Ingrid Stober Kurt Bucher. Geothermie. 2. Auflage

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1 Geothermie

2 Ingrid Stober Kurt Bucher Geothermie 2. Auflage

3 Prof. Dr. Ingrid Stober Institut für Angewandte Geowissenschaften KIT Karlsruher Institut für Technologie Karlsruhe, Deutschland Prof. Dr. Kurt Bucher Institut für Geowissenschaften Universität Freiburg Freiburg, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg 2012, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Martina Mechler Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Einleitung Die Geothermie bietet eine nahezu unerschöpfliche Quelle zur Wärmebereitstellung und zur Erzeugung von Strom. Geothermie ist klimaschonend und grundlastfähig. Sie ist unabhängig vom Wetter rund um die Uhr verfügbar. Geothermie trägt zur regionalen Wertschöpfung bei und macht unabhängig von fossilen Brennstoffen, bzw. hilft diese zu schonen. Da die tiefe Geothermie die gleichzeitige Produktion von Wärme und Strom erlaubt, trägt sie zu einer zukunftssicheren, effizienten Wärme- und Stromversorgung bei. Die entnommenen Tiefenwässer werden wieder in das Reservoir zurückgeführt, so dass das natürliche Gleichgewicht erhalten bleibt und ein nachhaltiger reservoirschonender Umgang gewährleistet ist. Geothermie- Anlagen zeichnen sich durch einen geringen Flächenverbrauch aus; die optische Beeinträchtigung in der Landschaft ist dadurch minimal. Strom aus geothermischen Energiequellen kann zukünftig einen wichtigen Beitrag zur Deckung der Grundlast liefern, so dass sich der Einsatz von fossil betriebenen Großkraftwerken schwerpunktmäßig auf den Spitzenbedarf verlagert. In den vergangenen Jahren wurde die Technologie zur Energieerzeugung im Niedertemperaturbereich weiterentwickelt und zahlreiche technische Fortschritte auch auf diesem Sektor erreicht. Die Tiefengeothermie kann zur energetischen Grundversorgung einen großen Beitrag liefern. Dazu sind EGS (Enhanced Geothermal Systems) notwendig, denn nur sie sind nahezu überall machbar. EGS muss daher weiterentwickelt werden. Demonstrationsprojekte sind erforderlich. Insbesondere die Grundlastfähigkeit macht die Geothermie zum festen Bestandteil und Partner verschiedener langfristig angelegter Energieszenarien. Durch geschickte Kombination mit anderen Formen der erneuerbaren Energien können sich bedeutende Synergieeffekte ergeben. Erste Projekte im Wohnungsbereich, bei denen Erdwärmesonden mit Solarthermie kombiniert sind, zeigen eine sehr hohe energetische Effizienz. Aber auch Projekte ausder tiefen Geothermie wie beispielsweise die Kombination von hydrothermaler Dublette mit Biogas zur thermischen Anhebung oder die Benutzung des tiefen Reservoirs als aufladbare Batterie zeigen neue Wege für die Städte-Planung auch im Objektbereich auf. Mit diesem Buch wollen wir einen Einblick in dieses spannende Thema der Geothermie geben. Wir sind auf die Weiterentwicklung, auf neue Projekte und V

5 VI Einleitung neue Synergieeffekte in den nächsten Jahren gespannt und wünschen uns allen eine sichere, umweltschonende Wärme- und Energieversorgung. Wir hoffen mit dem vorliegenden Buch dazu einen kleinen Beitrag leisten zu können. Ingrid Stober Kurt Bucher

6 Inhaltsverzeichnis 1 Thermisches Regime der Erde Erneuerbare Energien, Globaler Status Aufbau der Erde Energiedargebot der Erde Wärmetransport und thermische Parameter Kurzer Abriss von Methoden zur Bestimmung thermischer Parameter Temperaturmessungen Geschichte geothermischer Energienutzung Frühe geothermische Nutzungen Geothermische Nutzungen in der späteren Neuzeit Geothermische Energie-Ressourcen Energie Bedeutung der Erneuerbaren Energien Status der Nutzung der geothermischen Energie Geothermische Energiequellen Geothermische Nutzungsmöglichkeiten Oberflächennahe geothermische Energienutzung Tiefe geothermische Energienutzung Wirkungsgrad Bedeutende Geothermie-Felder, Hochenthalpie-Felder Potentiale und Perspektiven geothermischer Energienutzung Erdwärmesonden Planungsgrundsätze Bau von Erdwärmesonden Auslegung von Erdwärmesonden Wärmepumpen VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis Thermische Parameter und Programme für die Auslegung von Erdwärmesonden Bohrverfahren für Erdwärmesonden Direktspülverfahren Imlochhammerbohrverfahren Abschließende Hinweise, Bohrrisiken Hinterfüllung/Verpressung von Erdwärmesonden Bau von Erdwärmesonden mit Überlänge Potentielle Risiken, Fehler und Schäden bei Erdwärmesonden Spezielle Nutzungssysteme und Weiterentwicklungen Erdwärmesonden-Felder Erdsonden und Kühlung Kombination Solarthermie/Erdwärmesonden Vermessung von Erdwärmesonden, Qualitätskontrolle Erdwärmesonden mit Phasenwechsel Geothermische Brunnenanlagen Bau von Grundwasserbrunnen Wasserqualität Thermischer Einflussbereich, Modellrechnungen Hydrothermale Nutzung, Geothermische Dublette Geologischer und tektonischer Bau Thermische und hydraulische Eigenschaften des Nutzhorizontes Hydraulische und thermische Reichweite geothermischer Dubletten Hydrochemie heißer Wässer aus großer Tiefe Ertüchtigungsmaßnahmen, Stimulation Fündigkeit, Risiko, Wirtschaftlichkeit Beispiele hydrothermaler Anlagen Projektierung hydrothermaler Anlagen Enhanced-Geothermal-Systems (EGS), Hot-Dry-Rock Systeme (HDR), Deep-Heat-Mining (DHM) Verfahren, Vorgehen, Ziele Geschichte, erste HDR-Verfahren Vorgehen bei der Stimulation Erfahrungen und Umgang mit der Seismizität Empfehlungen, Hinweise Potentielle Umweltauswirkungen bei der Tiefen Geothermie Seismizität und Tiefe Geothermie Induzierte Erdbeben Erdbebenskalen Die Ereignisse von Basel Seismische Beobachtungen bei EGS-Projekten

8 Inhaltsverzeichnis IX Folgerungen und Empfehlungen für hydrothermale und petrothermale Nutzungen (EGS) Auswirkungen durch und auf den Untergrund Übertägige Auswirkungen Bohrtechnik für Tiefbohrungen Geophysikalische Untersuchungen Geophysikalische Vorerkundung, Seismik Geophysikalische Bohrlochmessungen und Interpretation Hydraulische Untersuchungen, Tests Grundlagen Testarten, Planung und Durchführung, Auswerteverfahren Tracerversuche Temperaturauswerteverfahren Hydrochemische Untersuchungen Probennahme und Analytik Wichtigste Untersuchungsergebnisse und Interpretationen Ausfällungen, Korrosion Literatur Sachverzeichnis