Basisdaten für tiefe Geothermievorhaben in Baden-Württemberg: Geothermale Fluide, tektonische Spannungen und Seismizität

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1 Umweltforschung in Baden-Württemberg Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2013 am 20. und 21. Februar 2013 im KIT-Campus Nord Basisdaten für tiefe Geothermievorhaben in Baden-Württemberg: Geothermale Fluide, tektonische Spannungen und Seismizität Thomas Kohl, Philipp Blum, Thomas Mutschler, Frank Schilling, Birgit Müller, Emmanuel Gaucher Karlsruher Institut für Technologie, Campus Süd Institut für Angewandte Geowissenschaften Kurt Bucher Universität Freiburg Institut für Geowissenschaften Manfred Joswig Universität Stuttgart Institut für Geophysik Detlev Doherr Hochschule Offenburg Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik Roland Koenigsdorff Hochschule Biberach Institut für Gebäude- und Energiesysteme Förderkennzeichen: L Laufzeit: Die Arbeiten dieses Projekts werden im Auftrag des Landes Baden-Württemberg durchgeführt.

2 LFZG Verbundvorhaben Basisdaten für tiefe Geothermievorhaben in Baden-Württemberg: Geothermale Fluide, tektonische Spannungen und Seismizität Die in Baden-Württemberg beheimateten Forschungseinrichtungen haben sich im Rahmen dieses Verbundvorhabens zusammengeschlossen, um geothermisch relevante Daten zu bearbeiten und die komplex gekoppelten Prozesse im Untergrund des Landes transdisziplinär zu untersuchen. Damit werden eine grundlegende Datenbasis und Beiträge für die effektive und sichere Nutzung der Geothermie geschaffen. Das Vorhaben ist in Arbeitspakete gegliedert, die folgende Tools entwickeln bzw. Aspekte untersuchen a) Prognosetool für geothermale Fluide in Aquiferen des Rheingrabes und seiner Randgebiete. Die chemische Zusammensetzung der geförderten Wässer ist für Geothermie-Kraftwerke von Bedeutung, um in geothermisch genutzten Anlagen gezielt Abwehr gegen Scaling und Korrosion durchzuführen. Dies setzt eine zuverlässige Prognose der zu erwartenden Wasserchemie vor dem Abteufen der ersten Bohrung voraus. Ziel des Vorhabens ist es, möglichst zuverlässige Vorhersagen über die Wasserchemie bei Tiefengeothermie-Projekten im Rheintalgraben machen zu können und das Potential für Scaling und Korrosion der Tiefenwässer zu prognostizieren. b) Definition eines wissenschaftlichen Begleitprogramms mit seismischen Monitoring für die Geothermiebohrung Pfullendorf. Um die Bundeswehrkaserne Generaloberst-von-Fritsch in Pfullendorf durch Geothermie mit Wärme zu versorgen sind zwei auf eine Tiefe von rund 1500 m geplante Bohrungen vorgesehen. In einem wissenschaftlichen Begleitprojekt soll die Möglichkeit genutzt werden durch Instrumentierung des umliegenden Geländes, geophysikalische Erkundungsmethoden zu entwickeln, die die Schwingungen der Bohraktivitäten nutzt. Die vorbereitenden Arbeiten wurden innerhalb des LFZG-Verbundvorhabens durchgeführt. Leider konnte keine Förderung des Monitoringprogramms durch das BMU erzielt werden. c) Erstellung einer Detektionsschwelle kritischer Seismizität aus der Analyse der natürlichen Magnituden- Häufigkeitsbeziehung für Baden-Württemberg. Das Auftreten von seismischen Ereignissen in der Nähe von geothermischen Kraftwerken erfordert eine Diskriminierung von natürlicher und induzierter Seismizität, die nur erfolgen kann, wenn vor Bohrbeginn die Hintergundsseismizität ermittelt wurde. Eine wesentliche Rolle spielen dabei die zeitlich-räumlichen Variationen der seismischen Netzempfindlichkeit. Im Vorhaben wird die Erfassungsschwelle für BW detailliert untersucht und dargestellt. d) Untersuchung der Bedeutung sulfathaltiger Gesteine für Schadensfälle in Baden Württemberg und Planung von Demonstrationsprojekten. Ziel des Teilvorhabens ist die qualitative und quantitative Untersuchung bestehender Schadensfälle durch Erdwärmesonden in Baden-Württemberg. Die 2011 vom Umweltministerium vorgelegte Studie zu Schadensfällen wurde ergänzt und Schadensfälle ausgewählt, die näher untersucht werden. Im Fokus stehen Schadensfälle mit höheren Schadenssummen. e) Forschungsdatenbank für geothermische Basisdaten in Baden-Württemberg. Die vielfältigen geowissenschaftlichen Daten geothermischer Projekte in Baden-Württemberg sind in unterschiedlichen Systemen und verschiedenen Formaten gespeichert, so dass keine übergreifenden Vernetzungen möglich sind. In dem Pilotprojekt soll die geeignete Datenstruktur für multivariate Daten entwickelt und in ein Informationssystem implementiert werden. Ein vorläufiges Datenmodell für eigene Basisdaten und Fremddaten wurde erstellt und die Plattform dafür auf einem Server in Offenburg eingerichtet. 1

3 f) Energetisch und exergetisch verbesserte Nutzung von Wärme aus Tiefer Geothermie in Baden-Württemberg. Tiefe geothermische Energie liegt zunächst als Wärme auf einem mittelhohen Temperaturniveau von i. d. R. weniger als 200 C vor. Hiermit lässt sich Strom erzeugen und Wärme in in Nah- oder Fernwärmenetze einspeisen. Dies ist nur dann wirtschaftlich machbar, wenn eine genügend hohe Wärmeabnahme nahe genug am Standort der geothermischen Anlage möglich ist. In diesem Arbeitspaket sollen die Möglichkeiten der Effizienzsteigerung systemanalytisch untersucht und als Datenbasis zur Verfügung gestellt werden. g) 3D Geomechanikmodell zur Nutzung des Untergrunds (ab 2013). Auf der Basis eines numerischen 3D- Geomechanikmodells sollen plausible Spannungswerte zwischen den Lokationen tatsächlicher Messungen des Spannungsfelds in BW als Grundlage für Forschungsarbeiten und Gutachten bereitgestellt werden. Gegenwärtig laufen Vorarbeiten zur geometrischen Erstellung des Modells unter Berücksichtigung der Daten des geologischen Landesamts. Das Verbundvorhaben wurde im Juni 2012 bewilligt. Die Arbeiten wurden im 2. Halbjahr 2012 begonnen. 2

4 Prognosetool für geothermale Fluide in Aquiferen des Reingrabens und seiner Randgebiete (Universität Freiburg, Prof. Bucher) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: bis Ziele: Die Nutzung der tiefen Geothermie basiert auf der Förderung von heißem Wasser aus Speichergesteinen im Untergrund. Je nach mineralischer Zusammensetzung und Temperatur der Speichergesteine enthalten die geförderten Thermalwässer unterschiedliche gelöste Inhaltsstoffe - Salze. Dabei spielen die Wasser-Fließwege und Gaszutritte (z.b. CO2) eine Rolle für die Wasserchemie. Die Kenntnis und Prognose der chemischen Zusammensetzung der geförderten Wässer ist für Geothermie-Kraftwerke von Bedeutung weil aus den Wässern Minerale ausgeschieden (scaling) und durch die heißen Salzlaugen auch massive Werkstoff-Korrosion (corrosion) verursacht werden können. Eine gezielte Abwehr von Scaling und Korrosion setzt eine zuverlässige Prognose der zu erwartenden Wasserchemie vor dem Abteufen der ersten Bohrung voraus. Ziel des Vorhabens ist es, möglichst zuverlässige Vorhersagen über die Wasserchemie bei Tiefengeothermie- Projekten im Rheintalgraben machen zu können und das Potential für Scaling und Korrosion der Tiefenwässer zu prognostizieren. Es ist von großer praktischer Bedeutung für die Planung eines Geothermie-Projekts, vorab die Fluid-Chemie zu kennen, um entsprechende Maßnahmen gegen Korrosion und Versinterung treffen zu können. Arbeitsprogramm Bisher liegen aus dem Rheintal nur wenige und z.t. unvollständige Wasserdaten von Tiefenwässern aus dem Kristallin vor (Soultz-sous-Forets, Bruchsal, Landau, Basel). Im Rahmen des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens werden chemische Daten von Tiefenwässern aus den aktuellen Bohrungen des Rheingrabens gesichtet und auf chemische Plausibilität geprüft. Zudem werden noch weitere Parameter, Spurenelemente und Isotope an vorhandenen Proben gemessen. Die Wasserdaten werden anschließend hydrochemisch mit verfügbarer Software (hauptsächlich PHREEQC) modelliert. Die Standard Software PHREEQC des USGS ist ein sehr leistungsfähiges Werkszeug, erfordert aber für die geochemische Modellierung von Fluid- GesteinsWechselwirkungen in der Geothermie gewisse Anpassungsarbeiten. Der zentrale Teil des Projekts werden jedoch Experimente mit einem Hochdruckreaktor sein, mit welchen die Reaktionen von Gestein und Wasser simuliert werden können. Die geplanten Experimente umfassen hauptsächlich Reaktionen von Graniten aus dem Basement des Rheintals mit 1 bis 2 m NaCl Lösungen bei Temperaturen bis 350 C und Drucken bis 350 bar. Dabei soll auch mit unterschiedlichen CO 2 Partialdrucken und REDOX Bedingungen gearbeitet werden. Die Reaktionszeiten werden sich nach den notwendigen Zeiten für die Erreichung stationärer Zustände richten. Der zeitliche Aufwand für ein Experiment wird im Wesentlichen besimmen wie viele Experimente mit unterschiedlichen Parametern insgesamt im Rahmen des Projekts gefahren werden können. Der Reaktor ist bestellt und wird voraussichtlich Ende April 2013 geliefert werden (Abb. 1). Es wird damit gerechnet, dass nach der Aufbau und Testphase die ersten Experimente im Mai 2013 gefahren werden können. Erste Ergebnisse Alle Tiefenwässer des Rheintalgrabens sind NaCl reiche Wässer mit Salinitäten im Bereich von g/l NaCl. Die Wässer sind leicht sauer (ph < 6), in der Regel gas-arm und stark oxydiert (Redox-Potential nicht tiefer als Sulfat-Sulfid Grenze). Alle analysierten Tiefenwässer aus dem Kristallin haben Cl/Br Massenverhältnisse im Bereich des Meerwassers. Dies zeigt, dass die Granit-Wässer des Rheintalgrabens eine gleiche Herkunft haben und ein gemeinsames kommunizierendes Reservoir bilden. Die Salinität dieser Kristallin-Wässer stammt definitiv nicht aus den sedimentären Deckschichten und auch handelt es sich nicht um eingewandertes Tiefenwasser aus dem Schwarzwaldkristallin sondern es ist fossiles Meerwasser. Das Primär-Wasser wurde allerdings auf vielfältige Art und Weise durch Reaktionen des mit den granitischen und gneisigen Reservoirgesteinen chemisch modifiziert. Unter anderem wurde Magnesium und Sulfat weitgehend entfernt, die Salinität und Calcium als CaCl 2 massiv erhöht. Werden diese Kristallinwässer in einem Geothermiebetrieb auf etwa 60 C abgekühlt, so werden diese stark übersättigt mit Quarz, Tonmineralen und Zeoliten. Hingegen sind sie in der Regel in Bezug auf die kritischen Minerale Anhydrit, Calcit, Coelestin und amorphem Silika weiterhin untersättigt. Die Reservoir-Wässer neigen also nicht a-priori zur Sinterbildung. Calcit-Sinter sind hingegen bei Druckverlust zu erwarten. Beobachtete Baryt- Ausfällungen konnten bisher noch nicht modelliert werden weil Barium nicht in allen Granit-Wässern analysiert wurde. Es wurde auch von Magnetit, Galenit und anderen Sulfid-Ausfällungen berichtet. Die Abklärung der Ursache dieser Ausfällungen benötigt entsprechende Spurenelement-Analysen, welche derzeit noch nicht vorliegen. 3

5 Abb. 1: Reaktorsystem Büchi (Limbo li 350/350/450) 4

6 Untersuchung der Schwell- und Quellfähigkeit sulfathaltiger Gesteine in Baden Württemberg in Hinblick auf deren Erschliessung ( Prof. Kohl, Prof. Blum, Dr. Mutschler, KIT) Förderkennzeichen : Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: 01. November 2012, 6 Monate Ziele: Ziel des Vorhabens ist die qualitative und quantitative Untersuchung von bestehenden Schadensfällen in Baden- Württemberg, die im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen entstanden sind. Arbeitsprogramm Dieses Vorprojekt beschränkt sich, aufgrund der beschränkten Mittel und Zeit, auf die qualitative und quantitative Untersuchung der bestehenden Schadensfälle durch Erdwärmesondenbohrungen in Baden-Württemberg. In den letzten Jahren gab es mehrere, durch Erdwärmesondenbohrungen verursachte Schadensfälle. Bekanntestes Beispiel ist Staufen im Breisgau, bei dem die Schadenssumme auf über 40 Mio. Euro geschätzt wird. Das Umweltministerium Baden-Württemberg hat über mehrere Anfragen bei den Landratsämtern, Auffälligkeiten in Bezug auf EWS-Bohrungen, gesammelt. Auf der Basis dieses Archivs soll eine Analyse der bestehenden Auffälligkeiten durchgeführt werden. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Geologie und Hydrogeologie und der Entwicklung von konzeptionellen Schadensmodellen. Erste Ergebnisse Erste Datensätze wurden bezüglich ihrer Ursachen, die zu der Auffälligkeit führte, in folgende Kategorien eingeteilt: 1. Grundwasseraustritt/Arteser 2. Kurzschluss zweier Grundwasserleiter/Ab- und Umleitung von Grundwasser in Karstgebieten 3. Anbohren von Hohlräumen und Klüften 4. Schwell- und Quellvorgänge 5. Gasaustritt 6. Technische Probleme/Gewässerverunreinigung 7. Unspezifiziert In Bezug auf das hier vorgestellte Projekt wurde ein Schadensfall so definiert, dass ein größerer finanzieller Schaden für den Bauherrn oder Dritte entstand. Diese Schadensfälle sollen nun geologisch und hydrogeologisch nach dem Flussdiagramm charakterisiert werden. Für die einzelnen Fälle wird ein geologisches und ggf. ein hydrogeologisches Profil erstellt. in einem ersten Überblick häufen sich die Auffälligkeiten im mittleren Teil Baden-Württembergs und am südlichen Oberrhein. Die Ursachen der Schadensfälle beschränken sich auf den Kurzschluss zweier Aquifere oder das Anbohren eines artesisch gespannten Grundwasserleiters, woraus meistens Setzungen oder Hebungen an der Oberfläche auftreten oder das umgebende Gelände vernässt wird. 5

7 Erstellung einer Detektionsschwelle kritischer Seismizität aus der Analyse der natürlichen Magnituden-Häufigkeitsbeziehung für Baden-Württemberg (Universität Stuttgart, Prof. Joswig) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: Mai 2012, Laufzeit 12 Monate Ziele: Das Auftreten von seismischen Ereignissen in der Nähe von geothermischen Kraftwerken erfordert eine Diskriminierung von natürlicher und induzierter Seismizität. Nahezu unmöglich wird eine solche Unterscheidung, wenn vor Inbetriebnahme des Kraftwerks die Hintergrundseismizität nicht hinreichend ermittelt wurde. Da Geothermiekraftwerke meist von neuen, dezidierten Messstationen überwacht werden, wird rezente lokale Seismizität mit wesentlich höherer Empfindlichkeit aufgelöst als dies mit den existierenden regionalen seismischen Netzen im langjährigen Mittel der Fall war. Für seismische Ereignisse in der Nähe eines Geothermiekraftwerks gilt es folglich zu unterscheiden, ob diese erst neuerdings auftreten, d.h. induziert wurden oder ob bisher an dieser Stelle nicht empfindlich genug gemessen wurde und vergleichbar große seismische Ereignisse in der Vergangenheit zwar auftraten, aber nicht erfasst wurden. Arbeitsprogramm Die Fähigkeit seismischer Netze zur Ereigniserfassung wird durch eine in Raum und Zeit veränderliche Detektionsschwelle beschrieben. Stehen genügend Katalogdaten seismischer Ereignisse zur Verfügung, kann mit Ableitung einer ebenfalls raum-zeitabhängigen Magnitude Mc als Vollständigkeitsschwelle beschrieben werden, bis zu welcher Empfindlichkeit alle statistisch erwartbaren Erdbeben erfasst wurden, d.h. der Katalog vollständig ist. Zur Erstellung einer Mc Karte sind umfassende statistische Analysen und Recherchen der vorhandenen Erdbebenkataloge zur Quantifizierung der Magnituden-Häufigkeitsbeziehung nötig (Abb. 2). Die Magnituden-Häufigkeitsbeziehung nach Gutenberg-Richter beschreibt das Verhältnis zwischen der logarithmierten Anzahl der Ereignisse und derer Magnituden. Diese Gerade knickt im Bereich kleiner Magnituden zu weniger Ereignissen hin ab nicht wegen fehlender Beben, sondern wegen des Nichterfassens dieser Beben im Rauschen der seismischen Bodenunruhe. Der Knickpunkt wird als Vollständigkeitsmagnitude Mc bezeichnet. Alle Ereignisse, die mindestens die Stärke Mc besitzen, werden im Überwachungsraum des Netzwerkes detektiert. Die untenstehende Grafik verdeutlicht den genannten Sachverhalt. Abb.2: Beispiel für eine Gutenberg Richter Darstellung. Erst ab der Magnitude Mc kann davon ausgegangen werden, dass alle Erdbeben erfasst wurden. Die Erfassungsschwelle für Baden-Württemberg wird vom Landeserdbebendienst Süd-West mit etwa ML 2 (ML = Lokale Magnitude) angegeben. Die vorgeschlagene Analyse soll diese generelle Aussage für Baden-Württemberg detaillierter darstellen. Neben der räumlichen Kartierung als Ergebnis unterschiedlicher Stationsdichte und Stationsqualität ist die zeitliche Änderung von Mc aufzulösen. Ursachen hierfür sind die Weiterentwicklung der Messtechnik mit Übergang von Papier zu Analog- und Digitalspeicherung, Veränderung und Verdichtung der Messnetzwerke und Änderungen der 6

8 Auswertemethoden durch neue Computerprogramme oder Personalwechsel. All diese Veränderungen müssen durch intensive Konsistenzprüfungen zusammengeführt werden, um daraus eine Kartierung der gemessenen und potenziell aufgetretenen, aber nicht katalogisierter Erdbeben in Baden-Württemberg erstellen zu können. Erste Ergebnisse Verschiedene Erdbebenkatalog-Daten wurden acquiriert und einer Beurteilung unterzogen. Genauigkeit, Bedeutung und Relevanz wurden kritisch geprüft. Hierbei zeigte sich: Für einen größeren Teil Baden-Württembergs (Abb. 3), vor allem den Norden und Nordosten ist die Zahl der bis dato registrierten Erdbebenereignisse sehr gering (siehe untenstehende Grafik). Um die Vollständigkeitsmagnitude exakt bestimmen zu können ist aber eine hohe Dichte an Ereignissen pro betrachteter Fläche erforderlich. Um die erforderliche Zahl von Ereignissen zu erhalten, müssten überaus große Flächen betrachtet werden und mit jeweils eigenen geologischen Eigenheiten in die Kalkulation einfließen. Um dies zu vermeiden, wird nun ein Konzept erarbeitet, um die Vollständigkeitsmagnitude in diesen Regionen über einen anderen Ansatz zu ermitteln. Der Grundgedanke dabei ist, nicht von den Beben in einer Region auf die Güte des Seismometer-Netzwerkes zu schließen (also die lokalen Mc-Werte), sondern umgekehrt aus der Güte des Netzwerkes, also der Empfindlichkeit jeder einzelnen Station, auf eine realistische Detektionsschwelle in einem bestimmten Radius um jede Station zu schließen. Dazu müssen umfangreiche Studien der von jeder Station lokalisierten Beben stattfinden. Abb. 3: Seismizität in Baden-Württemberg und angrenzenden Gebieten (Landeserdbebendienst). 7

9 Konzeption und wissenschaftliche Begleitung des seismischen Monitoring für das Bohrvorhaben Pfullendorf (KIT: Prof. Kohl, Dr. Gaucher) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: Okt. 2012, 3 Monate. Da Projekt kann nicht weitergeführt werden. Ziele Die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das staatliche Hochbauamt Ulm hat für die Liegenschaft der Bundeswehr, Kaserne Pfullendorf, eine Nutzung von Erdwärme mit Tiefengeothermie vorgesehen und u.a. ein Sonderbetriebsplan Monitoring Seismizität vor und während der Bohr- und Testphase eingereicht. Der Antragsteller und das planende Unternehmen sind daran interessiert, ein Gesamtkonzept für ein wissenschaftliches Monitoring auch für die Betriebsphase zu erarbeiten. Aufgrund der Projektstruktur mit einem staatlichen Projektträger ist eine enge Zusammenarbeit mit einer wissenschaftlichen Institution möglich. Diese Kooperation hat mehrere wissenschaftliche Fragestellungen, von der Minimierung seismische Gefährdung über die Optimierung einer Doublettenauslegung und der Reservoireigenschaften bis hin zu zukünftigen Fragestellungen in einem Gebiet mit ehemaligen Erdölförderung. Das geplante wissenschaftliche Begleitprogramm sollte mehrere Aspekte umfassen, wobei das seismische Monitoring eine besondere Rolle einnimmt. Arbeitsprogramm Um die Bundeswehrkaserne Generaloberst-von-Fritsch in Pfullendorf durch Geothermie mit Wärme zu versorgen sind zwei auf eine Tiefe von rund 1500m geplante Bohrungen im Oktober 2012 und März 2013 vorgesehen. In einem wissenschaftlichen Begleitprojekt soll die Möglichkeit genutzt werden durch Instrumentierung des umliegenden Geländes, geophysikalische Erkundungsmethoden zu entwickeln, die die Schwingungen der Bohraktivitäten nutzt. Dazu wird ein passives Netzwerk aus 3K seismischen Stationen an der Oberfläche um die Bohrungen angelegt. Ein weiteres Netzwerk, das aus einer seismischen Linie besteht, wird zwischen den beiden Bohrungen verlegt. In Verbindung mit Geophonen am Bohrturm und der Aufnahme des seismischen Hintergrundrauschens auch über den Bohrzeitraum hinaus, werden mehrere Geschwindigkeitsmodelle und Untergrundabbildungen erstellt. Zwei unterschiedliche Anwendungen sollen dabei zum Einsatz kommen. Einerseits, die "passive seismische Tomographie", in der Geschwindigkeitsmodelle aus seismischen Ersteinsätzen ermittelt werden und andererseits die "passive seismische Abbildung", in der aus den seismischen Zweiteinsätzen die Identifizierung der seismischen Reflektoren ermittelt werden. Die dadurch generierten 2D, 3D und 4D Geschwindigkeitsmodelle werden durch gegenseitigen Vergleich einer intensiven Qualitätskontrolle unterzogen. Dabei werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden analysiert und optimiert sowie der Erkenntnisgewinn durch die Zusammenführung der seismischen Eigenschaften erhöht. Die vorgeschlagene Methode beeinflusst die Bohraktivitäten nicht und kann bei Erfolg die Erfassung der seismischen Geschwindigkeiten, nicht nur in der Geothermie, entscheidend voranbringen, in dem es z. B. aufwändige oder risikoreiche Verfahren ersetzt. Das Netzwerk steht dem Betreiber zudem im Falle von seismischen Ereignissen zur Untersuchung der Herdquelle zur Verfügung. Das Arbeitsprogramm umfasst 3 Komponenten: Ambient noise tomography, Drill bit tomography und Drill-bit VSP. Jede Komponente sollte die Geschwindigkeitsmodelle des Hintergrunds auf demselben Gebiet. Dies bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Entwicklung von Prozessierungsverfahren bei gleichzeitiger Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Das Verfahren der Ambient Noise Tomography ist im Gegensatz zu den anderen Komponenten nicht vom Bohrverlauf abhängig. Für die beiden anderen Komponenten bietet die vorgesehene Bohrtiefe von 1.5 km eine einmalige Gelegenheit, diese Methoden zu testen. In diesen geringen Tiefen sollte die Verwendung des schwachen Signals des Bohrmeißels erfolgreich sein. Für die Ambient Noise Tomography und die Drill-bit Tomography wird ein Netzwerk aus seismischen Sensoren benutzen, dass auf einem großen Gebiet installiert wird. Für die Drill-bit VSP wird eine eigene Sensorlinie zwischen den beiden erwarteten Bohrungen ausgelegt werden. Erste Ergebnisse Während der Laufzeit des Projekts im Verbundantrag (Oktober-Dezember 2012) wurden folgende Arbeiten durchgeführt. Antragstellung für ein vom BMU gefördertes Projekt. Entwicklung einer Projektskizze. Beantragung von Geophonen und Registriereinrichtungen beim GFZ Instrumentenpool (GIPP) Erstellung eines Flyers, um die Bevölkerung auf das Projekt hinzuweisen und frühzeitig zu informieren (Enge Zusammenarbeit mit der Wehrbereichsverwaltung Süd) 8

10 Kommunikation der Projektziele, des Zeitplans und der Milestones an: o Soldaten und Personal in der Kaserne Pfullendorf o Bürgermeister und Verwaltung von Pfullendorf o Hydro-data und Oberfinanzdirektion Karlsruhe, Bundesbau VW Der letzte Punkt erforderte zahlreiche Treffen in Pfullendorf und am KIT. Der Antrag an das GIPP war erfolgreich, leider wird keine Finanzierung des Projekts durch das BMU erfolgen. Daher können die Arbeiten nicht weiter fortgeführt werden. 9

11 Forschungsdatenbank für geothermische Basisdaten in Baden-Württemberg (Hochschule Offenburg, Prof. Dr. Doherr) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: bis Ziele: Die vielfältigen geowissenschaftlichen Daten geothermischer Projekte in Baden-Württemberg sind in unterschiedlichen Systemen und verschiedenen Formaten gespeichert, so dass keine übergreifenden Vernetzungen möglich sind. Damit sind komplexe geowissenschaftliche Analysen auf Basis aller bekannten Informationen systemtechnisch nur schwer erreichbar, so dass nicht nur eine gemeinsame Datenbasis sondern auch geeignete Datenstrukturen erforderlich werden, um Informationsverluste in der komplexen Gesamtauswertung zu vermeiden. Vor diesem Hintergrund soll in einem Pilotprojekt eine geeignete Datenstruktur für multivariate Daten entwickelt und in ein Informationssystem implementiert werden, um die Datenbasis als Baden-Württembergische Forschungsdatenbank öffentlich bereit stellen zu können. Besonderes Augenmerk soll auf die Schnittstellenproblematik gelegt werden, um die bereits verfügbaren Daten (wie z.b. die Online-Archive des Landesamtes für Geowissenschaften, Rohstoffe und Bergbau) auf geeignete Weise in die Forschungsdatenbank einbinden zu können, ohne diese mehrfach und damit redundant speichern zu müssen. Arbeitsprogramm Die Forschungsdatenbank soll publiziert werden über eine Webseite, deren Inhalte über ein Content-Management-System verwaltet wird, und eine integrierte Datenbank auf MySQL- Basis, in welcher sowohl die Systemdaten, die Methoden zur Einbindung von Fremddaten als auch eigene Basisdaten bereitgestellt werden. Erste Ergebnisse Eine Projektdatenbank zur Geothermie in Baden-Württemberg bietet vergleichbare und projektunterstützende Informationen zum schnellen Informationsaustausch und vergleichenden Studien mit ähnlichen Geothermie-Projekten. Dieses kann eigene Projektentscheidungen stützen, Details zu Machbarkeitsstudien und Prognosen von Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Risiken liefern und die Langzeitarchivierung von Projektdaten und dokumenten sicherstellen. Vor diesem Hintergrund wurden einige online verfügbare Projektdokumentationen untersucht und zu einem vorläufigen Datenmodell zusammengefasst. Dieses Datenmodell (Abb. 4) gliedert sich in die Hauptaspekte Beschreibung, Bohrung, Kraftwerk, Seismik und Radionukleide, wobei der Aspekt Bohrung noch weiter untergliedert wird in Ausbau, Zielhorizont und Hydrogeologie. Abb. 4: Erste vorläufige Gliederung eines allgemeinen Datenmodells für eine Projektdatenbank Wichtig bei der Normalisierung dieser Datenstruktur ist die Fragestellung, inwieweit bestehende Archive (z.b. Bohrarchiv des LGRB Freiburg, Messarchive für Pumptests o.ä.) ohne eine redundante Datenspeicherung eingebunden werden kann. Dazu muss in der Zukunft geprüft werden, ob zu den relevanten Datenquellen geeignete Zugriffsmöglichkeiten z.b. über API oder SQL- Zugriffe realisiert werden können. 10

12 Eine Auswertung der Einzeldaten soll in der Projektdatenbank nicht durchgeführt werden, um konkurrierende Aussagen zum Projekt zu vermeiden. Vielmehr sollen bei entsprechender Datenlage ein Link auf evtl. vorliegende Auswertungen angeboten werden. Neben den alphanumerischen Daten wird die Integration des verfügbaren Kartenmaterials eine wichtige Rolle für die Auswertbarkeit der Daten spielen. Hier laufen verschiedene Versuche zur Nutzung von Google Maps/Earth, um die verfügbaren Geofachdaten aus dem Netz der deutschen Geobasis- und Geofachdatenanbieter in die Projektdatenbank zu integrieren. Eine geeignete Plattform wurde auf einem Server der Hochschule Offenburg eingerichtet. Dieser läuft als virtueller Server (VMware) unter SuSE- Linux mit Apache-Webserver und einer MySQL- Datenbank. Als PHP- Entwicklungssystem wurde das ZEND- Netzwerk installiert, als Content- Managementsystem der Webseiten wurde CONTAO eingerichtet. 11

13 Energetisch und exergetisch verbesserte Nutzung von Wärme aus Tiefer Geothermie in Baden-Württemberg (Hochschule Biberach Prof. Dr. Koenigsdorff) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: bis , 20 Monate Ziele Tiefe geothermische Energie liegt zunächst als Wärme auf einem mittelhohen Temperaturniveau von i. d. R. weniger als 200 C vor. Hiermit lässt sich Strom erzeugen, allerdings, thermodynamisch bedingt, nur mit einem begrenzten Wirkungsgrad, so dass ein großer Teil der gewonnenen geothermischen Wärme nicht zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Die nächstliegende und häufig praktizierte Nutzung dieser Wärme ist die Einspeisung in Nah- oder Fernwärmenetze. Dies ist nur dann wirtschaftlich machbar, wenn eine genügend hohe Wärmeabnahme bei hinreichender Dichte, d. h. nahe genug am Standort der geothermischen Anlage, möglich ist. Weiterhin ist die nutzbare Wärmemenge durch das Temperaturniveau auf der Verbraucherseite begrenzt (minimal erforderliche Rücklauftemperatur). Sind die Voraussetzungen für die geothermische Wärmenutzung nicht oder nur eingeschränkt gegeben, könnten alternative Wärmenutzungskonzepte und/oder die Nutzung von Wärme auf einem tieferen Temperaturniveau als üblich zum Tragen kommen. Der letztgenannte Punkt kann auch an ungünstigen Abnehmerstandorten die genutzte Wärmemenge erhöhen und damit Effizienz und Wirtschaftlichkeit der geothermischen Anlage verbessern. In diesem Arbeitspaket sollen die Möglichkeiten der Steigerung der Nutzungseffizienz der gewonnenen geothermischen Energie systemanalytisch untersucht und als Datenbasis zur Verfügung gestellt werden. Arbeitsprogramm AP I: Bewertung bestehender Möglichkeiten zur Erhöhung der Nutzungseffizienz AP I a) Randbedingungen von Anlagen der Tiefengeothermie eruieren AP I b) Sammlung bestehender Möglichkeiten und innovativer Ansätze für innovative Wärmenutzung AP I c) Bewertung: thermodynamisch exergetisch, technisch und wirtschaftlich; Systematisierung AP II Vorschlag neuer Systemkombinationen zur Steigerung der Nutzungseffizienz. Erste Ergebnisse AP I a) Es wurde mit Recherchen und der Erstellung einer Übersicht über die in Deutschland vorhandenen Anlagen zur Nutzung der Tiefengeothermie begonnen mit Schwerpunkt auf vorliegenden technischen Betriebsparameter (v. a. Temperaturniveaus und Wärmenutzungstechnologien). AP I b) Eine erste Sammlung möglicher Lösungen und in Frage kommender innovativer Ansätze zur Verbesserung der Wärmenutzung aus Anlagen der Tiefengeothermie wurde erstellt: - Speisung sog. Kalter Nah- bzw. Fernwärmenetze (einfache, i. d. R.. ungedämmte Niedertemperaturwärmenetze) - optimierte Wärmesenken/Rückkühlung für den Kraftwerksprozess, z. B. in erdgebundene Niedertemperatur- Wärmespeicher - Rücklaufauskühlung bei Fernwärmenetzen, z. B. mit Wärmepumpen, Wärmetransformatoren - Bereitstellung mobiler Wärme, z. B. mit Sorptions- oder Phasenwechselspeichern (Demo-Projekte existieren) - Potenziale der Temperaturabsenkung auf der Verbraucherseite: Temperaturkaskaden, z. B. mit Wärmepumpen. AP I c) Es wurden die Grundlagen der exergetischen Bewertung unterschiedlicher Energieformen eruiert und in einer Systematik zusammengestellt, um Geothermie und alle anderen Energieformen thermodynamisch einheitlich und konsistent bewerten zu können. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft eine erste Analyse der Wirkungsgrade geothermischer Stromerzeugung im Vergleich zum thermodynamisch maximal möglichen Wirkungsgrad. Hieraus 12

14 Stromerzeugungswirkungsgrad werden sowohl die thermodynamisch bedingt niedrigen Stromerzeugungswirkungsgrade (d. h. hoher Wärmeanteil) als auch die Bedeutung der Optimierung der Kraftwerksprozesse innerhalb der gegebenen Grenzen deutlich. 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Temperaturdifferenz Quelle-Senke Carnot-Wirkungsgrad Landau & Unterhaching Abb. 5: Exergieanalyse: Vergleich theoretisch möglicher (Carnot) und tatsächlich erreichter Wirkungsgrade der Stromerzeugung bei der Tiefengeothermie in Deutschland Veränderung gegenüber dem ursprünglichem Antrag: Bedingt durch den verspäteten Berichtszeitraum und die Suche nach Personal wurde ein größerer Teil der Personalmittel von 2012 nach 2013 verschoben. Die Arbeiten wurden so konzipiert dass der Endtermin eingehalten werden kann. 13

15 Geomechanikmodell zur Nutzung des Untergrunds - Forschungsprojekt mit Service- Funktion (LFZG, Dr. Müller) Förderkennzeichen : L Beginn der Förderung und Laufzeit: , 12 Monate Ziele: Ziel des Projekts ist die Bereitstellung von Spannungs- und Deformationsdaten, die mittels eines 3D numerischen geomechanischen Finite Elemente berechnet werden. Diese Daten liefern die Randbedingungen für hochauflösendere Submodelle an Standorten zukünftiger Geothermieprojekte und dienen somit als Grundlage für Forschungsarbeiten, Gutachten und zur Unterstützung von Genehmigungsbehörden. Das geomechanische Modell simuliert den absoluten Spannungszustand und die Kinematik der Region unter Berücksichtigung der Dichte- und Steifigkeitskontraste, der rheologischen und gesteinsphysikalischen Eigenschaften sowie des Einflusses der aktiven Haupt-Störungen im Untersuchungsgebiet. Es soll auf den 3D Strukturmodellen der geologischen Landesämter und seismischen Schnitten basieren. Arbeitsprogramm Ausgehend von den bisher nur punktuell vorliegenden Parametern soll die Datenbasis für gesteinsmechanische Parameter und das Spannungsfeld verbessert werden. Das tektonische Spannungsfeld ist ausschlaggebend für die Reaktivierung von Störungszonen. Es werden bevorzugt solche Störungen reaktiviert, auf denen ein sogenannter kritischer Spannungszustand besteht. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der Differential Stress im System (die Differenz zwischen maximaler und minimaler Hauptspannung) so groß ist, dass das Versagenskriterium erreicht wird (Abb. 6) und es entweder zu Neubrüchen kommt oder zur Reaktivierung bereits existierender Störungszonen. 2 σ 3 1 Abb. 6: Der Mohrsche Spannungskreis stellt den Spannungszustand auf beliebig orientierten Flächen im Raum, der durch σ 1 als größte uns σ 3 als kleinste Hauptspannung charakterisiert ist, dar. Bei großen Spannungsdifferenzen erreicht der Mohrkreis die Versagenskurve (Punkt P 1 ) und die Störung mit der Normalen, die unter gegenüber σ 1 geneigt ist, wird aktiviert. Da insbesondere Informationen zu den Spannungs-Magnituden kaum vorliegen werden in einem ersten Schritt die im geologischen Landesamt vorliegenden Bohrberichte aus Tiefbohrungen gesichtet und nach Hinweisen auf Spülungsverlusten bzw. Leak Off Test Messungen gesucht. Aus diesen Daten kann zumindest eine Abschätzung für die kleinste der Hauptspannungsmagnituden erfolgen (σ 3 in der Abbildung 6 ). Erste Ergebnisse: Da das Projekt planmäßig erst in 2013 gestartet ist, liegen noch keine Ergebnisse vor. 14