Tiefe Geothermie Erkenntnisse, Entwicklungen, Fortschritte

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1 GeoWärme Südpfalz Wärme für die Zukunft der Region Versorgungssicherheit durch Geothermie. Für den Raum Bellheim Lustadt Germersheim Verbraucherfreundlich Umweltfreundlich Tiefe Geothermie Erkenntnisse, Entwicklungen, Fortschritte Die bekannten Problemfälle im Oberrheingraben und was heute anders ist

2 Geothermie im Oberrheingraben und in Deutschland In Deutschland sind derzeit 33 tiefengeothermische Anlagen in Betrieb. 23 dieser Anlagen werden dabei ausschließlich zur Wärmeproduktion genutzt, sieben sind Heizkraftwerke, die sowohl Wärme als auch Strom produzieren, lediglich drei Anlagen werden zur alleinigen Stromproduktion betrieben. Die meisten Geothermie-Anlagen liegen dabei im bayerischen Molassebecken, 20 davon alleine im Großraum München. Projekte wie beispielsweise in Unterhaching, Grünwald oder Taufkirchen liefern dort bis zu 40 MW thermischer Leistung pro Anlage. Thermalwasser zwischen ca. 65 und 140 C wird gefördert. Obwohl im bayerischen Molassebecken die meisten Geothermie-Projekte ansässig sind, liegen die besten geothermischen Bedingungen im Oberrheingraben vor. Im Oberrheingraben haben wir Temperaturanstiege von stellenweise bis zu 70 C pro Kilometer Tiefe. Dadurch können hier bei Geothermie-Projekten Thermalwässer mit Temperaturen bis über 175 C erschlossen werden. Geothermieheizkraftwerk Grünwald (bei München), vergleichbare Dimensionen mit GeoWärme Südpfalz Geothermie-Projekte Oberrheingraben Im Oberrheingraben sind derzeit sieben tiefengeothermische Anlagen in Betrieb. Als erstes kommerzielles Geothermie-Projekt im Oberrheingraben ging im Jahr 1994 die Anlage in Riehen bei Basel in der Schweiz in Betrieb. Das Thermalwasser wird dort aus dem Muschelkalk gefördert und zur Wärmebereitstellung genutzt. Die Geothermie-Kraftwerke in Landau, Bruchsal und Insheim gingen in den Jahren 2007, 2009 und 2012 in Betrieb. In Bruchsal wird dabei Thermalwasser aus dem Buntsandstein gefördert; in Landau und Insheim aus dem Übergangsbereich zwischen dem Rotliegenden und dem kristallinen Grundgebirge. Im Jahr 2014 wurde in Landau in einer alten Gasexplorationsbohrung zusätzlich eine tiefe Erdwärmesonde installiert. Auf der französischen Seite des Oberrheingrabens wurden im elsässischen Soultz-sous-Forêts seit 1987 im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes verschiedene Konzepte zur Schaffung eines künstlichen unterirdischen Wärmetauschers (Enhanced Geothermal System EGS) im kristallinen Grundgebirge untersucht. Im Jahr 2016 wurde das Geothermiekraftwerk Soultz-sous-Forêts dann in den kommerziellen Betrieb überführt. Ebenfalls im Jahr 2016 ging das Geothermie-Heizwerk im elsässischen Rittershoffen in Betrieb. Geothermieheizwerk Rittershoffen Geothermiekraftwerk Insheim

3 Die bekannten Problemfälle im Oberrheingraben und was heute anders ist Problemfall Staufen im Breisgau, Lochwiller im Elsass Bei den Schadensfällen handelt es sich um oberflächennahe Geothermie-Projekte. In beiden Fällen wurde durch die Bohrungen mit einer Tiefe von etwa 90 m in Staufen und etwa 140 m in Lochwiller eine Verbindung zwischen einer Grundwasser-führenden Schicht und einer darüberliegenden Anhydrit-Schicht (Gipskeuper) geschaffen, wodurch sich der Anhydrit unter Volumenzunahme in Gips umwandelte. Durch den Quellprozess im Untergrund traten an der Oberfläche Bodenhebungen von etlichen Zentimetern bis Dezimetern auf, die zu erheblichen Rissbildungen an Gebäuden führten. Diese Rissbilder werden immer wieder gezeigt, fälschlicherweise auch bei Vorträgen zu Tiefer Geothermie. In welchem Zusammenhang steht Staufen mit GeoWärme Südpfalz? Es handelt sich um flache Bohrungen der oberflächennahen Geothermie. Die entsprechenden Gesteinsschichten liegen im Suchraum von GeoWärme Südpfalz in über m Tiefe, so dass die Auflast des darüberliegenden Gesteins ein mögliches Quellen verhindern würde. Staufen

4 Problemfall Landau Projektablauf Die Planungen für dieses Projekt begannen im Jahr Der Kraftwerksbetrieb startete Ende des Jahres 2007, ohne Vorkehrungen gegen Seismizität. Diese wurde damals weitgehend ausgeschlossen. Das stärkste Beben mit einer Magnitude von 2,7 ereignete sich im August 2009 in der Betriebsphase. Es wurde im Stadtgebiet von Landau deutlich wahrgenommen. Fehlende Messstationen und fehlende Echtzeitregelung machten es schwierig, die Ursache des Bebens zu lokalisieren und Maßnahmen abzuleiten. Ursache für das Beben war nach Einschätzung der Experten die Rückführung des Wassers in den Untergrund mit zu hohem Druck und die Rückführung des Thermalwassers in eine von der Produktionsbohrung hydraulisch nahezu isolierte geologische Struktur. Insgesamt wurden in Landau 63 Schäden gemeldet. Dabei handelt es sich ausnahmslos um leichtere Schäden, meist Putzrisse. Baugutachten von vereidigten Sachverständigen ergaben, dass es sich bei 51 der gemeldeten Schadensfälle um herkömmliche Bauschäden handelt, die nicht mit dem Geothermie-Projekt in Zusammenhang gebracht werden konnten. Bei den 12 anderen Schadensfällen konnte ein Zusammenhang mit dem Erdbeben nicht ausgeschlossen werden. Die regulierte Gesamtschadenssumme belief sich auf knapp über Euro. Ende des Jahres 2009 ging das Kraftwerk unter Auflagen wieder in Betrieb (Druckreduzierung, seismisches Überwachungsmessnetz). Im März 2014 wurde das Kraftwerk in Landau erneut vom Netz genommen, nachdem sich der Boden in der nahen Umgebung des Kraftwerks um mehrere Zentimeter gehoben hatte. Risse im Boden waren stellenweise über mehrere Meter zu verfolgen, eine Grundwasserverunreinigung war zu befürchten. Wie sich herausstellte, war eine Leckage in einer Dichtung der Injektionsbohrung ursächlich für den Zwischenfall. Die Folgen der Leckage hätten laut einem Gutachten durch eine ordnungsgemäße Betriebsführung und Überwachung vermieden werden können. Die technologische Basis ist vergleichbar mit GeoWärme Südpfalz. Vorfälle wie oben beschrieben werden bei GeoWärme Südpfalz durch die mittlerweile vorliegende Erfahrung, stark verbesserte Planung und deutlich verbesserte Ausführung vermieden.

5 Der heutige Umgang mit induzierter Seismizität Heute weiß man, dass Thermalwasser nur mit geringem Druck ins Reservoir zurückgeführt werden darf. Die Minimierung des seismischen Risikos beginnt deshalb bereits bei der geologischen Erkundung. Während früher mit zugekauften 2D-Seismikdaten gearbeitet wurde, wird heute mit einer Kombination aus 2D- und 3D-Seismikdaten gearbeitet. Infolgedessen ergibt sich ein umfangreiches, dreidimensionales und detailliertes Bild des Untergrundes. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, durchlässige Strukturen im Untergrund zu erschließen, die ausreichend hohe Fließraten ermöglichen, sodass keine hohen Drücke eingesetzt werden müssen. Auch weiß man heute, dass man das Thermalwasser möglichst nicht direkt aus dem Grundgebirge (Granit) fördern sollte. Das Grundgebirge ist härter und speichert Spannungen. GeoWärme Südpfalz wird deshalb das Reservoir im Buntsandstein, mit ausreichend Abstand zum Grundgebirge, nutzen. Auch werden Förder- und Rückführbohrung hydraulisch über ein hoch durchlässiges Störungssystem verbunden sein. Das führt dazu, dass sich im Untergrund der Druck zwischen den beiden Bohrungen ausgleichen kann. Heute weiß man, dass zu Beginn des Kraftwerkbetriebes oder nach Stillstandszeiten nur schrittweise, mit langsam steigenden Fließraten gestartet werden darf. Heute ist eine seismische Überwachung (Monitoring) in jedem Fall bei Geothermie-Projekten im Oberrheingraben vorgeschrieben. Die Messwerte können zur Abgrenzung und punktgenauen Lokation von natürlich auftretenden und induzierten Beben genutzt werden. Die Messwerte sind nicht nur maßgeblich für die Beurteilung eventueller Schäden, sondern auch für ein Reaktionsschema notwendig. Dabei ist die Echtzeitauswertung der Daten an einen Reaktionsplan (Stufen- oder Ampelsteuerung) gekoppelt. Um das Auftreten von Sachschäden zu vermeiden, wird der Betrieb des Kraftwerks angepasst (z. B. Druckreduzierung oder Stopp der Anlage), sobald die Stärke der induzierten Seismizität einen gewissen Schwellenwert überschreitet. Dabei wird der sogenannte Nachlaufeffekt berücksichtigt, d. h. die Tatsache, dass die stärksten Erschütterungen häufig verzögert nach dem Abbruch der hydraulischen Maßnahmen stattfinden. Sicherheit bei Tiefbohrungen Heute sind über eine Barriere aus Zement/Stahlrohr/Zement/Stahlrohr/ Schutzflüssigkeit/Stahlrohr bis in etwa 500 Meter Tiefe die oberen Grundwasserleiter zuverlässig geschützt. Zusätzlich wird ein Grundwasser-Monitoring im Umfeld der Bohrung und des späteren Kraftwerks durchgeführt. Dabei werden Grundwasserleiter durch regelmäßige Probenahme überprüft und dokumentiert, die Temperatur und die Leitfähigkeit werden durch Online-Systeme ständig geprüft. Auf diese Weise kann eine Leckage von Thermalwasser aus den Geothermie-Bohrungen zuverlässig erkannt werden. Die Analysen sind an ein Bewertungssystem und einen Maßnahmenkatalog gekoppelt. Des Weiteren wird die Dichtheit der Bohrung durch Messungen des Drucks der Schutzflüssigkeit im Ringraum zwischen Produktionsrohrtour und Ankerrohrtour überprüft und Thermalwasser-Leckagen durch Temperaturmessungen im Zement der Ankerrohrtour (DTS Distributed Temperature Sensing) erkannt. Bei den Stahlrohren in der Bohrung wird in einer regelmäßig durchgeführten Inspektion die Wandstärke über Ultraschallsonden geprüft. Auch wird in den regelmäßig genommenen Thermalwasserproben der Gehalt an Reaktionsprodukten zwischen Eisen und z. B. Schwefel gemessen. Die Analyse gibt einen Hinweis auf Korrosion der Stahlrohre im Untergrund. Hebungen werden durch einen sehr genauen Höhensensor am Bohrplatz (DGPS mit Phasenmessung der Trägerwelle) mit Echtzeit-Monitoring sofort erkannt.

6 Problemfall Basel Projektablauf Im Rahmen des Deep-Heat-Mining -Projektes in Basel-Kleinhünigen sollte das kristalline Grundgebirge in 5 km Tiefe zur Strom- und Wärmeerzeugung erschlossen werden. Das Konzept sah ein sogenanntes HDR-Projekt vor (HDR Hot Dry Rock), bei dem durch das Verpressen von Fluiden (hydraulische Stimulation mit hohem Druck) in einem an sich wasserundurchlässigen Gestein eine hydraulische Leitfähigkeit künstlich geschaffen wird, um im späteren Betrieb Wärme über eine Wasserzirkulation austragen zu können. In Basel nahm die Seismizität (Häufigkeit und Stärke der seismischen Ereignisse) bei der hydraulischen Stimulation mit steigender Injektionsrate bzw. dem injizierten Volumen zu. Aufgrund der erhöhten seismischen Aktivität wurde die Injektionsrate zunächst reduziert und die Injektion schließlich gestoppt. Etwa 5 Stunden danach trat am 8. Dezember 2006 das stärkste seismische Ereignis mit einer Magnitude von 3,4 auf. Es folgten zahlreiche kleinere Beben. Drei weitere Nachbeben mit Magnituden über 3 wurden Wochen danach registriert. Die von der Geothermie hervorgerufenen Beben verursachten in Basel leichte Schäden an Gebäuden, vor allem aber erschreckten sie die Bevölkerung. Als Reaktion auf die seismischen Ereignisse wurde das Geothermie-Projekt vorerst gestoppt und im Jahr 2009 endgültig für beendet erklärt. In welchem Zusammenhang stehen die Beben in Basel mit GeoWärme Südpfalz? Es gibt keinen Zusammenhang. In Basel wurde versucht, das an sich undurchlässige Grundgebirge durch hydraulisches Aufbrechen von Gestein durchlässig zu machen. Dazu wurde Wasser unter extrem hohem Druck in den Untergrund verpresst. Das Erschließungskonzept der Deutschen ErdWärme sieht die Nutzung eines natürlichen Wasserleiters vor. Das Auslösen von spürbaren Erdbeben soll bei der Erschließung und Nutzung dabei explizit vermieden werden, insbesondere wird keine Druckstimulation durchgeführt werden.

7 Was wird heute noch anders gemacht? Die Zwischenfälle in Basel und Landau haben dazu geführt, dass sich sowohl die Forschung als auch Landesämter und Behörden intensiv mit dem Thema induzierter Seismizität befasst haben. In Rheinland-Pfalz wurde in Folge der Ereignisse das Mediationsverfahren Geothermie Vorderpfalz zwischen Geothermie-Gegnern, Planern, Betreibern und der Regierung durchgeführt. Als Ergebnis wurden im Jahr 2013 unter anderem Betriebsregeln für tiefe Geothermie-Anlagen und ein seismisches Reaktionsschema etabliert, das Gegenmaßnahmen beschreibt, die beim Überschreiten bestimmter Bodenschwinggeschwindigkeiten zu treffen sind. Diese Regeln sind für die bestehenden Anlagen verbindlich geworden und sind auch bei neuen Anlagen Teil der Genehmigungsauflagen. Von den Bergämtern wird heute im Rahmen des Genehmigungsverfahrens ein seismisches Gefährdungsgutachten gefordert. Dieses enthält unter anderem eine Beschreibung der lokalen geologischen Situation, eine Analyse der natürlichen Seismizität im Untersuchungsgebiet, eine Beschreibung der geplanten operativen Maßnahmen sowie deren Bewertung hinsichtlich seismischer Gefährdung, eine Abschätzung von Maximalmagnituden und deren Eintrittswahrscheinlichkeit sowie Handlungsempfehlungen zur Minderung der seismischen Gefährdung durch eine geeignete Überwachung. Vorkehrungen Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Anzahl und Stärke seismischer Ereignisse im Zusammenhang mit dem Betrieb einer geothermischen Anlage durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst werden kann. Durch geeignete Wahl dieser Größen ist es möglich, Erschütterungen aufgrund induzierter Seismizität in einem Bereich unterhalb der Fühlbarkeit und erst recht unterhalb der Schadensgrenze zu halten. Was, wenn doch etwas passiert? Für den Fall, dass trotz aller Vorkehrungen spürbare seismische Ereignisse mit Schäden an Gebäuden auftreten, geben Versicherungslösungen in Verbindung mit einer Ombudsmann- Regelung heute Anwohnern im Falle eines Schadens Sicherheit. Das Gesetz zur Beweislastumkehr bei Bergschadenshaftung für Geothermie-Bohrungen wurde im Sommer 2016 auf Veranlassung des Landes Rheinland-Pfalz bundesweit eingeführt.» Geothermie ist eine zuverlässige erneuerbare Energie. «Beispiel einer seismischen Messstation (Emissionsmessnetz)

8 Verbraucherfreundlich Umweltfreundlich Stand: Januar 2017 Die Deutsche ErdWärme realisiert in Deutschland Geothermie-Projekte für die Erzeugung von Fernwärme, Nahwärme und Strom. Das Unternehmen verbindet umfangreiches technisches Know-how mit fundierter Erfahrung in wirtschaftlicher Planung und Projektmanagement. Deutsche ErdWärme GmbH & Co. KG Ludwig-Erhard-Allee Karlsruhe Deutschland Tel: Weitere Informationen: