Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald

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1 Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald G1 G2 G4 Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann Einleitung Mitte 2012 wurden die im Januar 2012 begonnenen Bohrarbeiten für die mitteltiefe Erdwärmesonde Groß-Umstadt-Heubach nach erfolgreichem Einbau der Verrohrung in das 775 m tiefe Bohrloch mit der Zementierung der Verrohrung gegen das Gebirge beendet. Der Einbau eines GfK-Steigrohrs aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK) mit optischem Messkabel und Temperaturmesskette wurde im September 2012 abgeschlossen, ein Geothermal Res ponse Test fand im November 2012 statt. Wie im Jahresbericht 2011 des HLUG beschrieben (Fritsche & Kött 2012), wird das Forschungs- und Ent wicklungsprojekt der HEAG Südhessische Ener gie AG (HSE) vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (HMUELV) über Mittel aus dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Es soll Grundlagen erarbeiten und demonstrieren, wie die Wärmeversorgung eines mittelständischen Industriebetriebes (Fa. Frenger Systemen B. V.) mit einer mitteltiefen koaxialen Erdwärmesonde erfolgen kann. Zusätzlich sind die Gebäude in besonders energiesparender Bauweise ausgeführt worden. Damit erfüllt das Projekt wichtige Vorgaben aus dem Umsetzungskonzept der hessischen Landesregierung zum hessischen Energie gipfel. Das Hessische Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) ist vom HMUELV mit der wissenschaftlich-geologischen Begleitung des Projekts beauftragt. Das am mit ersten Vorbereitungen begonnene Pilotprojekt stellt jetzt nach Fertigstellung die erste Nutzung der (mittel-) tiefen Geothermie in Hessen dar. Neben der mitteltiefen Erdwärmesonde zum Heizen der Produktionsgebäude werden auch 8 herkömmliche Doppel-U-Erdwärmesonden mit Tiefen von 90 bis 138 m zur Heizung und zur Kühlung von Bürogebäuden verwendet. Die oberflächennahen Erdwärmesonden tragen zur Wärmeversorgung ca. 40 kw und die tiefe Erdwärmesonde ca. 90 kw bei. Bei dem Projekt wurde auch getestet, ob der gegenüber einer Tiefbohranlage wesentlich kostengünstigere Einsatz einer mobilen Brunnenbohranlage mit nur ca. 40 t Hakenlast zu den gesetzten Zielen führt. Die tiefe Bohrung wurde vom Projektpartner Fa. Anger s Söhne, Hessisch Lichtenau, abgeteuft und als koaxiale Sonde, bestehend aus einem Innen- und Außenrohr (17,8 cm Ø) ausgebaut. Auch hier zirkuliert das Wärmeträgermedium wie in einer flachen Sonde in einem geschlossenen Kreislauf, allerdings zwischen einem Außenrohr aus Stahl, in dem sich das Wärmeträgermedium auf dem Weg nach unten erwärmt und einem davon thermisch isolierten Innenrohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK), in dem das warme Wasser hochsteigt. 111

2 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Jahresbericht 2012 Besonderheiten für die geologische Landesaufnahme und Bedeutung für die Entwicklung der Tiefen Geothermie in Hessen Die Bohrung bietet eine einmalige Gelegenheit, Gesteine, die nicht nur für tiefe Erdwärmesonden in Betracht kommen, sondern auch für hydrothermale und petrothermale Nutzung, in großen Tiefen in frischem, unverwittertem Zustand zu untersuchen. Ab hängigkeiten gesteinsphysikalischer Parameter von der Mäch tigkeit der Überlagerung können erkannt werden. Gesteinsgefüge und Tektonik (Klüfte, Störungen) im tiefen kristallinen Untergrund können direkt beobachtet und vermessen werden. Bei den kristallinen Gesteinen handelt es sich um metamorphe, also im Verlauf der Erdgeschichte unter hohen Drücken und Temperaturen veränderte Gesteine, hier v. a. um Gneise mit unterschiedlichen Anteilen an typischen Mineralen wie Quarz, Glimmer, Feldspat sowie Hornblende und Granat (Abb. 1 und 2). Durch das Projekt wurden wertvolle neue Daten zur Geologie des Odenwaldes, zur tektonischen Beanspruchung und zu geothermischen Parametern des kristallinen Untergrundes in Hessen und angrenzenden Bundesländern gewonnen und es bildet somit eine wichtige Grundlage für zukünftige Geothermie projekte. Eine besondere Bedeutung haben die Bohrungsergebnisse außerdem, weil das kristalline Grundgebirge über eine sehr große Bohrlänge erbohrt wurde, was sonst nur sehr selten in Deutschland bzw. Mitteleuropa der Fall ist (Beispiele: Windischeschenbach , Bad Urach 2004, Soultz-sous-forêts 2002). Dadurch können Vergleiche zu anderen Tiefbohrungen in Kristallingesteinen hinsichtlich der Entwicklung der Durchlässigkeiten oder Porositäten und Wärmeleitfähigkeiten von Gesteinen mit zunehmender Tiefe gezogen und für die Planung weiterer Projekte herangezogen werden. Dies betrifft nicht nur Erdwärmesondenprojekte, sondern auch hydrothermale Projekte der tiefen Geothermie (mit Nutzung natürlichen Thermalwassers) und dies ist auch für petrothermale Projekte (Erzeugung eines künstlichen Wärmetauschers durch Stimulation) gerade hinsichtlich des Gebirgsverhaltens in größeren Tiefen im Kristallin bedeutsam Quartär Verwitterungszone Hornblende-Biotitgneis Biotitgneis, z.t. mit Granat und Hornblende granitoider Gneis Wechselfolge von Biotitgneis, Muskowitgneis und Glimmerschiefer granitoider Gneis Wechselfolge von Biotitgneis, Muskowitgneis und Glimmerschiefer Nachfallzone (Chlorit-)Biotit-Schiefer und feinkörnige Gneise, z.t. mit Granat Biotitgneis, z.t. mit Granat Biotitgneis, z.t. mit quarzreichen Lagen Rhyolith Biotitgneis, z.t. mit quarzreichen Lagen und Biotit-(Glimmer-)Schiefer granitoider Gneis Pegmatit- und Aplitgänge Mylonit (Scherzone) Abb. 1: Profil der Bohrung für die mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach. Das HLUG hat umfangreiche geowissenschaftliche Untersuchungen des Bohrkleins und der insgesamt 7 m umfassenden Kernstrecken aus den unteren Bereichen ab 613 m Tiefe sowie an Gesteinen aus der Umgebung der Bohrung im Böllsteiner Odenwald durchgeführt. 112

3 Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald Durch die geologisch-mineralogischen Untersuchungen zeigte sich, dass die erbohrten Gesteine eine komplexe metamorphe Geschichte hinter sich haben (Altenberger 2012, unveröff.): Zunächst wurden magmatische Gesteine unter hohen Drücken und Temperaturen (Obere Amphibolitfazies bis untere Granulitfazies: P > 6 10 kbar, T > 700 C) in km Tiefe metamorph umgewandelt. Die Gesteine sind mit Millionen Jahren (Gerdes, mündl. Mittlg.) unerwartet jung im Gegensatz zu den Gesteinen des südlicheren Böllsteiner Odenwalds, die Alter um 410 Millionen Jahre aufweisen (Reischmann et al. 2001). Die spätere Heraushebung des Gebirges lässt sich anhand von Scherzonen und Myloniten nachvollziehen, in denen sich geringer metamorphe Bedingungen anhand typischer Minerale der unteren Grünschieferfazies (T: C, P: 2 3 kbar, Bildungstiefe 6 10 km) ableiten lassen. Im Perm drangen schließlich rhyolitische Vulkanitgesteine in das Grundgebirge ein. Abb. 2: Biotitgneis mit quarzitischen Lagen (Bohrkern aus ca. 613,5 m Tiefe, Länge ca. 20 cm). Weitere spezielle Untersuchungen fanden durch die Universitäten Frankfurt (Mikrogefüge, Altersbestimmung) und Potsdam (detaillierte Gesteinsbeschreibung und -einstufung mit der Mikrosonde) statt. Zu Fragestellungen im Zusammenhang v. a. mit petro thermalen Erschließungen (Gebirgsspannungen, Schaffung künstlicher Durchlässigkeiten durch Fracken) wurden am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt mit den Bohrkernen Versuche in einer Thermo-Triax-Zelle durchgeführt. Auch die Auswertung der geophysikalischen Bohrlochmessungen des Leibniz-Instituts für angewandte Geophysik (LIAG) und des HLUG erbringt einen großen Erkenntnisgewinn. Aussagekraft und Anwendungsmöglichkeiten sind auf andere Kristallingebiete übertragbar, z. B. auf das kristalline Grundgebirge im Oberrheingraben. So können Einzelheiten der lithologischen Abfolge in Kristallingesteinen mit den in der Bohrung Heubach gemachten Beobachtungen eine zukünftige Deutung von geophysikalischen Bohrlochmessungen in ähnlichen Gesteinen erheblich erleichtern (Abb. 3). Die gemessene Bohrlochabweichung ist mit mehr als 100 m Abweichung in Richtung Südwesten beträchtlich. Dies liegt einerseits an der dominierenden Einfallsrichtung der Schieferung der Gesteine nach Nordosten. Der Bohrlochverlauf richtet sich senkrecht zur Schieferung ein und ist damit auch ein Indiz für die Schieferungsrichtung, die mit obertägigen Messungen in diesem Gebiet übereinstimmt. Andererseits liegt dies aber auch an bohrtechnischen Gegebenheiten, die letztlich auf die im Projekt beabsichtigte Verwendung des kleinen Bohrgeräts zurückzuführen sind. Besonders interessant sind die Wärmeleitfähigkeitsmessungen an den Bohrkernen des unteren Tiefenabschnitts. Während in den oberen Bereichen die 113

4 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Jahresbericht 2012 Beobachtung an Spülproben 112m, 135 m, m: Pegmatite m: Cuttings sehr fein, hydrothermal alteriert m: Starke Rotfärbung, Kluftbeläge m: Hydrothermal alteriert 416 m: Pegmatit, geringmächtig 432 m: Pegmatit m: Aplit 539 m: Pegmatit 611 und 613 m: Aplit m: Rhyolith ab 762 m granitoider Gneis Abb. 3: Vergleich zwischen γ-log, Kaliber-Log, Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen des LIAG mit der lithologischen Bohrungsaufnahme des HLUG. Es zeigt sich, dass wasserführende Zonen hauptsächlich an Aplite, Pegmatite und Rhyolithe gebunden sind, die den Gneis durchschlagen. Wärmeleitfähigkeiten zwischen 2,5 und 3 W/(m K) betragen, sind sie in größeren Tiefen wegen des hohen Quarzanteils höher als erwartet (3,5 bis 4 W/(m K). Der geothermische Gradient liegt im Bereich von 3,3 C/100 m. Der geothermische Wärmestrom liegt, abhängig von der durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes, zwischen 0,083 W/m² und 0,132 W/m² (auf etwa m² Fläche strömt also etwa eine Energie als Wärme nach oben, mit der man eine 100 W-Glühbirne betreiben könnte). In der fertig ausgebauten Bohrung wurde im November 2012 über den durchgeführten Geothermal Response Test der endgültige Wert über die Gesamtstrecke der Bohrung ermittelt. Die Ergebnisse stehen noch aus. Insgesamt ist jetzt schon rechnerisch bewiesen, dass die etwas geringere Endteufe gegenüber der Planung von 800 m durch die hohen gemessenen Wärmeleitfähigkeiten hinsichtlich des möglichen Wärmeentzugs mehr als kompensiert wird. Auch für das Projekt Hessen 3 D (Fritsche & Kracht 2012) sind die gemessenen Variationen gesteinsphysikalischer Parameter in Abhängigkeit von der Tiefe wertvoll, da es hierfür im Projekt bislang nur Annahmen bzw. Analogieschlüsse gab und diese nun durch Messwerte verifiziert und in das Modell integriert werden können. So kann das geothermische Tiefenpotenzial von Hessen zukünftig noch genauer abgeschätzt werden. Eine Kamerabefahrung und ein Pumpversuch in einer 2011 auf 90 m niedergebrachten Kernbohrung für eine der oberflächennahen Erdwärmesonden ergab eine im Gneis nicht erwartete Grundwasserführung auf Klüften, die bis zu 2,5 cm weit geöffnet sind. Dennoch sind die Durchlässigkeiten insgesamt gering, der K f -Wert liegt im Bereich von 10 7 m/s. In der Tiefbohrung wurde nach Einbau der Verrohrung ein langsamer Wasserspiegelanstieg aus dem zeitweise offenen untersten Bohrlochabschnitt (772,8 bis 114

5 Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald 774,9 m) von 24 cm über 5 Tage festgestellt sowie über geophysikalische Bohrlochmessungen das Vorhandensein wasserführender Klüfte nachgewiesen. Die Mächtigkeit einer erbohrten hydrothermal veränderten Zone bei m Tiefe, die Ursache für einen erheblichen Nachfall war und eine Zwischenzementierung erforderte, ist mit ca. 6 m überraschend hoch. Aus dem Odenwald war dieses Phänomen noch nicht bekannt, aus anderen Kristallin-Vorkommen, z. B. im Schwarzwald, gibt es entsprechende Hinweise in der Literatur. Ausblick Im Projektverlauf wurden wichtige Erfahrungen für Planung, Genehmigungsverfahren und Abwicklung und vor allem auch für die bohrtechnische Planung und für die Kostenkalkulaktion gesammelt. Umfangreiche weitere Untersuchungen werden noch durchgeführt oder fanden bereits statt und warten auf ihre Auswertung. Ein erheblicher weiterer Erkenntnisgewinn ist zu erwarten, dies betrifft vor allem die detaillierten Untersuchungen der Bohrkerne. Der Forschungscharakter des Projekts erfordert mehr finanzielle Mittel als spätere Routineprojekte, da viele zusätzliche, auch allgemeingültige und in andere Regionen übertragbare Untersuchungen vorgenommen werden, von denen kommende Projekte auch kostenmäßig profitieren werden. Literatur Altenberger, Uwe (2012, unveröff.): Petrographische und petrologische Untersuchung an den Bohrkernen der Bohrungen Heubach und Wiebelsbach (Odenwald). Abschlussbericht, Juli Fritsche, Johann-Gerhard & Kött, Anne (2012): Forschungs- und Entwicklungsprojekt mitteltiefe Erdwärmesonde Groß-Umstadt-Heubach. Jahresbericht 2011 des HLUG, S Wiesbaden. Fritsche, Johann-Gerhard; Kött, Anne; Nesbor, Heinz-Dieter & Reischmann, Thomas (2012): Geologische und geothermische Ergebnisse aus dem Projekt Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach. Textfassung zum Vortrag auf dem 7. Tiefengeothermieforum Hessen in Darmstadt am , 5 S.; HessenEnergie. Fritsche, Johann-Gerhard & Kracht, Matthias (2012): Abschluss des Forschungs- und Entwicklungsprojekts 3 D-Modell der geothermischen Tiefenpotenziale von Hessen. Jahresbericht 2011 des HLUG, S Wiesbaden. Kött, Anne, Fritsche; Johann-Gerhard; Nesbor, Dieter & Reischmann, Thomas: Erfahrungen und erste geologische Ergebnisse aus dem Projekt Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach (Böllsteiner Odenwald). Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften SDGG Heft 80, S. 213, E. Schweizerbart sche Verlagsbuchhandlung; Stuttgart. Reischmann, Thomas; Anthes, Gerald; Jaeckel, Petra & Altenberger, Uwe (2001): Age and origin of the Böllsteiner Odenwald. Mineral. Petrol., 72, Internetseite: mesonde-heubach/mitteltiefe-erdwaermesondeheubach.html 115

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