird Geothermie zur Strom- und Wärmeversorgung eingesetzt. Als nach menschlichen Maßstäben erneuerbare Energiequelle bietet die Geothermie wichtige Vorteile: Sie steht unabhängig von Tages- und Jahreszeiten zur Verfügung, kann damit zur Grundlastversorgung eingesetzt werden und arbeitet nahezu CO 2 -neutral. Auch die Geothermie kann, wie andere menschliche Aktivitäten, seismische Ereignisse (Erdbeben) auslösen. Von menschlichen Aktivitäten verursachte Beben heißen induzierte Seismizität. Überwiegend handelt es sich um Mikrobeben, die meistens unterhalb oder knapp oberhalb der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeit liegen. Bundesweit bekannt wurden die seismischen Ereignisse in Landau im Jahr 2009 im Umfeld der örtlichen Geothermieanlage. Eine Expertengruppe aus Geologie-Wissenschaftlern kam in ihrem Abschlussbericht zu den dortigen Ereignissen zum Ergebnis, dass die Stärke der Seismizität in einem Bereich lag, in dem leichte nichtstrukturelle Schäden an empfindlichen Gebäuden nicht mehr vollkommen ausgeschlossen werden können. Aus diesen und anderen Ereignissen hat die Energieforschung die Konsequenz gezogen, die Entstehungsmechanismen der induzierten Seismizität und Konzepte zu deren Erfassung und Vermeidung intensiv zu erforschen. Dieses BINE-Themeninfo stellt die Ergebnisse der Forscher vor, z. B., welche Anlagen im Monitoring untersucht wurden, welche Zusammenhänge zwischen regionaler Geologie und Seismizität bestehen und mit welchen Konzepten sich das seismische Risiko beherrschen lässt. Ihre BINE-Redaktion wünscht Ihnen eine anregende Lektüre Autoren Margarete Pilger (geb. Vasterling) Dr. Thomas Plenefisch Prof. Dr. Ulrich Wegler* Dr. Lars Ceranna Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover * jetzt: Universität Jena Redaktion Uwe Milles Urheberrecht Eine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an. Alle Abbildungen stammen von den Autoren, soweit nichts Anderes vermerkt. Titelbild: Stadtwerke München, Steffen Leiprecht (Symbolbild) Inhalt 3 Geothermie zur Energieversorgung nutzen 4 Deutschland in der Tiefe 7 Auslösende Faktoren von Seismizität Aufmacherbilder: S. 3: Stadtwerke München S. 4: Touristeninformation Dahner Felsenland, Kurt Groß, S. 7: Vattenfall S. 9: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe S. 16: Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz, Bernd Schmidt 9 Seismisches Monitoring bei tiefer Geothermie 15 En Passant: Geothermie historisch 16 Seismizität infolge Geothermie vermeiden 19 Standpunkte: Wie wird das Thema Seismizität den weiteren Ausbau der Geothermie in Deutschland beeinflussen? 20 Geothermie im Energieforschungsprogramm Kaiserstraße , Bonn Tel kontakt@bine.info

3 BINE-Themeninfo II/ Geothermie zur Energieversorgung nutzen In Deutschland trägt die Geothermie bislang nur wenig zur Energieversorgung bei, verfügt aber für die Zukunft noch über große Potenziale, besonders auf dem Wärmemarkt. Auch in Deutschland ist die Erde häufiger in Bewegung als Menschen wahrnehmen können. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang von seismischen Ereignissen. Im Unterschied zu Ländern wie Italien und Island, die vulkanische Wärmevorkommen mit hohen Temperaturen nutzen können, arbeiten aufgrund anderer geologischer Bedingungen die deutschen Geothermieanlagen mit Temperaturen zwischen 100 und 160 C. Die direkte Wärmenutzung kann bereits heute gegenüber konventionellen Systemen zur Versorgung von Quartieren bestehen, während die geothermische Stromerzeugung künftig nicht mehr im Vordergrund steht. Nach der aktuellen Statistik des Bundesverbands Geothermie waren in Deutschland im März 2018 insgesamt 36 Anlagen der tiefen Geothermie in Betrieb. Diese Anlagen verfügen über eine thermische Leistung von 315 MW. An acht dieser Standorte stehen geothermisch betriebene Kraftwerke, deren elektrische Leistung bei ca. 35 MW liegt. Auch wenn die Geothermie damit nur einen geringen Beitrag zur Energieversorgung Deutschlands leistet, stehen nach geologischen Kenntnissen in der Tiefe noch große Wärmeressourcen zur Verfügung, die künftig erschlossen werden können. Weltweit sind in 78 Ländern, darunter 35 europäische Nachbarstaaten, Anlagen der tiefen Geothermie in Betrieb (Stand: 2015). Die installierte thermische Leistung beträgt etwa MW und die elektrische Leistung etwa MW. Was ist ein seismisches Ereignis? Seismologen nennen jede, in einem kurzen Zeitraum stattfindende Erdbewegung im Erdinneren, die sich mit Messgeräten nachweisen lässt, ein seismisches Ereignis bzw. ein Mikro-Erdbeben oder Erdbeben, je nach gemessener Stärke (Magnitude). Die seismischen Messgeräte (Seismometer) sind sehr leistungsstark und erfassen auch kleinste Bewegungen des Bodens, die unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeit liegen. So ließ sich bei einem Versuch beispielsweise das synchrone Hüpfen tausender Konzertbesucher in einigen hundert Metern Entfernung mit Seismometern messen. Dieses wissenschaftliche Verständnis liegt diesem Themeninfo zugrunde, wenn im Folgenden von seismischen Ereignissen gesprochen wird. In der Alltagssprache meint der Begriff Erdbeben meistens Ereignisse mit einem größeren Schadenspotenzial sowie Personen- und massiven Sachschäden. Erderschütterungen, die Menschen mit ihren Sinnen wahrnehmen, aber bei denen keine oder minimale Sachschäden zu beklagen sind, werden meistens leichte Beben genannt. Im Zeitraum zwischen 1996 und 2016 haben Überwachungsstationen in Deutschland rund nicht oder kaum spürbare Beben registriert, von denen 57,5 % auf natürliche Ursachen und 42,5 % auf menschliche Eingriffe (z. B. Bergbau) zurückzuführen sind. Oberhalb der Wahrnehmungsschwelle (Magnitude > 3) gab es im gleichen Zeitraum 400 Ereignisse, zu 76 % aufgrund natürlicher Ursachen und zu 24 % durch menschliche Eingriffe. Davon entfielen in die beiden obersten Stufen der Skala mit einzelnen Gebäudeschäden (Magnitude 4 5) bzw. Schäden an mehreren Gebäuden (Magnitude 5 6) 26 natürliche Ereignisse und ein menschlich verursachtes. Dieses ging auf einen größeren Einbruch in einem Salzbergwerk zurück. Das stärkste Beben in Zusammenhang mit tiefer Geothermie erreichte eine Magnitude von 2,7. Das BINE-Themeninfo beginnt mit einer knappen Einführung in die geologischen und geothermischen Grundlagen in Deutschland. Es folgt eine Einführung in das Thema Seismizität: Hierzu gehört die natürliche seismische Gefährdung in Deutschland, die auslösenden Faktoren, die geologischen Grundlagen und mögliche zeitliche Effekte. Es schließt sich ein Kapitel zum seismischen Monitoring an, in dem die untersuchten Regionen und verschiedene Messkonzepte vorgestellt werden. Den Schwerpunkt bilden die Ergebnisse des Forschungsprojekts MAGS, d. h., wie lässt sich das Risiko im Vorfeld einer Bohrung ermitteln und bewerten, welchen Beitrag können Simulationsprogramme und Tools leisten und wie lassen sich fluidbasierte Druckerhöhungen im Untergrund berechnen und überwachen. In der Rubrik Standpunkte beziehen Dr. Benjamin Homuth, der während seiner Zeit an der Universität Frankfurt das Projekt SiMoN betreut hat, und Dr. Erwin Knapek, Präsident des Bundesverbands Geothermie, Position zur Frage Wie wird das Thema Seismizität den weiteren Ausbau der Geothermie in Deutschland beeinflussen?

4 4 BINE-Themeninfo II/2018 Deutschland in der Tiefe Die Geologie Deutschlands ist komplex. Geothermische Ressourcen in Form von nutzbaren Erdwärmevorkommen finden sich in unterschiedlichen Tiefen, geologischen Formationen und Regionen. Wie andere menschliche Eingriffe in die Tiefe können solche Aktivitäten bei Geothermieanlagen ebenfalls Mikro-Erdbeben auslösen. Zu Beginn sollen die geologischen Entwicklungsschritte und zugehörigen Erdzeitalter (Abb. 1), die geothermisch relevante Formationen hervorbrachten, kurz vorgestellt werden. Prägende Phasen der Gebirgsbildung waren zunächst die variszische Orogenese, die im Karbon ihr Maximum erreichte, und nachfolgend die seit Ende der Kreide andauernde Auffaltung der Alpen durch die Kollision der afrikanischen mit der eurasischen Platte. Die Entstehung der Alpen und des Oberrheingrabens führten dann im Tertiär zu Vulkanismus. Zudem gab es bedeutende Phasen der Sedimentation in Flachmeeren und Tiefebenen, wie das Trockenfallen der Flachmeere im norddeutschen Raum im Perm. Dabei bildeten sich große Salzablagerungen, die in der Trias im Norddeutschen Becken von Bundsandstein überlagert wurden. Im Süddeutschen Molassebecken bilden die Sedimente eines jurassischen Flachmeeres den Malm. In jüngster Vergangenheit ist die Geologie geprägt durch die Vergletscherungen im Quartär. Wichtige Voraussetzungen für eine erfolgreiche Nutzung der tiefen Geothermie sind günstige thermophysikalische und hydraulische Gegebenheiten im tiefen Untergrund. Hierzu zählen eine hohe Temperatur und Wärmeleitfähigkeit sowie die Permeabilität im Zielhorizont. Aus den geologischen Rahmenbedingungen Deutschlands ergeben sich drei wesentliche Gebiete für die hydrothermale Nutzung der tiefen Geothermie: Das Norddeutsche Becken, der Oberrheingraben und das Süddeutsche Molassebecken. Im Norddeutschen Becken sind die Zielformationen vorwiegend Sandsteine. Im Süddeutschen Molassebecken ist es der Malmkalk mit Tiefen bis zu 5 km, dessen Aquifere eine ausreichend hohe Temperatur aufweisen und der über eine hohe Durchlässigkeit verfügt. Diese günstigen Bedingungen haben dazu geführt, dass in der Süddeutschen Molasse die meisten Anlagen der tiefen Geothermie in Deutschland stehen. Im Oberrheingraben sind der Obere Muschelkalk und der Buntsandstein die potenziellen hydrothermalen Nutzhorizonte. Abb. 1 Geologische Erdzeitalter mit Zeitangaben (nach terra-triassica.de). Alter [in Millionen Jahre vor heute] System 2,60 0,00 Quartär 23,80 2,60 Neogen 65,00 23,80 Paleogen 142,00 65,00 Kreide 201,50 142,00 Jura 252,50 201,50 Trias 296,00 252,50 Perm 358,00 296,00 Karbon 417,00 358,00 Devon 443,00 417,00 Silur 495,00 443,00 Ordovizium 545,00 495,00 Kambrium 4.600,00 545,00 Präkambrium Tiefe Geothermie in Deutschland Erdwärme zählt, wie Wasserkraft, Solar- und Windenergie, zu den erneuerbaren Energien. Mit dem Begriff tiefe Geothermie wird die Nutzung von Erdwärme aus Tiefen größer als m bezeichnet. Die Wärme wird über Tiefbohrungen erschlossen, sie kann zur Verstromung und zur Wärmeversorgung genutzt werden. Generell wird zwischen hydrothermalen und petrothermalen Systemen unterschieden. Bei der hydrothermalen Geothermie (Abb. 2) ist bereits heißes Thermalwasser im Untergrund vorhanden. Über eine Förderbohrung wird das heiße Wasser an die Oberfläche gebracht. Dort gibt sie den Großteil der Wärmeenergie per Wärmetauscher an einen zweiten Heizkreislauf ab und wird daraufhin abgekühlt über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund geleitet. Im Unterschied dazu weist das Gestein bei der petrothermalen Geothermie keine oder nur eine geringe Wasserführung auf. Es ist nur gering permeabel, besitzt allerdings hohe Temperaturen (meist über 150 C). Das in der petrothermalen Geothermie meist genutzte System ist das Enhanced

5 BINE-Themeninfo II/ Geothermal Systems (EGS). Es nutzt das heiße Gestein (vorwiegend Kristallin, zum Teil auch Sandstein) als Wärmtauscher, in dem injiziertes Fluid die Wärme des Gesteins aufnimmt. Zur Steigerung der natürlichen Durchlässigkeit und auch um große Wärmetauscher-Oberflächen zu gewinnen, werden in manchen Fällen hydraulische Stimulationen angewendet. Dabei werden größere Mengen von Wasser unter hohen Drücken verpresst, mit dem Ziel bestehende Klüfte zu einem geologischen Wärmetauscher zu weiten oder durch Aufbrechen des intakten Gesteins neue Wegsamkeiten zu schaffen. Bisher gibt es keine auf der petrothermalen Geothermie basierende Anlage in Deutschland. Seismizität in Deutschland Seismizität (Erdbeben) ist der Ausdruck des bruchhaften Spannungsabbaus in der Erdkruste. Tektonische Kräfte, die durch Plattenbewegungen hervorgerufen werden, führen zum Spannungsaufbau im spröden Gesteinsmaterial der Erdkruste. Grundsätzlich wird zwischen natürlicher und durch menschliche Aktivitäten ausgelöster oder herbeigeführter, die sogenannte induzierte, Seismizität unterschieden (Abb. 3, 5): Bei der natürlichen Seismizität sind es vor allem die von Natur aus vorhandenen tektonischen Kräfte, die in der Erdkruste und im Erdmantel wirken und bei Überschreiten der Bruch- oder Scherfestigkeit der Gesteinsschicht zum Versatz entlang von Störungen führen. Deutschland zählt zu den Ländern mit einer sehr geringen bis moderaten natürlichen Seismizität. Die zwei stärksten natürlichen Erdbeben der letzten 40 Jahre ereigneten sich am 3. September 1978 auf der Schwäbischen Alb und am 13. April 1992 im Grenzgebiet zwischen den Niederlanden und Deutschland nahe der Stadt Roermond. Beide Erdbeben wiesen Magnituden knapp unter 6 auf. In beiden Fällen kam es zu Sachschäden und es gab eine geringe Anzahl an Verletzten. Durchschnittlich treten in Deutschland und angrenzenden Gebieten pro Jahr ein bis zwei Erdbeben mit Magnituden größer als 4 und etwa 15 Beben mit Magnituden größer als 3 auf. Als induzierte Seismizität bezeichnet man die Erdbebentätigkeit, die durch menschliche Eingriffe in den Untergrund verursacht wird. Induzierte Erdbeben entstehen durch die Entnahme von Rohstoffen aus der Erdkruste (z. B. Kohle, Kalisalz, Erdöl, Erdgas), durch extreme Auflast beim Aufstauen von Stauseen sowie bei Einleitung von Fluiden in den Untergrund. Die Stärke der induzierten seismischen Ereignisse ist oftmals gering und ihre Auswirkung zum größten Teil unterhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenze des Menschen. In Deutschland ereigneten sich im Mittel der letzten 20 Jahre jährlich etwa 70 induzierte Erdbeben ab Magnitude 2,0. Das bedeutendste induzierte Erdbeben in Deutschland war das Erdbeben bei Völkershausen am 13. März 1989 mit einer Magnitude von 5,6, das durch einen größeren Einbruch in einem Salzbergwerk hervorgerufen wurde. Das Ereignis war weltweit eines der stärksten Beben in Verbindung mit Bergbau. In den letzten Jahren ereigneten sich induzierte Ereignisse insbesondere im Zusammenhang mit Aktivitäten in der tiefen Geothermie oder mit der Entnahme von Erdgas. Die Ereignisse haben zumeist geringe bis moderate Stärken mit Magnituden bis zu 3 und finden auch in Regionen statt, in denen keine natürliche Seismizität auftritt. Das stärkste Ereignis, das in Deutschland in Zusammenhang Abb. 2 Gebiete Deutschlands, die für eine hydrothermale Nutzung von Bedeutung sind (LIAG, nach Suchi et al., 2014) Abb. 3 Seismizität in Deutschland und angrenzenden Ländern, unterschieden nach tektonischen Ereignissen (rot), induzierten Ereignissen (gelb) und Steinbruchsprengungen (braun). Dargestellt sind alle Ereignisse mit einer Magnitude 2,0 zwischen 1997 und 2016.

6 40 6 BINE-Themeninfo II/ Spitzenbodenbeschleunigung (g) Abb. 4 links: Seismische Gefährdung für Europa - Die GSHAP Erdbebengefährdungskarte nach Grünthal et. al rechts: Regionen in Deutschland mit bekannter induzierter Seismizität. (Quelle zu 4 links: Grünthal, G.; Bosse, C.; Stromeyer, D. (Helmholtz-Zentrum Potsdam. Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam): Building-Code Related Seismic Hazard Analyses of Germany and their Relation to SHARE. In: Butenweg, C.; Kaiser, D. (Ed.): Seismic Harzard Harmonization in Europe. DGEB-Workshop. Frankfurt a.m. (Germany), 27. May Deutsche Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik e. V. (DGEB), Weimar (Hrsg.). S. 25ff) [Referenzen zur Abb.: s. unter diesem Themeninfo] mit der tiefen Geothermie bisher registriert wurde, war das induzierte Erdbeben vom August 2009 bei Landau mit einer Lokalmagnitude von 2,7. Die Maximalstärke von Erdbeben, die durch Geothermie in Deutschland induziert wurden, ist damit deutlich geringer als diejenige von Beben in anderen Bereichen des Bergbaus. Seismische Gefährdung in Deutschland und im internationalen Vergleich Wo, wann und mit welcher Stärke das nächste Beben stattfindet wird, lässt sich bisher nicht vorhersagen. Da Erdbeben aber zu Personen- und Sachschäden führen können, versuchen Seismologen zu berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit Erdbeben in einem bestimmten Gebiet und mit einer bestimmten Stärke auftreten. Es handelt sich dabei um einen statistischen Ansatz, der u. a. auf den in der Vergangenheit bereits stattgefundenen Erdbeben aufbaut, und zur Berechnung der sogenannten Erdbebengefährdung führt. Die seismische Gefährdung beschreibt die physikalische Auswirkung zukünftiger Erdbeben auf die Erdoberfläche und zwar beispielsweise in Form der Auftretenswahrscheinlichkeit (z. B. pro Jahr) eines Ereignisses an einem bestimmten Ort in Anhän gigkeit von der Größe der Bodenbewegung oder Inten sität. Berechnungen der seismischen Gefährdung wurden für Europa und auch für Deutschland durchgeführt (Abb. 4 links). Die größte seismische Gefährdung in Europa tritt im Kollisionsbereich der eurasischen mit der afrikanischen Platte (Griechenland, Italien, Türkei) auf. Die seismische Gefährdung in Deutschland ist insgesamt deutlich geringer als in den Mittelmeergebieten. Die drei am stärksten gefährdeten Gebiete sind der Rheingraben, 60 die Schwäbische Alb und die Niederrheinische Bucht. Der Norden Deutschlands weist dagegen eine sehr geringe seismische Gefährdung auf. Abb. 5 Tektonische und induzierte Beben in Deutschland und angrenzendem Ausland, die im Zeitraum zwischen 1997 und 2016 registriert und lokalisiert wurden. Zu beachten ist, dass die Erdbeben mit Magnituden < 2 aufgrund der räumlich unterschiedlichen Detektionsschwelle nicht vollständig erfasst sind. 50 Lokalmagnitude M L < 2 M L 2 3 M L 3 4 M L 4 5 M L 5 6 Auswirkung Mikrobeben, selten spürbar oft spürbar, bewegen von Gegen- Schäden in der Regel Schäden selten ständen, Geräusche, an mehreren nicht spürbar vereinzelt Schäden Gebäuden Anzahl natürliche Beben Anzahl induzierte Beben

7 BINE-Themeninfo II/ Auslösende Faktoren von Seismizität Seismizität kann geologische Ursachen haben oder auf menschliche Tätigkeiten, wie Stauseen, Bergbau oder tiefe Geothermie, zurückzuführen sein. Bei diesen spielt die natürliche Vorspannung des Gesteins eine große Rolle. Seismische Ereignisse im Umfeld geothermischer Anlagen können während der Stimulation oder beim Betrieb auftreten. Durch tiefe Geothermie, Stauseen, Bergbau oder anderweitige Nutzung des tiefen Untergrundes kann der Mensch die Spannung im Gestein der oberen Erdkruste verändern. Dies kann z. B. durch Eingriffe in den natürlichen Fluidhaushalt geschehen. Die Spannungsänderungen können dazu führen, dass die Scherfestigkeit des Untergrundes an bestimmten Stellen überschritten wird und das Gestein bricht. Bei einer entsprechend großen Bruchfläche kann sich das so entstandene Erdbeben durch Erschütterungen an der Erdoberfläche bemerkbar machen. Die Ursache der natürlichen Erdbeben sind Spannungen, die durch die Kräfte der Plattentektonik hervorgerufen werden, während bei induzierten Erdbeben durch Menschen verursachte Spannungsänderungen entscheidend sind. Hierbei spielen insbesondere der Steinkohlebergbau, die Kalisalzgewinnung und die Gasförderung eine Rolle (Abb. 6 7). Spürbare Erdbeben durch tiefe Geothermie traten in Deutschland und angrenzenden Gebieten bislang in Basel (Schweiz), Soultzsous-Forêts (Elsass, Frankreich), Landau und Insheim (nördlicher Oberrheingraben) und Unterhaching (Bayrisches Molassebecken) auf. An den Standorten Bad Urach, Groß-Schönebeck, Horstberg und einigen Standorten im Raum München wurden Mikro-Erdbeben mit Seismometern nachgewiesen, die jedoch zu keinen spürbaren Erschütterungen geführt haben. Neben der in Deutschland beobachteten induzierten Seismizität ist aus anderen Ländern bekannt, dass bei großen Staubecken das Befüllen oder schwankende Wasserstände Erdbeben auslösen können. Darüber hinaus wurde induzierte Seismizität auch beim Verpressen flüssiger Abfälle in tiefe Gesteinsschichten und beim Erdgas-Fracking beobachtet. Seit den 1960er Jahren ist bereits bekannt, dass injiziertes Wasser in tiefen Bohrlöchern und die damit verbundenen Änderungen im Druck des Porenwassers des Gesteins Erdbeben auslösen können. Die beiden größten Erdbeben durch Verpressen flüssiger Abfälle in den tiefen Untergrund fanden am 9. Aug in der Nähe von Denver (Magnitude von ca. M = 5,5) und am 5. Nov bei Oklahoma (Magnitude ca. 5,7) statt. Faktor Scherfestigkeit Das Gestein der Erdkruste ist aufgrund der tektonischen Kräfte gespannt. Übersteigt die Scherspannung im Untergrund einen kritischen Wert, kommt es zu einem Scherbruch, der unabhängig von der Größe der Bruchfläche als Erdbeben bezeichnet wird. Diese kritische Scherspannung wird auch als Scherfestigkeit bezeichnet. Hierbei treten Brüche insbesondere an bereits vorhandenen Schwächezonen der Erdkruste auf. Durch eine Erhöhung des Porendrucks, z. B. durch die Injektion von Wasser, wird die Reibung auf diesen vorhandenen Schwächezonen herabgesetzt und die kritische Scherspannung sinkt (Abb. 8) Wenn die tektonische Spannung im Gestein nun schon vorher nahe der Scherfestigkeit lag, kann dieses Herabsetzen dazu führen, dass die Scherspannung im Abb. 6 Verteilung der Anzahl (oben) und der Energiefreisetzung (unten) der induzierten Erdbeben auf ihre Verursacher. Untersucht wurden induzierte Beben in Deutschland seit 1. Jan.1990 mit einer Magnitude von M L >= 2.0. Insgesamt wurden Ereignisse zugeordnet bei einer Gesamtenergie von 5.91*1.018 J. 3 % Kalisalz 85 % Steinkohle 5 % Geothermie 6 % Erdgas <1 % Kalisalz 73 % Steinkohle <2 % Geothermie 25 % Erdgas

8 8 BINE-Themeninfo II/2018 vor der Injektion nach der Injektion Abb. 7 Zeitverlauf der induzierten Erdbebenaktivität in Deutschland vom 1. Jan.1995 bis 31. Dez Erdbeben mit einer Magnitude unterhalb von M L = 2 können nicht im gesamten Gebiet Deutschlands zuverlässig erfasst werden und somit auch nicht verglichen werden. Magnitude M L Magnitude M L Magnitude M L Magnitude M L Zeit in Jahren Abb. 8 Prinzipskizze zur Wirkung einer Fluidverpressung: Vor der Injektion herrscht geringer Porendruck und eine hohe Reibung wirkt der tektonischen Spannung entgegen. Nach der Injektion ist die Reibung durch den erhöhten Porendruck herabgesetzt. Porendruck Normalspannung geschlossener Riss Normalspannung Normalspannung geöffneter Riss Normalspannung Spannung Spannung Kalisalz Steinkohle Geothermie Erdgas Tektonische Tektonische Untergrund die Scherfestigkeit überschreitet und somit ein Erdbeben ausgelöst wird. Bei diesem Vorgang werden bereits im Untergrund vorhandene tektonische Spannungen abgebaut. Die Erdbebentätigkeit hängt somit entscheidend von den hydraulischen Parametern im Gesteinskörper ab, die durch den geothermischen Kraft werksbetrieb beeinflusst werden können. Darüber hinaus können auch die Abkühlung des Gesteins sowie chemische Vorgänge im Rahmen der geothermischen Nutzung die Scherfestigkeit verringern. Mögliche zeitliche Verzögerungen bis zum Ereignis Das injizierte Wasser breitet sich entlang von existierenden Porenräumen und Kluftzonen im Untergrund unter Umständen nur langsam aus (z. B. durch einen Diffusionsprozess). In diesem Fall stellen sich nach einer Änderung der Parameter einer hydraulischen Stimulation oder der hydraulischen Parameter einer Geothermieanlage im Zirkulationsbetrieb die neuen Spannungsverhältnisse im Untergrund auch erst langsam ein. Daher ist eine Änderung der Seismizität mit einiger Verzögerung zu erwarten. Die Beobachtung, dass größere Ereignisse auch in der Shut-in-Periode einer hydraulischen Stimulation auftreten können, wurde in der Geothermie erstmals in Soultz-sous-Forêts (Elsass, Frankreich) deutlich. Spürbare Ereignisse traten dort bei den hydraulischen Stimulationen der Bohrung GPK2 (einen Tag nach einer abschließenden Testinjektion) und der Bohrung GPK3 wenige Tage nach der Einschlussphase auf. In Basel wurde die hydraulische Stimulation am 8. Dezember 2006 wegen zu hoher Erdbebentätigkeit gestoppt. Dennoch traten Anfang 2007 noch drei Erdbeben mit einer Magnitude größer als 3 auf. Die Verzögerungszeit hängt unter anderem von der Permeabilität des Untergrundes ab. Sie kann nach den bisherigen Erfahrungen von einigen Tagen bis zu Monaten dauern, im Extrembeispiel Denver sogar fast zwei Jahre. Unerwünscht hohe Seismizität lässt sich daher zwar durch Reduktion der Fluidfließrate und des Fluiddruckes verringern. Die möglicherweise langsame Fluidausbreitung im Untergrund kann jedoch zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen der Änderung der hydraulischen Parameter einer Geothermieanlage und der daraus folgenden Änderung der Erdbebentätigkeit führen. Diese zeitliche Verzögerung zwischen der Beendigung der Fluidverpressung und dem Ende der Erdbebentätigkeit steht im Gegensatz zu den Erfahrungen im Kohlebergbau. Dort geht die nicht durch Fluide, sondern durch Auflaständerung induzierte Seismizität bei einem Förderstopp noch am selben Tag zurück. Unterschied der Seismizität bei hydraulischer Stimulation bzw. bei Zirkulation Bei der tiefen Geothermie ist zwischen den sogenannten hydraulischen Stimulationen und dem Dauerbetrieb des geothermischen Kraftwerks, der Zirkulation, zu unterscheiden. Wenn die natürliche Durchlässigkeit des Untergrundes nicht ausreicht, um ein geothermisches Kraftwerk wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben, wird mit hohem Druck Wasser in das Bohrloch verpresst. Dieser Vorgang wird als hydraulische Stimulation oder als Wasser-Frac-Verfahren bezeichnet. Hierdurch werden neue Risse im Untergrund erzeugt oder bestehende aufgeweitet. Diese Rissbildungen, die in vielen Fällen erforderlich sind, um ein geothermisches Reservoir zu erzeugen, entsprechen aus geophysikalischer Sicht kleinen Erdbeben. Während des Dauerbetriebs eines geothermischen Kraftwerks wird aus einem Bohrloch heißes Wasser gefördert. Nach der Nutzung zur Energiegewinnung oder zum Heizen wird das abgekühlte Wasser in einem zweiten Bohrloch anschließend wieder in den Untergrund geleitet. Auch durch diese Zirkulation können Erdbeben verursacht werden.

9 BINE-Themeninfo II/ Seismisches Monitoring bei tiefer Geothermie Die seismische Gefährdung durch eine Geothermieanlage lässt sich für den jeweiligen Standort und für alle Zeiträume von der Planung bis zum Betrieb abschätzen. Um die notwendigen Daten zu sammeln und die Methodik zu entwickeln, wurden sieben Standorte in unterschiedlichen geologischen Regionen in Deutschland näher untersucht. In vulkanisch nicht aktiven Regionen nimmt normalerweise die Temperatur um 3 C pro 100 m Tiefe zu. Fällt der Temperaturanstieg stärker aus, liegt eine geothermische Wärmeanomalie vor. Diese Regionen bieten für eine geothermische Energiegewinnung gute Voraussetzungen. Damit unter den geologischen Bedingungen in Deutschland eine geothermische Stromerzeugung wirtschaftlich sinnvoll arbeiten kann, werden im Untergrund Temperaturen von mindestens 100 C, besser C benötigt. Derartige Temperaturniveaus finden sich in Tiefen zwischen m. In diesen großen Tiefen sind die Bohrkosten ein zentraler Kostenfaktor bei der Errichtung geothermischer Anlagen. Um beispielsweise Fehlbohrungen in seismologisch ungünstigen Bereichen zu vermeiden, ist es notwendig, die geologischen und hydraulischen Verhältnisse am gewünschten Standort frühzeitig möglichst genau zu bestimmen. Die seismischen Verhältnisse sind somit neben dem Temperaturniveau, der Aquifermächtigkeit und den hydraulischen Fließwegen zum Gegenstand der Untersuchungen geworden. Ein seismisches Monitoring ermittelt die seismische Gefährdung und ihre zeitlichen Variationen an einem Standort. Die Untersuchungen sollten sowohl während der Bohrphase als auch während der Betriebsphase laufen. Ziel ist, die Zusammenhänge zwischen den hydraulischen Parametern der Geothermieanlage und dem Auftreten seismischer Ereignisse zu bestimmen. Diese sollen optimiert werden, um die Wahrscheinlichkeit von Mikrobeben und die damit eventuell drohenden Stillstandszeiten der Anlage zu minimieren. Die Untersuchen dazu erfolgten im Rahmen des Forschungsprojekts MAGS Mikroseismische Aktivität geothermischer Systeme. Dieses Verbundvorhaben wurde im Zeitraum in zwei Teilprojekten durchgeführt. Besonders die Regionen südlich von München und der nördliche Oberrheingraben standen im Fokus. Themenschwerpunkte waren Monitoringkonzepte, die Seismizität während Stimulation und Zirkulation sowie die Wechselwirkungen in komplexen Geothermiefeldern. Damit liegen jetzt wissenschaftlich valide Methoden und Kriterien zur Bestimmung der seismischen Gefährdung vor. Untersuchte Gebiete und Standorte Einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten bildeten hydrothermale Systeme, da hier für die nahe Zukunft die meisten Anwendungen zu erwarten sind. Abb. 2 zeigt die geothermischen Potenziale in Deutschland mit den Schwerpunktregionen im Oberrheingraben, in der Molasse sowie im norddeutschen Becken. Diese Regionen standen daher im Fokus des Forschungsprojekts MAGS. Beim seismischen Risiko zeigen sich deutliche Unterschiede: Während der Oberrheingraben eine für Deutschland hohe natürliche Seismizität aufweist, ist diese im norddeutschen Becken äußerst gering. Insgesamt wurden im Rahmen des MAGS-Projekts an sieben verschiedenen Standorten in Deutschland seismische Monitoringnetzwerke aufgebaut, um dort die Seismizität detailliert aufzuzeichnen und auszuwerten. Zwei Standorte liegen im Oberrheingraben (Landau, Insheim), drei in der Molasse (Unterhaching, Bernried, Kirchweidach) und einer im Norddeutschen Becken (Hannover). Die siebte Anlage steht im sächsischen Aue-Schlema, einem potenziellen Standort für eine petrothermale Geothermiebohrung. Kooperation mit Geothermiefirmen Da die Forschungsarbeiten möglichst praxisnah erfolgen sollten und im Rahmen des MAGS-Projekts keine eigenen Geothermieanlagen vorgesehen waren, kooperierten die Forscher mit verschiedenen Geothermiefirmen. Dabei haben sie sowohl fertige Anlagen in der Betriebsphase als auch Anlagen in der Planungs- und Aufbauphase untersucht. Ein Datennutzungsvertrag ermöglichte auch, die Daten der Betreiberfirmen an diesen sieben Standorten zu Forschungszwecken zu nutzen. Zur Ergänzung der von den Forschern größtenteils selbst gewonnenen seismologischen Daten stellten die Eigentümer der Anlagen detaillierte Untergrundinformationen sowie hydraulische Parameter des Kraftwerkbetriebs zur Verfügung.

10 10 BINE-Themeninfo II/2018 Aus der Praxis Kommunikationskonzept TIGER Auch Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien sind auf den Rückhalt in der Bevölkerung angewiesen. Für die tiefe Geothermie haben Wissenschaftler die öffentliche Wahrnehmung analysiert und ein Konzept entwickelt: Akzeptanz basiert auf fundierten Sachinformationen, Transparenz und einer vertrauensvollen Kommunikation auf Augenhöhe von Beginn an. In der Geothermiebranche sind es oft kleine Firmen mit weniger als 20 Mitarbeitern, die diese Öffentlichkeitsarbeit zu leisten haben. Um Firmen und Betreiber bei dieser Aufgabe zu unterstützen, haben Kommunikationswissenschaftler und Ingenieure im Forschungsprojekt TIGER die Akzeptanz der tiefen Geothermie untersucht. Als Schwerpunkt entwickelten sie ein Kommunikationskonzept mit verschiedenen digitalen Informationsangeboten. Akzeptanz Einstellung Verhalten Medien Kommunikation Öffentlichkeit TIGER Kommunikationskonzept Abb. 9 Die Strukur des TIGER Kommunikationskonzepts Quelle: Anna Borg, CBM GmbH Emissionsmessung: Regionale Besonderheiten Technische Aspekte und Gestaltungsmöglichkeiten Bei Emissionsmessungen geht es in erster Linie um die Charakterisierung des Erdbebens, d. h. um die Festlegung des Hypozentrums, die Magnitude (Stärke) des Erdbebens und die Herdvorgänge, z. B. um den Herdmechanismus. Hierzu werden die Seismometer an möglichst ruhigen Standorten entfernt von störender Infrastruktur aufgestellt. Ziel der Emissionsmessung ist es auch, sehr kleine, nicht spürbare seismische Ereignisse aufzuzeichnen und damit eine Magnituden-Häufigkeitsbeziehung zu ermitteln. Immissionsmessung: Die Immission erfasst die Einwirkung seismischer Wellen an der Erdoberfläche auf Gebäude und Menschen. Hierzu werden Seismometer in Gebäuden aufgestellt und die Bodengeschwindigkeit direkt dort gemessen. Gemäß der DIN 4150 können dann die Schadenswirkungen anhand der gemessenen Erschütterungen eingestuft werden. Die Immissionsmessungen sind bei der Beweissicherung hilfreich, sie wurden in Deutschland meistens bei induzierten Erdbeben durch Kohlebergbau eingesetzt. Die sieben Standorte im Überblick: Landau (Oberrheingraben) Betreiber (im Zeitraum des MAGS-Projekts): Geo X GmbH Basis des Heizkraftwerks sind zwei Bohrungen, die bis in eine Tiefe von rund m reichen, wo eine Thermalwassertemperatur von rund 160 C vorliegt. Der Abstand der Bohrungen unter Tage beträgt fast 1,5 km. Das Kraftwerk startete im November 2007 mit der Stromerzeugung. Am 15. Aug kam es zu einem induzierten Erdbeben bei Landau. Dies erreichte eine Magnitude von M L = 2,7 und war im ganzen Stadtgebiet und teilweise im Umkreis deutlich spürbar. Dieses Ereignis war einer der auslösenden Faktoren für das Forschungsprojekt MAGS. Insbesondere im Bericht des Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) bzw. der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) wird über die Ergebnisse zu diesem Standort berichtet*. Insheim (Oberrheingraben) Betreiber: Pfalzwerke geofuture GmbH Das Geothermiekraftwerk Insheim liegt ebenfalls im Oberrheingraben, nur 4 km vom Kraftwerk Landau entfernt. Die Anlage nutzt Thermalwasser mit einer Temperatur von 165 C. Im April und November 2009 sowie von März bis April 2010 wurden dort Zirkulationstests durchgeführt, um die Fließraten zu überprüfen. Während dieser Zeit kam es dort zu Seismizität. Das größte Ereignis trat am 9. April 2004 während der Stimulation auf und hatte eine Lokalmagnitude von M L = 2,4. Die Inbetriebnahme des Kraftwerks fand im November 2012 statt. Die Ergebnisse zu diesem Standort sind ebenfalls in den Berichten des KIT, der BGR, der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU) enthalten*. Unterhaching (Molasse) Betreiber: Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG Das Geothermiekraftwerk Unterhaching fördert aus einer Tiefe von m 122 C heißes Thermalwasser einer Malmkarstschicht über eine Bohrung mit einer Schüttung von 150 l/s. Nach der Nutzung wird es in einer zweiten, m tiefen Bohrung wieder in den Untergrund injiziert. Die Anlage liefert seit Oktober 2007 Fernwärme an die Haushalte der Gemeinde, die Stromerzeugung wurde Ende 2017 eingestellt. In der Nähe der Anlage konnte ebenfalls Mikroseismizität (Magnitude M L max. 2,4) festgestellt werden. Der Bericht der Ludwigs-Maximilians-Universität München (LMU) nennt die Details*. Bernried (Molasse) Betreiber: Bernried Erdwärme Kraftwerk GmbH In Bernried entwickelt die Firma Bernried Erdwärme Kraftwerk GmbH ein Geothermieprojekt zur Fernwärmeerzeugung mit zusätzlicher Verstromung sowie geplant zwei Dubletten und hohen Förderraten (> 120 l/s). Im Rahmen des MAGS-Projekts wurde ein seismologisches Netzwerk auf dem Erlaubnisfeld Bernried am Starnberger See errichtet. Bis zum Verfassen dieses Berichts wurde jedoch entgegen der ursprünglichen Planung noch keine Geothermiebohrung niedergebracht. Somit liegen lediglich Daten zur Dokumentation der dortigen natürlichen Mikroseismizität vor. Details finden sich in den Berichten der LMU*.

11 BINE-Themeninfo II/ Aus der Praxis GeneSys Kirchweidach (Molasse) Betreiber: GEOenergie Kirchweidach GmbH Am Standort Kirchweidach war von der Firma GEOenergie Kirchweidach eine Dublette mit hohen Förderraten (> 120 l/s) zur Fernwärmeversorgung und Verstromung geplant. Im Laufe der Zirkulationstests konnte jedoch letztlich kein stabiler Betrieb bei diesen hohen Förderraten gegenüber den Genehmigungsbehörden nachgewiesen werden. Damit ist nach aktuellem Stand keine Verstromung möglich. Als alternative Nutzung der erzeugten Wärme wurde jedoch bereits die Nutzung durch einen landwirtschaftlichen Großbetrieb vertraglich geregelt. Auch hier errichteten die Forscher im Rahmen des MAGS-Projektes ein seismologisches Netzwerk. Es konnte während des MAGS Projekts keine Mikroseismizität festgestellt werden. Details finden sich in den Berichten der LMU*. Hannover (GeneSys, Norddeutsches Becken) Betreiber: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Das GeneSys-Projekt der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe hatte sich zum Ziel gesetzt, exemplarisch das Nutzungspotenzial der geringporösen, kaum durchlässigen Sedimentgesteine des Norddeutschen Beckens aufzuzeigen. Mit der fast 4 km tiefen GeneSys- Bohrung sollte Erdwärme gewonnen werden, um die Bürogebäude des Geozentrums Hannover geothermisch zu beheizen. Hier wurde im Mai 2011 eine hydraulische Stimulation durchgeführt. Es konnte trotz intensiven seismologischen Monitorings kein einziges induziertes Erdbeben festgestellt werden. Die Details hierzu finden sich im Bericht der BGR*. Aue-Schlema (Kristallin) Betreiber: WISMUT GmbH In unmittelbarer Nähe zu einem geplanten Standort in Aue-Schlema für eine tiefe Geothermiebohrung ins kristalline Gestein haben die MAGS-Forscher ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Dort wurden bereits seit Beginn der 1990er Jahre induzierte und natürliche Seismizität detailliert verfolgt, wobei insbesondere der Flutungsprozess der Wismut-Grube Schlema/Alberoda interessierte. Es wurde eine Vielzahl kleiner Beben registriert, die alle die Lokalmagnitude von 2 nicht überstiegen. Hierzu berichtet die Technische Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF)*. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) verfolgt mit dem GeneSys-Projekt (Generierte Geothermische Energiesysteme) das Ziel, exemplarisch die geothermische Nutzung von gering durchlässigen Sedimentgesteinen des Norddeutschen Beckens, z. B. Sandstein, zu demonstrieren. Auch in Sedimentgesteinen ist die Schaffung von künstlichen Fließwegen im Untergrund von entscheidender Bedeutung. Damit könnten große Teile Norddeutschlands als erdwärmehöffige Region betrachtet werden. Als Forschungsbohrung im Vorfeld diente die ehemalige Erdgaserkundungsbohrung Horstberg Z1 ca. 80 km nordöstlich von Hannover. Dort konnte erfolgreich demonstriert werden, dass künstliche Risse auch im Sedimentgestein mit für die geothermische Nutzung ausreichend hohen hydraulischen Durchlässigkeiten und somit großflächige unterirdische Wärmetauscher über Schichtgrenzen hinweg geschaffen werden können. Basierend auf diesen Erfahrungen wurde 2009 auf dem Betriebsgelände der BGR in Hannover die Bohrung Groß Buchholz Gt1 bis in eine vertikale Tiefe von m abgeteuft, bei der eine Temperatur von 169 C angetroffen wurde. Im Jahr 2011 hat eine hydraulische Stimulation mit m³ Oberflächenwasser die benötigte Durchlässigkeiten im Sandstein geschaffen. Während der gesamten Stimulationsphase sowie in den darauf folgenden Testphasen wurden mit dem lokal installierten engmaschigen Messnetz keine seismischen Ereignisse registriert. Trotz der ungünstigen Aufzeichnungsbedingungen im Stadtgebiet Hannover bedingt durch permanente anthropogene Stör - quellen wie Auto- und Bahnverkehr lag die Detektionsschwelle zu jeder Zeit bei einer Stärke von M L = 0. Schallschutzwand Hochdruckpumpen Filterstation Wasser aus Mittellandkanal * Die erwähnten Berichte sind über in der Rubrik Mags1 und Einzelprojekte bzw. MAGS2 zum Download eingestellt. Abb. 10 oben: Netzwerkkonfiguration der seismologischen Überwachung des GeneSys-Projekts in Hannover in konzentrischer Anordnung um die Bohrung aus 12 permanenten Stationen mit Echtzeitübertragung (grün) und 9 temporären Stationen im Offline-Modus (rot), die nur während der Stimulationsphase installiert waren. Unten: GeneSys-Bohrplatz während der hydraulischen Gesteinsbehandlung Es wurde Oberflächenwasser injiziert, welches zuvor mittels Filterpressen und Kieselgurzugabe filtriert wurde.

12 12 BINE-Themeninfo II/2018 Aus der Praxis Messung im Vorfeld des Kraftwerksbau Um das Risiko von induzierter Seismizität beim Betrieb einer Geothermieanlage im hessischen Groß-Gerau abschätzen zu können, wurde vor Beginn der Arbeiten im Projekt SiMoN Seismisches Monitoring im Nördlichen Oberrhein graben ein umfangreiches seismisches Messnetz betrieben. Dieses diente dazu, die seismischen Verhältnisse des nördlichen Oberrheingrabens im Zusammenhang mit einer geplanten Geothermienutzung detailliert zu erforschen. Die Messungen registrierten und lokalisierten 495 natürliche Ereignisse mit Lokalmagnituden zwischen 0,5 und 4,2. Im Graben konzentrierten sich die Beben auf das kristalline Grundgebirge unter den Sedimentgesteinen. Die Planer der Geothermieanlage haben daraufhin das Anlagenkonzept angepasst, sodass die Bohrungen nun in den seismisch ruhigen Sedimentschichten enden sollten. Die Bohrungen im Jahr 2016 ergaben, dass im Zielhorizont keine ausreichenden Thermalwasserschichten vorhanden waren. Das Projekt wurde deswegen 2016 eingestellt. Abb. 12 Gebiet der Optimierung eines gemeinsamen seismischen Netzes für verschiedene geothermische Anlagen südlich von München Quelle: LMU München, Geophysikalisches Observatorium Die untersuchten Zeitabschnitte Im Rahmen von MAGS haben die Forscher drei Zeitabschnitte während des Baus und des Betriebs eines geothermischen Kraftwerks analysiert. Neben den genannten sieben Standorten haben sie dafür noch weitere Untersuchungen in Taufkirchen, Grünwald, Kirchstockach, Dürrnhaar und Pullach durchgeführt. Der erste Zeitabschnitt liegt vor dem Bohrbeginn. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine Abschätzung des Fündigkeitsrisikos durch den Investor. Hierbei konzentrierten sich die Analysen bisher auf eine Abschätzung der Temperatur und der hydraulischen Permeabilität des Zielaquifers. Als weiterer wichtiger Parameter gilt es nun, auch die seismische Gefährdung zu berücksichtigen. Breitbandsensor unter Isolationsgehäuse Taurus Datenrecorder Ladegerät Abb. 11 Oben: Messnetz der Universität Frankfurt und des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie. Ergänzt wurde dies durch Messstationen der Universität Stuttgart, die in der Karte nicht eingezeichnet sind. Unten: Typischer Aufbau einer Messstation im SiMoN-Netzwerk. Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) 12 V Akkumulator Bisher gibt es keine standardisierten Methoden, um die seismische Gefährdung bereits vor dem tatsächlichen Auftreten von Mikroseismizität zu berechnen. Erste Erfahrungswerte deuten darauf hin, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens induzierter mit der von natürlicher Seismizität korrespondiert. Im natürlicherweise stärker erdbebengefährdeten Oberrheingraben liegt sie höher als im Norddeutschen Becken. Bei ausreichender Kenntnis der physikalischen Eigenschaften des Untergrundes lässt sich die zu erwartende Seismizität mithilfe numerischer Simulationen abschätzen. Diese Methoden werden unter anderem in den Berichten der Technischen Universität Clausthal, des Energieforschungszentrums Niedersachsen (efzn) und der TUBAF vorgestellt. Beim zweiten untersuchten Zeitabschnitt in MAGS geht es um die Phase der hydraulischen Stimulationen. Mit diesem Verfahren werden neue Risse im Untergrund erzeugt oder bestehende geweitet, wenn die Durchlässigkeit des Untergrundes nicht ausreicht, um eine geothermische Anlage zu betreiben. Die hydraulischen Parameter der Stimulation müssen so eingestellt sein, dass einerseits ausreichend Durchlässigkeiten im Untergrund erzeugt werden sowie andererseits möglichst geringe Erschütterungen verursacht werden. Zur Einschätzung der seismischen Gefährdung während hydraulischer Stimulationen konnte auf bewährte Methoden der seismischen Gefährdungsanalyse zurückgegriffen werden. Diese musste aber auf den spezi-

13 BINE-Themeninfo II/ Darstellung der Seismizität Wie bei allen technischen Eingriffen in den tieferen Untergrund beruhen auch bei der Geothermie seismische Ereignisse auf Spannungsänderungen bzw. Spannungsumlagerungen im Gestein. Ein Ergebnis des Monitorings ist, dass die Anzahl der Erdbeben proportional mit dem verpressten Fluidvolumen ansteigt. Diese Proportionalität gilt streng genommen nur für reine Injektionen, nicht jedoch für die Zirkulation während der Betriebsphase, da hier sowohl gefördert als auch injiziert wird. Unabhängig davon wird auch hier eine Seismizität über die Zeit festgestellt. Mithilfe seismologischer Messsysteme und in Verbindung mit einer geeigneten Überwachungsstrategie lassen sich hydraulische Stimulationsmaßnahmen oder der laufende Betrieb rechtzeitig reduzieren oder beenden, sobald zulässige Grenzwerte der Seismizität überschritten sind. Um die Öffentlichkeit über mögliche seismische Ereignisse im Zusammenhang mit geothermischen Anlagen zu unterrichten, veröffentlichen viele Betreiber oder zuständige Landeserdbebendienste Informationen zu aktuellen Beben über Internetportale. Für einzelne Ereignisse gibt es weiterführende Informationen, wie z. B. die mögliche Spürbarkeit. Dies erfolgt bisher nur punktuell an den Seismometerstandorten, soll aber in Zukunft auch als Flächendaten verfügbar sein. Entfernung von 49,196 N [km] Epizentrum nicht spürbar Spürbarkeitsgrenze eventuell spürbar spürbar Entfernung von 8,124 E [km] Abb. 13 Interaktive Webseite des Landeserdbebendienstes Rheinland-Pfalz zu aktuellen Lokalbeben basierend auf einer automatischen und auch manuellen Analyse der seismischen Registrierungen. Abb. 14 Räumliche Verteilung der Spürbarkeit des seismischen Ereignisses vom 31. Oktober 2011 bei Landau in der Pfalz (Oberrheingraben) nach dem Prinzip einer Verkehrs-Ampel Quelle: Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz (LGB) ellen Fall angepasst werden. Mithilfe der zu Beginn einer Stimulation beobachteten Mikroseismizität lassen sich Magnituden-Häufigkeits-Verteilungen und die zeitliche Entwicklung der Seismizität abschätzen. Im Vergleich zu den Standardverfahren der seismischen Gefährdungsanalyse muss aber berücksichtigt werden, dass die seismische Gefährdung zeitabhängig ist und sich im Laufe von Tagen ändern kann. Die Forscher haben im Rahmen von MAGS Methoden entwickelt, um die seismische Gefährdung während hydraulischer Stimulationen zeitabhängig zu berechnen. Des Weiteren legten sie Kriterien fest, wie beim Erreichen bestimmter Schwellenwerte der Gefährdung die hydraulischen Parameter der Stimulation modifiziert werden müssen. Die Details zu diesen Untersuchungen sind in den Berichten der BGR, RUB, CAU und der Freien Universität Berlin (FU Berlin) sowie der TUC und des efzn aus MAGS 2* zu finden. Der letzte untersuchte Zeitabschnitt war der Dauerbetrieb einer geothermischen Anlage. Hierbei galt bis vor kurzem, dass keine Seismizität zu erwarten ist. Die Beispiele Landau und Unterhaching zeigten jedoch, dass auch im Zirkulationsbetrieb Mikrobeben auftreten können. Ein wichtiger Bestandteil von MAGS war die verbesserte Erfassung und Analyse der Mikroseismizität in der Nähe laufender geothermischer Standorte, insbesondere in der Südpfalz und in der bayerischen Molasse. Anhand der beobachteten Mikroseismizität lässt sich auch für die Betriebsphase die seismische Gefährdung einschätzen. Existierende Methoden der probabilistischen seismischen Gefährdungsanalyse wurden im Rahmen von MAGS auf den Fall fluidinduzierter Seismizität angepasst. Zu diesem Zeitabschnitt berichten insbesondere die BGR, LMU und FU Berlin*.

14 14 BINE-Themeninfo II/2018 Konzept: Monitoring mit Array Für die öffentliche Akzeptanz der tiefen Geothermie ist die Überwachung der Seismizität im Umfeld der Anlagen wichtig. Die räumliche Nachbarschaft von geplanten Anlagen im nördlichen Oberrheingraben legt es nahe, das seismische Monitoring von einem zentral gelegenen Observatorium aus durchzuführen. Im Rahmen des FERRY Projekts wurde dazu auf dem Areal des Taunusobservatoriums am Kleinen Feldberg ein Netz von zehn seismischen Stationen errichtet und spezielle Arraytechnologien für die Detektion und Lokalisierung von Erdbeben entwickelt. Ein solches zentrales Überwachungsarray reduziert den Kosten aufwand für das seismische Monitoring und könnte in Zukunft Betreibern als unabhängige Dienstleistung angeboten werden. Abb. 15 Lage der Messstationen am Kleinen Feldberg im FERRY-Projekt Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) W E [Meter] [km] Groß-Gerau Quartär/Tertiär Permo-Karbon Prä-Permo-Karbon Störung Abb. 16 Ein von West nach Ost verlaufender Vertikalschnitt durch den nördlichen Oberrheingraben. Innerhalb des Grabens war natürliche Seismizität nur im kristallinen Gestein unterhalb von neun Kilometern Tiefe messbar. Quelle: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) Die beteiligten wissenschaftlichen Institutionen und ihre Schwerpunkte: 1. Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) Schwerpunkt: Monitoring nördlicher Oberrheingraben/Südpfalz 2. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Schwerpunkte: Echtzeitmonitoring und Gefährdungsanalyse 3. Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) Schwerpunkte: Monitoring Südraum München 4. Ruhr-Universität Bochum (RUB) Schwerpunkte: Softwareentwicklung Auswertungstool 5. Technische-Universität Clausthal (TUC)/Energieforschungs zentrum Niedersachsen (efzn) Schwerpunkte: THMCgekoppelte Simulationen 6. Technische Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF) Schwerpunkte: Monitoring Aue-Schlemma, Laborversuche Stimulation 7. Christan-Albrechts-Universität Kiel (CAU) Schwerpunkte: Softwareentwicklung Auswertungstool 8. Freie Universität Berlin (FU Berlin) Schwerpunkte: numerische Simulationen, Stimulation und Betrieb bei induzierten Erdbeben durch Kohlebergbau eingesetzt

15 BINE-Themeninfo II/ En passant [nm/s] Konzept: gemeinsames Monitoring benachbarter Anlagen Geothermie-Anlagen, die durch ihre räumliche Nähe potenziell als ein komplexes System angesehen werden müssen, sollen durch ein gemeinsames Monitoringnetz überwacht werden. So lassen sich induzierte Ereignisse wissenschaftlich fundiert und gleichzeitig kosteneffizient registrieren und sicher einer Anlage zuordnen. Für ein optimales Netzwerk-Design werden Quellregionen, seismische Bodenunruhe und geographische Informationen etc. verschnitten. Zudem ist der Austausch seismischer und anderer relevanter Betriebsdaten zwischen den Betreibern zu regeln. Dabei sind für eine optimierte Analyse komplexe seismologische Monitoringkonzepte notwendig, bei denen alle verfügbaren Daten und Auswertungen unterschiedlicher Seismo metertypen und Betreiber möglichst in Echtzeit ausgetauscht werden. 02:00 07:00 12:00 17:00 22: Sept 2014 Abb. 17 Hintergrundunruhe der Bodenschwinggeschwindig keit einer seismologischen Messtation (Bandpass-Filter 1 20 Hz) mit I 95 Wert der dargestellten Zeitreihe (ca 250 nm/s, in rot). Quelle: LMU, Geophysikalisches Observatorium Maßstab 10 km Abb. 19 Menschen sind nicht die einzige Spezies, die natürliche Erdwärme nutzt. Weltbekannt sind die Japanmakaken, die Bäder in warmen Quellen nehmen. Quelle: Adobe Stock / SeanPavonePhoto Geothermie historisch Frühere Generationen sahen in den auch ihnen bekannten vulkanischen und geothermischen Phänomenen oft den Ausdruck göttlicher Mächte. Warme Quellen genossen daher spirituelle Verehrung, wurden aber auch für rituelle und medizinische Bäder, für die Landwirtschaft sowie zum Vergnügen genutzt. Derartige Traditionen sind von den Maoris (Neuseeland), China, Japan, Kelten, Römern, Türken, Isländern und einigen Indianervölkern Nordamerikas bekannt. Besonders die Römer siedelten gerne in der Nähe von Thermalquellen. Im heutigen Deutschland sind es zum Beispiel Städte wie Baden Baden (Aquae Aureliae) und Wiesbaden (Aquae Mattiacorum). Dabei wurde die Erdwärme bereits in Hypokausten zur Erwärmung von Gebäuden eingesetzt. Karl der Große hat Aachen zur zentralen Residenz in seinem Reich erhoben. Bei dieser Entscheidung sollen auch die dortigen warmen Quellen eine wichtige Rolle gespielt haben. Das erste Fernwärmenetz mit geothermischer Wärme begann im französischen Chaudes- Aigues im 14. Jahrhundert. Der deutsche Wissenschaftler Georg Agricola beschrieb bereits 1556 aus seinen Erfahrungen im Bergbau die Temperaturzunahme mit steigender Tiefe. Heute als geothermischer Gradient bekannt. Die neuzeitliche Geschichte der geothermischen Energiegewinnung ist eng mit dem italienischen Ort Larderello verbunden. Hier wurden ursprünglich nur Bor und Schwefel aus Thermalwasser gewonnen. Der Franzose De Larderel wollte den Raubbau am toskanischen Baumbestand stoppen und entwickelte ein Konzept, für den Prozess der Mineraliengewinnung geothermische Energie zu nutzen. Bereits 1904 erzeugte dort ein erstes geothermisches Kraftwerk Strom. Abb. 20 Das römische Bad in Bath (Aquae Sulis). Auch an den einzigen Thermalquellen des heutigen Großbritanniens setzten die Römer ältere keltische Traditionen fort. Quelle: istock, olliemtdog Abb. 18 Ergebnis der Netzwerkoptimierung im südlichen Großraum München. Gelb: Landepunkte der zu überwachenden Injektionsbohrungen. Blau: In der Optimierung fixierter Standort der seismischen Bohrlochmessstation. Grüne Kreise: Potenzielle Standorte für Messstationen in der Optimierung. Braune Dreiecke: Ideale Netzwerkkonfiguration resultierend aus der Netzwerkoptimierung. Hintergrund: Modell der zu erwartenden Hintergrundbodenunruhe nach: Kraft, T., A high-resolution and calibrated model of man-made seismic noise for Europe, 76. DGG annual meeting, Münster, 16. March 2016 ( Kartendaten: Google, GeoBasis-DE/BKG. Quelle: LMU

16 16 BINE-Themeninfo II/2018 Seismizität infolge Geothermie vermeiden Das Verbundvorhaben MAGS wurde im Zeitraum in zwei Teilprojekten mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt. Themenschwerpunkte waren die Seismizität beim Bohren und während der Zirkulation, Monitoringkonzepte und Wechselwirkungen in komplexen Geothermiefeldern. MAGS Mikroseismische Aktivität geothermischer Systeme ist ein langjähriges Verbundvorhaben der Geothermieforschung. Das darin entwickelte Konzept der kontrollierten Stimulation bzw. der kontrollierten Zirkulation zur Begrenzung der Seismizität bei der Nutzung tiefer geothermischer Systeme wurde erprobt und maßgeblich weiterentwickelt. Das Projekt teilt sich in zwei Projektphasen auf: In MAGS1, mit dem Untertitel Konzepte zur Begrenzung der mikroseismischen Aktivität bei der energetischen Nutzung geothermischer Systeme im tiefen Untergrund, standen drei Ziele im Vordergrund: Konzepte zur Begrenzung mikroseismischer Aktivität zu entwickeln, die Prozesse, die zum Entstehen der Mikroseismizität führen, besser zu verstehen sowie mit Betreibern und Genehmigungsbehörden eng zu kooperieren. In MAGS2, mit dem Untertitel Vom Einzelsystem zur großräumigen Nutzung, ging es um die möglichen Wechselwirkungen in komplexen Geothermiefeldern. Dabei stand die tiefe Geothermie speziell im Südraum München aber auch in der Südpfalz im Vordergrund. Diese Projektphase verfolgte drei Ziele: Die seismologischen Überwachungskonzepte so zu verbessern, dass sie auch für regionale Geothermiegebiete mit mehreren Anlagen und verschiedenen Betreiberfirmen geeignet sind. Das Konzept der seismologisch kontrollierten Zirkulation und die Entwicklung neuer Methoden zur Beschreibung fluidinduzierter Seismizität im Falle komplexer Geothermiefelder weiterzuentwickeln. Die mögliche Seismizität vor dem Bohren besser abschätzen zu können. Die einzelnen Untersuchungen und Ergebnisse zu diesen Themenfeldern werden im Folgenden vorgestellt. In MAGS kommen die folgenden Methoden zum Einsatz: mikroseismisches Monitoring zum genauen Erfassen und Charakterisieren der Seismizität weit unterhalb der Spürbarkeitsgrenze ingenieurseismologische Gefährdungsanalysen zur Berechnung der Überschreitenswahrscheinlichkeiten unerwünschter Erdbebenstärken Reaktionsschemen, die im Voraus festlegen, wie beim Überschreiten bestimmter seismologischer Grenzwerte zu handeln ist Messungen der maximalen Bodenschwing - geschwindigkeit zur direkten Abschätzung der Bodenerschütterung im Hinblick auf Abb. 21 Prinzipskizze zur kontrollierten Zirkulation bzw. Stimulation. Die im Rahmen des MAGS-Forschungsprojekts bearbeiteten Schritte sind in gelb unterlegt. Seismisches Monitoring Geologische Daten Stimulation / Zirkulation Seismische Gefährungsanalyse Reservoirmodellierung Ampelschema

17 BINE-Themeninfo II/ Abb. 22 Blick auf den Oberrheingraben, in dem die Anlagen Landau und Insheim liegen. Abb. 23 Mikrotremor Messanlage in der Umgebung von Landau während der GPS Einmessung Spürbarkeit und auf mögliche Schäden an Gebäuden numerische Modellierungen der Fluiddruck- und Spannungsänderungen im Gestein in der Umgebung des genutzten Geothermiereservoirs Seismisch kontrollierte Stimulation bzw. kontrollierter Betrieb Für die seismischen Monitoringsysteme in Kombination mit einem Reaktionsplan wurde in den MAGS-Projekten das Konzept der seismisch kontrollierten hydraulischen Stimulation entwickelt (Abb. 21). Bei diesen Stimulationen wird Fluid verpresst, wodurch es zu einer Erhöhung des Porendruckes in bestimmten Bereichen des Untergrundes kommt und Seismizität ausgelöst werden kann. Diese wird mithilfe des seismischen Monitoringsystems registriert. Aus der gemessenen Anzahl und Stärke der Mikrobeben wird in einer sogenannten seismischen Gefährdungsanalyse die Wahrscheinlichkeit des Auftretens stärkerer Erdbeben abgeschätzt. Der so ermittelte Gefährdungszustand wird daraufhin mit den im Reaktionsschema festgelegten Grenzwerten verglichen, die meist in Form eines Ampelsystems definiert sind. Beim Überschreiten von Grenzwerten erfolgt eine Änderung der in der Injektion eingesetzten hydraulischen Parameter mit dem Ziel, den Porenwasserdruck und damit die Seismizität zu senken. Rot bedeutet dabei zum Beispiel die größte seismische Gefährdung, die einen Stopp der Stimulation und eine Absenkung des Drucks in der Bohrung zur Folge hätte. Seismisches Monitoring und SeismogrammAuswertung Durch ein seismisches Monitoring lässt sich die eventuell auftretende Seismizität registrieren, lokalisieren und analysieren. Dazu wurden eine größere Anzahl seismischer Messstationen im Umfeld von sieben Geothermiebohrungen und -kraftwerken im Oberrheingraben, dem Molassebecken und dem norddeutschen Becken sowie in der Nähe einer potenziellen petrothermalen Geothermieanlage in Sachsen installiert. Die Forscher maßen und charakterisierten sowohl die Seismizität im Zusammenhang mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen als auch beim Dauerbetrieb des Kraftwerks. Die Auswertung der im kontinuierlichen Modus aufgezeichneten Abb. 24 Anzahl der mit dem MAGS-Detektor registrierten Ereignisse Anzahl der Detektionen Insheim Landau Waldhambach Albersweiler erfolgreiche Detektionen fehlerhafte Detektionen

18 18 BINE-Themeninfo II/2018 Abb. 25 Abtäufen der Bohrung Rottmühle für die entsprechende Bohrlochstation Quelle: LGB Rheinland-Pfalz, Bernd Schmidt Seismogramme umfasst die Detektion von Ereignissen, die Ermittlung von zugehörigen Phaseneinsätzen sowie die darauf aufbauende Berechnung des Erdbebenherdes, der Herdzeit und der zugehörigen Magnitude. Weitergehende Analysen betrafen Herdmechanismen und maximale Bodenschwing-Geschwindigkeiten. Diese Auswertungen lassen sich sowohl interaktiv als auch automatisch durchführen. Ein Ziel von MAGS2 war dann die Weiterentwicklung der automatischen Seismogramm-Auswertung, insbesondere im Hinblick an die Erfordernisse des Monitorings in komplexen Geothermiefeldern. Dazu wurde als Tool ein Pythonbasiertes Programmpaket mit zwei Hauptkomponenten entwickelt: Einem interaktiven Computerprogramm mit grafischer Benutzeroberfläche sowie einem automatisch arbeitenden. Die wichtigsten Neuerungen in diesen Programmen sind, dass die Qualitätsbestimmung der Phasenankunftszeiten der seismischen Wellen für manuell und automatisch angerissene Einsätze auf die gleiche Art erfolgt. Damit sind diese komplett vergleichbar und parameterisierbar. Anstatt eines diskreten, symmetrischen Fehlers der Einsatzzeiten wird eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Einsatzzeit bestimmt, die direkt in die probabilistische Lokalisierungsroutine NonLinLoc übernommen werden kann. Des Weiteren erfolgt im Rahmen eines Lernprozesses eine interaktive Abgleichung der Automatik mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche. Mit der Automatik können Lokalisierungen quasi in Echtzeit ermittelt werden. Die Automatik wurde in MAGS auf die vollständigen Datensätze für Landau ( ) und Insheim ( ) angewendet. Ein Ergebnis ist, die automatischen Einsatzzeiten lassen sich gut für die Routineauswertung verwenden. Mit dem Einsatz von Seismogrammeinhüllenden und sogenannten Kreuzkorrelationsdetektoren können über die Ähnlichkeit von Wellenformen Erdbebencluster identifiziert werden. Dies ermöglicht eine genauere Analyse der räumlichen Verteilung der Seismizität. Diese Methode ist daher gut geeignet, Erdbebenkataloge und Clusteranalysen zu vervollständigen. Dabei erfordert sie aber deutlich mehr Vorkenntnisse über die Seismizität. Die Auswertungen im Beispiel Insheim zeigten, dass die räumliche Orientierung der Seismizität der Streichrichtung bekannter Verwerfungen folgt und sich zeitlich von den Bohrungen in das dazwischen liegende Volumen ausbreitet. Abb. 26 Nebeneinander aufgebaute Messgeräte zur Emissions- bzw. Immissionsmessung (gold: Immissionsstation, Betreiber DMT; silber: Seismometer zur Emissionsmessung, Betreiber: BGR) Seismische Gefährdungsanalyse In seismischen Gefährdungsanalysen werden die Einwirkungen der induzierten Seismizität an der Oberfläche quantifiziert und bewertet. Diese Einwirkungen können in Form von Intensitäten oder Bodenbewegungsgrößen spezifiziert sein, z. B. der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung des Bodens. Die probabilistische seismische Gefährdungsanalyse ist die Standardmethode, um die Gefährdung durch natürliche tektonische Erdbeben zu berechnen. Darin wird angenommen, dass sich die tektonischen Kräfte nur in geologischen Zeiträumen ändern und somit als zeitlich konstant angesehen werden können. Die Methode wurde auf die induzierte Seismizität bei tiefer Geothermie übertragen. Dabei gehen die Wissenschaftler davon aus, dass bei konstanten hydraulischen Parametern während des Zirkulationsbetriebs sich die seismische Gefährdung mit der Zeit nicht oder nur sehr langsam ändert.

19 BINE-Themeninfo II/ Standpunkte Modellierung (FU Berlin) Zur Bestimmung der seismischen Gefährdung bzw. zur Steuerung der Stimulation ist es wichtig, die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Mikrobebens mit einer bestimmten Magnitude in einem vorgegebenen Zeitabschnitt abzuschätzen. Dies gilt sowohl für eine konstant fortgeführte als auch eine abrupt beendete Stimulation. Die Forscher erstellten hierzu ein Modell zur Vorhersage der Magnituden. Grundlage dafür sind Untersuchungen, welche Skalierungsrelationen für das Auftreten und die Stärke induzierter Erdbeben während und nach einer hydraulischen Stimulation beschreiben. Dabei fließen sowohl Modellierungen als auch die beobachte Seismizität ein. Hierbei ist die Gültigkeit von zwei aus der globalen Seismologie bekannten Skalierungsrelationen fundamental. Um zu bestimmen, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Beben einer bestimmten Magnitude auftritt, werden der b-wert der Gutenberg-Richter- Beziehung, welcher die Häufigkeit von Erdbebenmagnituden relativ zueinander beschreibt, benötigt und der p-wert des Omori-Gesetzes, welcher das Abklingen der Erdbebenhäufigkeit nach Beendigung der Injektion beschreibt. Es ist bekannt, dass die durch die Injektion verursachte Perturbation des Porenwasserdrucks, die sich entsprechend eines Diffusionsprozesses ausbreitet, zum Auslösen von Erdbeben führt. Dieses physikalische Prinzip erlaubt es, kontrollierende Parameter zu identifizieren. Zum einen ist es das injizierte Fluidvolumen und zum anderen ist es der Seismogene Index, welcher die seismotektonischen Reservoirgegebenheiten quantitativ erfasst. Die Wahrscheinlichkeit kann dann unter Verwendung eines Modells berechnet werden, welches das zeitliche Auftreten der Erdbeben statistisch beschreibt. Die Analyse der Wartezeiten aufeinander folgender Erdbeben hat ergeben, dass das Poisson- Modell geeignet ist. Die Kombination dieses Modells mit Seismogenen Index, Fluidvolumen (bzw. Fließrate), b-wert und p-wert wird verwendet, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Magnitude während und nach der hydraulischen Stimulation zu berechnen. Dieser Modellierungsansatz wurde im Rahmen von MAGS entwickelt und in die Auswertesoftware SeisComP3 integriert. Abb. 27 Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines fluid-induzierten Ereignisses mit einer gegebenen Magnitude M für ein injiziertes Fluidvolumen von ca m³ und unter der Annahme von seismotektonischen Eigenschaften ähnlich denen des Basel EGS Quelle: FU Berlin Probability 1-P(O, M, V) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Magnitude Wie wird das Thema Seismizität den weiteren Ausbau der Geothermie in Deutschland beeinflussen? Dr. Benjamin Homuth, Während seiner Zeit an der Goethe-Universität Frankfurt hat er das Projekt SiMoN betreut und arbeitet heute im Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie. Das Thema Seismizität nimmt bei Geothermieprojekten in Deutschland eine immer wichtigere Rolle ein. Ein Monitoring der Seismizität wird von den Genehmigungsbehörden gefordert, wenn nicht durch ein seismologisches Basisgutachten eine seismische Gefährdung ausgeschlossen werden kann. Solch ein seismisches Monitoring führt zu höheren Kosten, die jedoch im Vergleich zu den Bohrkosten verkraftbar sind und erfahrungsgemäß zu einem erhöhten Vertrauen in der Bevölkerung führen. Unter Verwendung sogenannter moderner adaptiver Ampelsysteme als auch einer optimalen Positionierung der Tiefbohrungen, lässt sich die Seismizität erheblich reduzieren und kontrollieren, so dass der Ausbau der Geothermie in Deutschland nicht an diesem Thema scheitern sollte. Dr. Erwin Knapek, Seit 2013 ist er Präsident des Bundesverband Geothermie e. V und seit 2006 Präsident des Wirtschaftsforums Geothermie (WFG). Er war von Erster Bürgermeister der Gemeinde Unterhaching. Bisher ist kein Fall bekannt, der von einer Gefährdung der Gesundheit oder der Umwelt durch induzierte Seismizität, ausgelöst durch geothermische Anlagen, berichtet. Dennoch ist es vor allem auch für die Akzeptanz der Energiegewinnung aus Geothermie entscheidend, wissenschaftlich aufzuzeigen, ob induzierte Seismizität nur zu kleineren Beben führen kann, oder ob eine Gefahr für Menschen und Gebäude ausgehen könnte. Es laufen bereits mehrere Forschungsprojekte und auch in Zukunft sind weitere geplant, um die Ursachen und Folgen seismischer Ereignisse während der Errichtungs- und Betriebsphase zu erforschen. Ziel ist es, fundierte Kenntnisse zu erlangen und zu verhindern, dass der Ausbau der Geothermie in Deutschland gehemmt werden könnte.

20 20 BINE-Themeninfo II/2018 Abb. 28 Die Messanlage bei Landau. Die einzelnen Stationen wurden hier im Ring mit einem Durchmesser von 10 m aufgestellt. Quelle: LBG Rheinland-Pfalz Abb. 29 Gesteinsprobe Kalkstein Quelle: TU Clausthal Für die Gefährdungsanalyse sind eine maximale Wahrscheinlichkeit des Auftretens bzw. des Überschreitens sowie ein Zeitraum anzugeben, in dem dies erwartet wird und in dem die vorgegebenen Grenzwerte, z. B. im Ampelsystem, überschritten werden. Bei der Betrachtung und Modellierung der induzierten Seismizität zur Berechnung der Auftretenswahrscheinlichkeit einer Magnitude hat sich gezeigt, dass Nachbeben identifiziert und ausgesondert werden müssen. Um die Auswirkungen der Erdbeben an der Oberfläche quantifizieren zu können, wurden Bodenbewegungsmodelle erstellt. Diese berücksichtigen den geologischen Untergrund direkt unter den Beobachtungsstandorten. Der geologische Untergrund ist entscheidend bei der seismischen Gefährdung, da er Schwingungsamplituden frequenzabhängig verstärken und Schwingungsdauern verlängern kann, der sogenannte Siteeffect. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Standort weiche Sedimente über hartem Gestein aufweist. Zu diesem Aspekt wurden Methoden zur Mikrozonierung entwickelt und angewandt, die den Einfluss der oberflächennahen Schichten auf die seismische Gefährdung beschreiben. Zur Charakterisierung der Oberflächeneffekte führten die Forscher in den Geothermieregionen um Insheim/Landau sowie Unterhaching sogenannte Mikrotremormessungen durch, die die seismische Bodenunruhe erfassen. Die Messungen erlauben eine flächenhafte Kartierung der Oberflächeneffekte für Gebiete, z. B. in der Größe von Stadtteilen (seismische Mikrozonierung). Um künftig besser zu verstehen, wie die Ausbreitung und Dämpfung seismischer Wellen erfolgt, wurde mithilfe der wellenformeinhüllenden die intrinsische Dämpfung und die Streudämpfung des Untergrunds für die verschiedenen Standorte mit aufgetretener Seismizität bestimmt. Auch die maximalen Bodenschwinggeschwindigkeiten (PGV, Peak Ground Velocity) für alle Erdbeben mit Magnitude größer als 0,7 wurden an den Stationen gemessen. Aus dem Gesamtdatensatz der erfassten Geschwindigkeiten konnte ein Bodenbewegungsmodell für die Südpfalz erstellt werden, welches die Bodenschwinggeschwindigkeit als Funktion der Magnitude und Entfernung von der Quelle beschreibt. Darauf aufbauend ließen sich Standortverstärkungen berechnen. Das Bodenbewegungsmodell ermöglicht das Abschätzen der PGV-Werte zwischen den Stationen unter Berücksichtigung der Bodenverstärkung. Die Ergebnisse wurden in Erschütterungskarten mit Angaben von Fehlern dargestellt. Die Wellen- feldsimulationen unter Berücksichtigung kleinskaliger Heterogenitäten haben gezeigt, wie die Fokussierung oder Defokussierung der sich ausbreitenden seismischen Wellen zu signifikanten Schwankungen in den PGV-Werten führen können. Die MAGS-Forscher empfehlen, eine probabilistische Gefährdungsanalyse für Standorte tiefer Geothermie-Anlagen mit nachgewiesener induzierter Seismizität durchzuführen. Mit der Berechnung der Häufigkeiten für die Bodenschwinggeschwindigkeit lässt sich der Bezug zu genormten Werten für die Einwirkungen auf bauliche Anlagen und auf Menschen hergestellen (DIN 4150). Es ist damit möglich, die erwartete Anzahl von seismischen Ereignissen oberhalb der Fühlbarkeitsgrenze und oberhalb der Grenze von leichten Gebäudeschäden abzuschätzen. Expertengruppen oder Genehmigungsbehörden können mit diesen Grenzwerten die erlaubte Anzahl von Überschreitungen festgelegen. Das Verfahren kann Teil des Reaktionsschemas sein. Reservoirmodellierung Numerische Reservoirmodellierungen können helfen, eine mögliche Zeitabhängigkeit der seismischen Gefährdung abzuschätzen. Hierzu wurden die durch das Geothermie- Reservoir verursachten hydraulischen und mechanischen Spannungsänderungen bestimmt und die daraus folgende Erdbebentätigkeit modelliert. Voraussetzung für eine solche Abschätzung ist die Erstellung eines detaillierten Modells des geothermischen Reservoirs und seiner Umgebung inklusive der Störungszonen. Bei den Beispielen GeneSys und Basel kamen hauptsächlich deterministische Methoden mit thermisch-hydraulisch-mechanisch gekoppelten Modellen als Grundlage für die Modellierung zum Einsatz. Damit konnten die Forscher Analysen durchführen, bei denen die Hydraulik deterministisch modelliert und das Auftreten von Erdbeben aber durch einen statistischen Prozess simuliert wurde. Weiterhin entwickelten sie auch Modelle, die eine Vorhersage der zeitlichen Entwicklung der Mikroseismizität auf Basis von Injektionsparametern und seismotektonischen Eigenschaften des geothermischen Reservoirs erlauben. Neben der Abschätzung der Gefährdung durch induzierte Seismizität und dem verbesserten Prozessverständnis

21 BINE-Themeninfo II/ Echtzeitdaten Kreuzkorrelation im aktuellen Zeitfenster Musterereignisse aktuelles Zeitfenster Detektionsbedingungen erfüllt? nein ja Magnitude aus Amplitudenverhältnissen bestimmen Abb. 30 Seismometer und Gerätebox Quelle: Uni Frankfurt entwickelten sie auch Strategien, um durch verbesserte hydraulische Stimulationen das Auftreten einer spürbaren Erdbebentätigkeit zu vermeiden. Monitoringkonzepte für Geothermiefelder In MAGS wurden zwei unterschiedliche Monitoringkonzepte zur seismischen Überwachung von komplexen Geothermiefeldern erprobt, die über die übliche Überwachung einer Einzelanlage hinausgehen. Beim ersten Konzept entwickelten und untersuchten die Forscher den Prototyp eines anlagenübergreifenden Monitoringsystems, das auf die Seismometer verschiedener Betreiber zurückgreift. Ein Ziel war es, insgesamt kostengünstig zu bleiben. Installiert wurde der Prototyp zur Überwachung sechs eng benachbarter Geothermieanlagen im Süden Münchens: Die Betreiber der Anlagen in Pullach, Oberhaching, Unterhaching, Taufkirchen, Kirchstockach und Dürrnhaar konnten als Kooperationspartner in MAGS eingebunden werden. Dabei stand im Fokus, die Überwachung eng benachbarter Bohrungen hinsichtlich der Detektionsfähigkeit und Ortungsgenauigkeit zu optimieren. Ausgangsbasis war, dass in Bayern bergbehördlich für nicht auffällige Anlagen als Mindeststandard eine einzelne seismische Messstation vorgeschrieben ist. Für jeden der o. g. Standorte wurde im zu erstellenden Monitoringnetzwerk eine Station veranschlagt, um dann schlussendlich eine Gesamtfläche von 10 x 20 km zu monitoren. In aufwendigen Optimierungsrechnungen wurde, unter Einbeziehung eines synthetischen Erdbebenkatalogs, eines Gitternetzes potenzieller Stationsstandorte und Berücksichtigung der örtlich zu erwartenden Bodenunruhe die Stationskonfiguration ermittelt, die die besten Detektionsmöglichkeiten und die niedrigsten Lokalisierungsungenauigkeiten ergeben soll. Dabei griffen die Forscher auf die Methode des sogenannten Simulated Annealing zurück. Anschließend realisierten sie das errechnete Netzwerk, soweit es die infrastrukturellen Rahmenbedingungen zuließen. Als Ergebnis zeigte sich, dass ein gutes seismisches Monitoring in benachbarten Feldern auch mit der Mindestanzahl von nur einer seismischen Messstation pro Anlage möglich ist, wenn das Netzwerk entsprechend aufwendig optimiert wird. Als weiteres wichtiges Ergebnis ergab sich, dass Seismizität an fast allen im Echtzeitdaten Musterereignis Erdbeben Detektion mit - Ort - Herdzeit - Magnitude nächstes Zeitfenster Abb. 31 Prinzipskizze der Funktionsweise des MAGS-Detektor t1 t2 Netz-KorrKoeff Spur-KorrKoeff Abb. 32 Prinzipdarstellung der Korrelation für den Detektor 1, Magnitude Beobachtung Modell Abb. 33 Beispielhafte Darstellung der Übereinstimmung der gemessenen mit den in der Simulation aufgetretenen Beben an einem Standort. Quelle: FU Berlin

22 22 BINE-Themeninfo II/2018 Seismicity Rate Seismicity Rate Abb. 34 Vergleich Beobachtung und Simulation für Unterhaching. Ereignisrate und Wartezeiten-Statistik im entclusterten Katalog (blau) und im synthetischen Katalog (rot) auf Grundlage von Porendruck-Modellierungen. Quelle: FU Berlin Time [Days] since Rahmen von MAGS wissenschaftlich gründlich beobachteten Standorten in Bayern beobachtet werden konnte. Im zweiten Konzept führten die Forscher ein seismisches Monitoring in der Region um die Geothermieanlagen Insheim und Landau durch. Hier wurde ein bereits existierendes und sehr dichtes seismisches Monitoringnetzwerk durch hochsensitive Bohrlochseismometer ausgebaut. Der Schwerpunkt lag hierbei, im Gegensatz zum ersten Konzept, nicht auf möglichst günstigen Kosten. Die Seismizität sollte vielmehr mithilfe eines zusätzlichen wissenschaftlichen Netzwerks weitaus genauer erfasst werden als mit einem reinen Betreibernetzwerk. Hierdurch liegt jetzt ein umfangreicher und hochpräziser seismologischer Datensatz vor, der in die weitergehenden wissenschaftlichen Analysen im Rahmen von MAGS einfloss. Es zeigte sich dabei, dass die seismologischen Messgeräte, die nach den Regeln der DIN 4150 in Gebäuden installiert waren, in vielen Fällen auch zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit der Mikroseismizität eingesetzt werden konnten. Andererseits konnten die mikroseismischen Messstationen auch zur Abschätzung der Bodenschwinggeschwindigkeiten verwendet werden, um die flächenhafte Verteilung der Bodenerschütterungen besser abzubilden. Auch im Rahmen des FERRY-Projekts wurde ein Netz mit zehn seismischen Stationen rund um das Taunusoberservatorium am Kleinen Feldberg installiert (s. Infobox S. 14) Fluidinduzierte Seismizität in Geothermiefeldern Das allgemein anerkannte Modell zur Erklärung fluidinduzierter Seismizität besagt, dass durch eingebrachtes Fluid der Porendruck im Bereich einer Störungszone erhöht und damit die durch die Tektonik natürlicherweise anliegende, effektive Normalspannung erniedrigt wird. Wenn die tektonische Scherspannung im Gestein vorher schon knapp unterhalb der Scherfestigkeit lag, kann die Herabsetzung der Normalspannung durch das Einbringen von Fluid dazu führen, dass die Scherfestigkeit überschritten und somit ein Erdbeben ausgelöst wird. Die Erdbebentätigkeit hängt also entscheidend vom Porenwasserdruck ab, der durch die Zirkulation in der Geothermieanlage beeinflusst wird. Die Druckausbreitung des Porenwassers, die von der Injektionsbohrung ausgeht, folgt dem Druckverlauf an der Bohrung mit einer gewissen Verzögerung. Dies gilt ebenso für die räumliche Ausbreitung der Front vom Bohrloch, und somit auch für die mögliche Seismizität. Eine Gegenmaßnahme bei einem erhöhten seismischen Risiko kann sein, den Druck an der Injektionsbohrung zu reduzieren. Die grundlegenden Prozesse der fluidinduzierten Seismizität sind verstanden. Für verbessertes Prozessverständnisses sind numerische Simulationen hilfreich, die die Interaktion zwischen Fluidtransport, petrologischen Parametern und der Seismizität beschreiben. Solche gekoppelten Prozesse, die sowohl die Hydromechanik als auch die Bruchentwicklung physikalisch korrekt beschreiben, wurden im Rahmen des MAGS2-Projekts durchgeführt. Mit numerischen Modellierungen lassen sich die zu erwartenden Änderungen im Porendruck und im Spannungsfeld schon im Vorfeld der Stimulation und der Zirkulation während des Produktionsbetriebs geothermischer Reservoire berechnen. So können auch synthetische Ereigniskataloge generiert werden, die ermöglichen, die seismische Gefährdung vorab zu bewerten und Strategien zu deren Begrenzung, z. B. über die Anpassung von Fließraten, zu entwickeln. Die Modellierungen sind sehr komplex, umfassen eine Vielzahl von hydromechanischen und gesteinsphysikalischen Parametern, die den Grad der poroelastischen Koppelung bestimmen. Die Modellierungen und die genaue Untersuchung der Magnitudenstatistiken induzierter Ereignisse inklusive von Haupt- und Nachbebenserien in MAGS2 ergeben, dass die Seismizität durch die begrenzende Größe und Geometrie des seismisch aktiven Gesteinsvolumens erheblich beeinflusst wird. Dieses beeinflusst auch die maximal mögliche Magnitude, welche sich aus den Dimensionen des aktiven Volumens ableiten lässt. Benachbarte und interagierende Reservoire in geothermischen Feldern können in stärkeren seismischen Ereignissen als in Einzelreservoiren resultieren. Der unmittelbare Einfluss von eingeleiteten Fluiden wird auch beim Vergleich der zeitlichen Verteilung der Seismizität im Fall von wartungsbedingten Stillstandzeiten an der Anlage in Insheim deutlich. Dort zeigte sich, dass das Wiederhochfahren der Anlage eine erhöhte seismische Aktivität verursachen kann. Die Forscher gehen davon aus, dass plötzliche Änderungen im Fluiddruck zu erhöhter seismischer Aktivität führen können. Daher scheint eine langsame und stufenweise Betriebsanpassung insbesondere bei Wiederaufnahme der Produktion günstig. Seismizitätsabschätzung vor dem Bohren Eine frühzeitige Abschätzung möglicherweise auftretender Seismizität an einem neu geplanten Standort schon vor dem Bohren ist von großem Interesse. Induzierte Seismizität kann die spätere Förderrate einschränken

23 BINE-Themeninfo II/ Abb. 35 Modell für die manuellen Lokalisierungen unterhalb der Oberkante des Grundgebirges (schwarz) an den Standorten Landau und Insheim Quelle: Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz, nach EU-Projekt GeORG und im schlimmsten Falle zur Beendung der Unternehmung führen. Eine Abschätzung der zu erwartenden Seismizität kann nicht nach dem Konzept der kontrollierten Zirkulation durchgeführt werden, da dieses auf bereits nachgewiesener Mikroseismizität beruht. Die Seismizitätsabschätzung vor dem Bohren basiert folglich auf Modellrechnungen. Ist der Standort noch nicht festgelegt, empfiehlt sich eine Modellierung von Poren- und Spannungsänderungen für verschiedene Standorte und Untergrundparameter, um die zu erwartende Seismizität abschätzen und vergleichen zu können. Die Forscher haben in MAGS2 verschiedene Parameter identifiziert und untersucht, die für eine Modellierung bzw. Abschätzung möglicherweise auftretender Seismizität relevant sind. Zum einen ist das die geologisch-tektonische Situation, die die Gesteinsparameter, die Geometrie von Störungen und das lokal anliegende Spanungsfeld umfasst. Zum anderen gehen die beabsichtigten Betriebsszenarien in die Rechnungen ein, d. h. mit welchen Drücken und Fließraten sollen bei dem geothermischen Projekt gearbeitet werden. Schlussendlich gilt es dann noch abzuschätzen, wie groß die Erschütterungen sind, die die prognostizierte Seismiztät im Umfeld der geothermischen Anlage an der Erdoberfläche hervorruft und mit welchen lateralen Variationen der Erschütterungen zu rechnen sind. Hierbei kann eine vorgeschaltete, sogenannte Mikrozonierung helfen, bei der sich mithilfe von seismischen Oberflächenmessungen kleinräumige Gebiete mit Verstärkungseffekten ermitteln lassen. Bei der Auswahl des Standortes kann es zu einem Zielkonflikt kommen: Die Geothermie sucht gezielt nach hochpermeablen geologischen Zonen für die Zirkulation, die aber andererseits zumeist gleichzeitig auch Schwächezonen und damit Gebiete erhöhter seismischer Gefährdung darstellen. Mithilfe der sogenannten Scherungstendenzanalyse kann allerdings bereits vor dem Bohren unter Berücksichtigung der Spannungsverhältnisse und der Geologie berechnet werden, an welchen Störungszonen ein seismisches Versagen möglich ist und wo eher nicht. In MAGS2 wurde eine solche Scherungstendenzanalyse für das gesamte bayrische Molassebecken unter Berücksichtigung aller bekannten und kartierten Störungszonen durchgeführt. So können jetzt bereits in der Planung neuer Geothermieprojekte Störungssegmente identifiziert werden, die im Hinblick auf induzierte Seismizität problematisch sind. Die Qualität der Modellierung und der daraus folgenden Prognosen hängt stark davon ab, wie gut die Untergrundparameter bekannt sind, um dann die komplexen thermisch-mechanischen sowie hydraulisch-mechanischen Prozesse simulieren zu können. In MAGS2 haben die Forscher dazu aufwendige Laboruntersuchungen an Bohrkernen auch zur Rissausbreitung durchgeführt, deren Ergebnisse in die Modelle zur Seismizitätsabschätzung vor dem Bohren eingeflossen sind. Echzeitüberwachung bzw. -detektion Um bei unerwünscht großer Seismizität die Gefährdung zu regulieren, werden oft Reaktionsschemata eingesetzt, die auf den gemessenen Magnitudenhäufigkeiten beruhen. Grundlegend hierfür sind Informationen zu Ort und Magnitude induzierter Ereignisse in Echtzeit. Im Rahmen von MAGS wurde ein Kreuzkorrelationsdetektor entwickelt, getestet und in die Auswertesoftware SeisComP3 integriert. Dieser vergleicht die ankommenden seismischen Daten mit bekannten Musterereignissen. Um gegenüber kleinen Änderungen in Ort und Herdmechanismus stabiler zu sein, wird die Einhüllende der Daten bzw. des Musters korreliert. Sind diese einander ähnlich, ergibt sich ein hoher Korrelationskoeffizient. Übersteigt dieser an einer vorgegebenen Anzahl von Spuren und Stationen einen Schwellenwert, wird die Netzkorrelation bestimmt, die das Amplitudenverhältnis der Spuren zueinander berücksichtigt. Eine Detektion wird ausgelöst, wenn die Netzkorrelation ebenfalls einen Schwellenwert überschreitet. Die Magnitude wird aus dem Amplitudenverhältnis von aktuellen Daten und Musterereignis bestimmt. Der entwickelte Detektor wurde für die Überwachung der Anlagen Landau und Insheim sowie benachbarter Steinbrüche eingesetzt. Die detektierten Ereignisse werden manuell überprüft und genau lokalisiert. Im Zeitraum 10/2013 bis 11/2015 konnten so 454 Ereignisse bestimmt werden, wovon 95 % korrekt detektierte induzierte Ereignisse (Geothermie/Steinbrüche) waren.