Schadensfallanalyse von Erdwärmesondenbohrungen in Baden- Württemberg

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1 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2014) 19: DOI /s Fachbeitrag Schadensfallanalyse von Erdwärmesondenbohrungen in Baden- Württemberg Manuel Grimm Ingrid Stober Thomas Kohl Philipp Blum Eingang des Beitrages: / Eingang des überarbeiteten Beitrages: / Online veröffentlicht: Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Zusammenfassung Seit dem Bekanntwerden erster Schadensfälle im Zusammenhang mit Erdwärmesonden wächst in Baden-Württemberg die Verunsicherung in der Bevölkerung und die Zahl der jährlichen Neuinstallationen ist seit 2009 rückläufig. In dieser Studie konnten Ursachen und Auswirkungen anhand geologischer und hydrogeologischer Charakterisierung der entstandenen Schadensfälle zu konzeptionellen Schadensmodellen zusammengefasst werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in 90 % der Fälle lokale Grundwasservorkommen, mit auf- oder absteigenden Potenzialen, beteiligt waren und die Ursachen in einer unvollständigen, undichten Hinterfüllung der Erdwärmesonde liegen. Des Weiteren liegt die Schadensursache in fast 70 % der Fälle im Bereich der Grenze zwischen Keuper und. Eine erste Gefahreneinschätzung hat ergeben, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Schadenfalls, mit Erreichen der Grenze zwischen Keuper und um das 40-fache erhöht. Trotz mittlerweile über funktionierender Erdwärmesonden allein in Baden- Württemberg gilt es weitere Risikominimierungsstrategien zu entwickeln, um zukünftige Schadensfälle zu vermeiden. M. Grimm ( ) Prof. Dr. I. Stober Prof. Dr. T. Kohl Prof. Dr. P. Blum Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Geowissenschaften Adenauerring 20b, Karlsruhe, Deutschland manuel.grimm@kit.edu Prof. Dr. I. Stober ingrid.stober@kit.edu Prof. Dr. T. Kohl thomas.kohl@kit.edu Prof. Dr. P. Blum philipp.blum@kit.edu Damage event analysis of drilling borehole heat exchangers in Baden-Württemberg, Germany Abstract Ever since the first failure events relating to ground source heat pump (GSHP) systems, people have become increasingly skeptical of this technology and the annual number of newly installed GSHP systems in Baden- Württemberg has been declining since This study enabled relating causes and effects of GSHP failures to the local geological and hydrogeological characteristics, and has summarised these in conceptual failure models. The analyses showed that in 90 % of the cases, a direct link exists between local groundwater and incomplete, leaking grouting of borehole heat exchangers (BHE). Furthermore, in almost 70 % of all events, failure occurred at the interface between the Keuper and formations. Initial assessments indicated that the probability of failure increased 40-fold, if the interface between the Keuper and is reached during drilling. Although, more than 30,000 operating GSHP systems exist in Baden-Württemberg, the challenge for the future is to minimize the risk of damage using improved risk mitigation strategies. Keywords Shallow geothermal energy Borehole heat exchanger Staufen Drilling Risk Einleitung Erdwärmesonden (EWS) machen den größten Teil der Nutzung von Wärme aus dem Untergrund in Baden-Württemberg aus. Mithilfe dieser Technik können CO 2 -Emissionen eingespart werden. Für eine durchschnittliche Erdwärmesondenanlage mit einer Heizleistung von 11 kw beträgt die CO 2 -Einsparung mindestens 1,8 Tonnen pro Jahr allein in

2 276 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie Abb. 1 Anzahl der jährlich neu installierten und offiziell dem Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) gemeldeten Erdwärmesonden (EWS) in Baden-Württemberg und die jährlichen, dem Bundesverband Wärmepumpe (BWP) gemeldeten, Absatzzahlen von erdgekoppelten, mit EWS betriebenen Wärmepumpen in Deutschland Baden-Württemberg (Blum et al. 2010). Heute gibt es über dieser Anlagen mit mehr als einzelnen Sonden (durchschnittlich 2,6 Sonden pro Anlage) und insgesamt ca Bohrkilometern in Baden-Württemberg, die dem Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) offiziell bekannt sind (Stand Dezember 2013). Unter der Annahme einer mittleren Wärmeentzugsleistung von 48 W/m liegt die Gesamtwärmeleistung für das Land Baden- Württemberg bei rund 134 MW (Blum et al. 2011). Die nutzbare Wärmemenge beläuft sich auf 241 GWh/a für den Betrieb mit Volllaststunden pro Jahr. Ende der 1990er bis in das Jahr 2008 gab es einen starken jährlichen Anstieg neu installierter EWS-Anlagen (Abb. 1). Seit 2009 sind die Zahlen neu installierter Anlagen allerdings rückläufig. Grund hierfür sind zum einen auslaufende Förderprogramme und zum anderen wahrscheinlich auch die Verunsicherung der Bevölkerung durch das Bekanntwerden erster größerer Schadensfälle. Weitere Gründe sind immer aufwändigere Genehmigungsverfahren und steigende Investitionskosten. Die Absatzzahlen für erdgekoppelte Wärmepumpen in der Bundesrepublik Deutschland zeigen ebenfalls einen rückläufigen Trend (Abb. 1). Auf dem schnell wachsenden Markt der oberflächennahen Geothermie wird behördlicherseits bereits seit 1995 regulierend in Form von länderspezifischen Leitfäden eingegriffen (Hähnlein et al. 2011). Zusätzlich zu dem bereits in der 5. Auflage vorhandenen Leitfaden in Baden-Württemberg (LFBW 2005) wurde 2009 eine Informationsschrift des Umwelt- und Wirtschaftsministeriums zum Qualitätsmanagement für Erdwärmesonden herausgegeben (QMBW 2009). Dies führte dazu, dass Bohrtechniken weiterentwickelt und Hinterfüllmaterialien verbessert wurden. Im Jahr 2011 erschienen in Baden-Württemberg zusätzlich die Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde (LQS EWS 2011), um weitere Schadensfälle zu vermeiden, denn spätestens seit dem Fall Staufen, bei dem Geländehebungen aufgrund von Anhydritquellen Risse an Gebäuden verursachten (Goldscheider & Bechtel 2009; Sass et al. 2009), war das Vertrauen in die EWS-Technologie stark gesunken. Trotz der unumstrittenen Vorteile von EWS-Anlagen, wie z. B. die Einsparung von CO 2 -Emissionen (Bayer et al. 2012), die erneuerbare und nachhaltige Wärmegewinnung (Hähnlein et al. 2013), die dezentrale Anwendungsmöglichkeit und der geringe Platzbedarf, birgt die Technologie gewisse Risiken (AD-HOC-AG Geologie 2011; Bonte et al. 2011; Butscher et al. 2011). Durch unsorgfältiges Einbauen der Kunststoffsonden, kann es zu Undichtigkeiten an den Sondenrohren oder u. U. auch zum Entweichen der Erdwärmeträgerflüssigkeit kommen (Klotzbücher et al. 2007). Als noch problematischer sind jedoch die Folgen einzuschätzen, die indirekt durch das Schaffen oder Plombieren von Wasserwegsamkeiten im Untergrund und der dadurch bewirkten Änderungen der hydraulischen Verhältnisse entstehen (Butscher et al. 2011; Stober & Bucher 2012). Bei der Verbindung zweier Grundwasserstockwerke mit unterschiedlichen hydraulischen Potenzialen (kritischer Stockwerksbau) kann die Grundwasserqualität beeinträchtigt werden (La Vigna et al. 2010). Im Bereich von Altlasten ist sogar die Mobilisation von Schadstoffen durch künstliche Grundwasserzirkulation möglich (Huggenberger et al. 2010). Veränderte Fließwege können zu einer Entwässerung von Sedimenten führen, wobei es zum Versiegen von Quellen oder zu Setzungen an der Oberfläche kommen kann (Gambolati et al. 2006). In Gebieten mit salz- oder sulfatführenden Gesteinsformationen besteht die Gefahr von Subrosion (Guerrero et al. 2004; Johnson 2005) und des Gesteinsquellens (Hauber et al. 2005; Anagnostou et al. 2010). In Regionen mit verkarstetem Untergrund kann

3 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie das Anbohren von oberflächennahen Hohlräumen zu einem Einsturz führen. Da EWS-Bohrungen oft in eng bebauten Gebieten niedergebracht werden, kann es im Falle von Setzungs- oder Hebungserscheinungen an der Oberfläche nicht nur lokal, sondern auch auf angrenzenden Grundstücken zu Gebäude- und Straßenschäden kommen (LGRB 2010, LRA Rems-Murr-Kreis 2010). Auch der Austritt von artesisch gespanntem Grundwasser an der Oberfläche hat in der Vergangenheit zu Schäden geführt (AD-HOC-AG Geologie 2011). Ein weiteres, nicht zu unterschätzendes, Schadensrisiko birgt das Anbohren von kleineren Erdgasvorkommen (Wyss 2001; Sachs & Eberhard 2010; Butscher et al. 2011). Hierbei kann eine direkte Gefahr für Bohrmannschaft und Anwohner ausgehen. Erbohrte Gaseinschlüsse müssen daher sofort abgeleitet und kontrolliert abgefackelt werden. Diese Schadenszenarien sind jedoch nicht alle erdsondenspezifisch, sondern können prinzipiell bei jeder Bohrung auftreten. Ziel der vorliegenden Studie ist daher eine qualitative und quantitative Untersuchung tatsächlich aufgetretener Schadensfälle, die im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen in Baden-Württemberg entstanden sind. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Geologie, Hydrogeologie und der Entwicklung konzeptioneller Schadensmodelle, die ein besseres Prozessverständnis der Ursachen und damit auch eine Möglichkeit zur Vermeidung solcher Schadensfälle mit sich bringen soll. Des Weiteren erfolgt eine erste Risikoabschätzung von Schadensfällen in Abhängigkeit der geologischen Randbedingungen und unter Berücksichtigung der Schadenshöhe. Die Ergebnisse der Studie werden im Zusammenhang mit den Risikominimierungsstrategien des Landes Baden-Württemberg diskutiert. Methoden Das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg hat in den vergangenen Jahren über mehrere Anfragen bei den Landratsämtern Auffälligkeiten im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen gesammelt (De Haas 2011). In dieser Zusammenstellung tauchen nicht nur Schadensfälle wie Staufen, mit Schäden in Millionenhöhe auf, sondern auch Fragestellungen oder Unklarheiten, wie z. B. die Direkteinleitung von Bohrspülung in öffentliches Gewässer, ohne die Folge eines direkten Schadens oder Fälle, bei denen die Bohrfirmen einen Schaden durch rechtzeitige Gegenmaßnahmen abwenden konnten. Über die Anzahl der nicht gemeldeten Auffälligkeiten bzw. Schadensfälle lässt sich keine Aussage treffen. Fälle, bei denen finanzielle Schäden für den Bauherrn oder Dritte entstanden sind, bleiben allerdings nur sehr selten unentdeckt. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Studie auf Fälle, die mit hoher Wahrscheinlichkeit als Schadensfälle durch geothermische Erdwärmesondenbohrungen identifiziert 277 werden. Schäden, im Sinne der im Jahr 2011 eingeführten Leitlinien, sind Gebäudeschäden, die durch Setzungen und Hebungen des Untergrundes verursacht wurden. Ebenso werden das dauerhafte Versiegen oder der dauerhafte Rückgang einer Quellschüttung, ein Kurzschluss mehrerer Grundwasserleiter, der zu einer Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Grundwassers führt, und auch Beschädigungen von Kanälen oder das Verunreinigen von Oberflächengewässern als Schadensfälle angesehen. Die Auswahl, der in dieser Arbeit zu analysierenden Schadensfälle basiert einerseits auf der Definition nach LQS-EWS und zum anderen auf deren Medienpräsenz und dem Ausmaß der entstandenen Schäden. Der erste Schritt für die Entwicklung konzeptioneller Schadensmodelle war die Klassifizierung der Schadensfälle nach deren vermuteter Ursachen, Auswirkungen und entstandenen Schäden. Um die Schadensfälle genauer untersuchen zu können, wurden Bohrdaten der Schadensbohrungen und von umliegenden Aufschlüssen beim LGRB angefordert und gesichtet. Für einige Fälle konnten keine Aufschlussdaten eingesehen werden, da es sich um laufende Verfahren handelt, bei denen die Schuldfrage noch nicht geklärt werden konnte. In diesen Fällen wurde zur Interpretation auf Publikationen und geologische Karten zurückgegriffen. Des Weiteren wurden Gutachten, Anfragen bei verschiedenen Landratsämtern und Presseberichte als Informationsquellen herangezogen (z. B. SO 2008; StZ 2011, 2013; SWR 2013). Zusätzlich wurde eine erste Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit für einen Schadensfall in Baden-Württemberg (W Schaden ) durchgeführt. Diese wurde wie folgt berechnet: [1] W Schaden SSchaden = 1 S t Gesamt mit der Anzahl der für Schäden ursächlichen Sonden S Schaden, der Gesamtanzahl von Erdwärmesonden in Baden-Württemberg S Gesamt und der betrachtete Zeitraum t in Jahren. Um eine grobe Vorstellung des finanziellen Risikos von Erdwärmesondenbohrungen zu bekommen, wurde außerdem eine erste Abschätzung der Schadenshöhen der einzelnen Schadensfälle mit einem konservativen Ansatz durchgeführt, der sich am Schadensausmaß des Falls Staufen orientiert. Hierbei wird die vom Büro für Baustatik GmbH geschätzte Schadenssumme von 50 Mio. (Stadt Staufen 2010) durch die Anzahl der beschädigten Gebäude (Stand Herbst 2013: 269 beschädigte Gebäude in Staufen) geteilt. Im Mittel ergibt das einen Schaden von etwa pro Gebäude. Ein zweiter Ansatz ist die Berechnung der Schadenshöhen anhand von Neuherstellungskosten (NHK) für ein Gebäude. Die NHK können der Sachwertrichtlinie des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung entnommen werden (Sachwertrichtlinie 2012).

4 278 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie Abb. 2 Prozessdiagramm zur Einordnung von Ursachen und Auswirkungen der betrachteten Schadensfälle (durchgezogene Pfeillinien). Gestrichelte Pfeillinien zeigen mögliche Verbindungen zwischen Ursache und Auswirkung, die bei den vorliegenden Schadensfällen jedoch nicht beobachtet wurden Für die NHK in dieser Studie wurde der Mittelwert aller in der Sachwertrichtlinie aufgeführten Wohngebäudearten verwendet. Die durchschnittliche Wohnfläche eines Einfamilienhauses wurde mit 150 m 2 beziffert (LSN 2003). Daraus ergeben sich Neuherstellungskosten von ca pro Gebäude. Über die Anzahl an beschädigten Gebäuden je Schadensfall (Anzahl aus Presseberichten oder Anfragen bei den Landratsämtern Stand Herbst 2013) konnte dann eine erste Abschätzung der Schadenshöhe für jeden einzelnen Schadensfall erfolgen. Da bei den meisten Fällen nicht alle Gebäude gleich stark beschädigt wurden, spiegelt die angenommene Schadenshöhe von respektive pro Gebäude, welche eine strukturelle Beschädigung voraussetzt, eine konservative Betrachtung (worst case) wieder. Allerdings wird dies, durch eventuelle Schäden an der Infrastruktur, welche hier nicht einbezogen wurden, zum Teil wieder ausgeglichen. Da diese Betrachtung der Schadenshöhen einer gewissen Ungenauigkeit unterliegt, wurden die einzelnen Schadensfälle in folgende drei Schadensklassen unterteilt: < 1 Mio., 1 10 Mio. und > 10 Mio.. Schadensfälle Die Klassifizierung der Schadensfälle erfolgte über die Zuteilung von auf die Geologie bezogenen Ursachen und Auswirkungen aller Art. Daraus können konzeptionelle Schadensmodelle entwickelt werden, die zu einem verbesserten Prozessverständnis der Ursachen und damit zu einer zukünftigen Vermeidung von Schadensfällen beitragen. In Abbildung 2 sind die wichtigsten Ursachen und Auswirkungen aufgeführt, die im Zusammenhang mit EWS-Bohrungen in Baden-Württemberg aufgetreten sind oder für die ein grundsätzliches Schadenspotenzial besteht. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der in dieser Studie bearbeiteten Schadensfälle mit den wichtigsten standortbezogenen Daten, wie entstandener Schaden, Schadensursache, Schätzung der Schadenshöhe und betroffene geologische Einheiten. Die Standorte der einzelnen Schadensfälle sind in der geologischen Karte in Abbildung 3 dargestellt. Nachfolgend werden die einzelnen Schadensfälle und die Ursachen näher beschrieben. In der Stadt Tettnang, die zum Bodenseekreis gehört, ist der älteste bekannte Schadensfall in Baden-Württemberg dokumentiert. Die Bohrung wurde im Jahr 1997 durchgeführt. Bei den Bohrarbeiten für eine EWS wurde ein Arteser angebohrt, der nicht beherrscht werden konnte und in der Folge mehrere Jahre unkontrolliert mit einer Schüttung von 2 bis 3 l/s austrat. Das Bohrloch konnte erst im April 2003 durch die Injektion von 2-Komponenten-Hartschaum erfolgreich abgedichtet werden. Das in dieser Zeit ausgetretene Grundwasser floss über das Grundstück des Bauherrn ab und hat dieses und ein angrenzendes Grundstück stark vernässt. Im September 2002 wurden mehrere Erdwärmesonden in Wurmlingen, ein Stadtteil von Rottenburg am Neckar im Landkreis Tübingen, installiert. Im Jahre 2011 traten an der Erdoberfläche erste Setzungen auf, die zu Schäden an Stra-

5 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 279 ßen und Gebäuden führten. Im Fall Wurmlingen wurde über undichte Hinterfüllungen von Erdwärmesonden ein Kurzschluss zwischen zwei Grundwasserleitern hervorgerufen. Hierdurch konnte Grundwasser aus dem gespannten Grundwasserleiter des s in den wahrscheinlich bereits verkarsteten Gipskeuper aufsteigen und den dort anstehenden Gips weiter auslaugen und bestehende Hohlräume vergrößern. Unterirdische Hohlraumeinbrüche führten dann zu Setzungen an der Oberfläche. Im Oktober 2013 wurden die drei Erdwärmesonden saniert und dadurch die ursprünglichen Grundwasserverhältnisse wieder hergestellt (Mittag 2014). Bei einer Bohrung in Ravensburg im Landkreis Ravensburg wurde im November 2006, ebenso wie auch in Tettnang, artesisch gespanntes Grundwasser angetroffen (Abb. 4c). Bei einem Ausfluss von bis zu 10 l/s wurde viel Material mit dem Grundwasser ausgetragen. Zugesetzte Abwasserkanäle, die anschließend wieder freigespült werden mussten, waren die Folge. Darüber hinaus traten auch Wasserschäden im Keller des Nachbargebäudes auf. Die 84 m tiefe Bohrung wurde daher aufgegeben und hinterfüllt. Bei vier weiteren, weniger tiefen Bohrungen mit einer Endteufe von jeweils 60 m wurde kein artesisch gespanntes Grundwasser mehr angetroffen. Die Erdwärmesonden wurden daher installiert und in Betrieb genommen. Im September 2007 wurden in Staufen im Breisgau im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald sieben Erdwärme- Tab. 1 Übersicht der untersuchten Schadensfälle, deren zugrunde liegender Schadensmechanismus und die betroffenen geologischen Einheiten Ort (Landkreis) Erdwärmesonden Jahr der Bohrung Geologie Ursache Schäden Geschätzte Schadenshöhe [Mio. Euro] Tettnang (Bodenseekreis) Wurmlingen (Tübingen) Ravensburg (Ravensburg) Böblingen (Böblingen) Staufen (Freiburg Land) Rudersberg (Rems-Murr-Kreis) Schorndorf (Rems-Murr-Kreis) Quartär Arteseraustritt Vernässung von fremdem Grundstück und angrenzendem Weg Keuper/ aufsteigendes Potenzial, Hohlraumbildung durch Subrosion des Gipskeupers Straßen- und Gebäudeschäden durch Subsidenz Quartär Arteseraustritt Versandung von Abwasserkanälen, Wasserschaden im Keller des Nachbarn k.a. b Keuper/ Anhydritquellen Gebäudeschäden durch Geländehebungen Keuper/ Keuper/ Keuper/ aufsteigendes Potenzial, Anhydritquellen aufsteigendes und/oder absteigendes Potenzial, Anhydritquellen GW-Kurzschluss, absteigendes Potenzial Leonberg (Böblingen) Keuper/ GW-Kurzschluss, absteigendes Potenzial Renningen Keuper/ GW-Kurzschluss, absteigendes (Böblingen) Potenzial a Anzahl der an dem Schadensereignis beteiligten Erdwärmesonden b derzeit noch keine Angaben möglich Straßen- und Gebäudeschäden durch Geländehebungen Straßen- und Gebäudeschäden durch Geländehebungen Versiegen der Rainbrunnenquelle, Gebäudeschäden durch Subsidenz Gebäudeschäden durch Subsidenz Versiegen mehrerer Brunnen < 1 < 1 < 1 k.a. b > < 1 sonden für die Beheizung des neu renovierten historischen Rathauses installiert. Zwei Wochen später bemerkte man erste Risse an diesem Gebäude. Daraufhin wurden weitreichende Untersuchungen zur Erkundung der Ursachen der beobachteten Schäden eingeleitet. Durch eine Erkundungsbohrung konnte ein detaillierter Überblick der anstehenden Geologie gewonnen werden (Abb. 4a). In einer Tiefe von ca. 28 m wurde der obere Gipsspiegel erreicht, der den Beginn des sulfathaltigen Gebirges kennzeichnet. Der untere Gipsspiegel wurde bei ca. 142 m unter Geländeoberkante (GOK) angetroffen. Der Bereich des sulfatführenden Gebirges ist noch einmal durch den oberen (ca. 61 m unter GOK) und unteren Anhydritspiegel (ca. 126 m unter GOK) unterteilt. Zwischen oberem und unterem Anhydritspiegel tritt Anhydrit in fein verteilten, dünnen Lagen auf. Eine der sieben Erdwärmebohrungen durchteufte die Basis des mittleren Keupers und erbohrte gespanntes Grundwasser im Bereich des Unterkeupers, welches voraussichtlich aufgrund undichter Ringraumzementation in Anhydritführende Bereiche aufsteigt. Hierdurch wandelt sich der Anhydrit über eine Lösungs-Fällungs-Reaktion in Gips um. Dieser Vorgang ist mit einer Volumenzunahme und Quelldrücken bis zu 7 MPa verbunden (Madsen & Nüesch 1991, Madsen et al. 1995), die bei einem geringen Überlagerungsdruck Hebungen an der Oberfläche verursachen können. Die ausführlichen Untersuchungsergebnisse sind in zwei

6 280 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie Abb. 3 Die im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen aufgetretenen Schadensfälle in Baden-Württemberg. Im Hintergrund ist die geologische Übersichtskarte Baden-Württemberg dargestellt (Angepasst nach LGRB 1998) Sachstandsberichten veröffentlicht (LGRB 2010; 2012b). Die ersten Maßnahmen zur Schadensbegrenzung, in Form einer Grundwasserabsenkung im betroffenen Bereich und Abdichtung der im Ringraum undicht hinterfüllten Erdwärmesonde, wurden zwei Jahre nach Feststellung der ersten Schäden durchgeführt. Im Zuge dieser Sanierungsmaßnahmen konnte die anfängliche Hebungsrate von 11 mm/ Monat auf nun ca. 3,5 mm/monat reduziert werden (Ruch & Wirsing 2013). Im Zeitraum von Mai 2008 bis November 2012 wurden in der Stadt Staufen Gesamthebungen von ca. 38 cm im zentralen Bereich gemessen (LGRB 2012a). Laut Ruch & Wirsing (2013) kommt hierzu ein weiterer Betrag von einigen Zentimetern für den Zeitraum von September 2007 (Abschluss der EWS-Bohrarbeiten) bis Mai Zusätzlich zu der vertikalen Hebung wurden in Staufen Horizontalbewegungen von mehreren cm/a an der Oberfläche festgestellt (Schenk & Westerhaus 2012), durch die über 250 Häuser beschädigt wurden. Das Büro für Baukonstruk- tion GmbH schätzte die Schadenshöhe schon im Jahr 2010 auf über 50 Mio. (Stadt Staufen 2010). Auch in der Gemeinde Rudersberg im Rems-Murr-Kreis treten Geländehebungen auf. In den Jahren 2007 bis 2009 wurden hier 7 Anlagen mit insgesamt 20 Erdwärmesonden installiert. In einer weiteren Bohrung ist das Bohrgestänge in einer Tiefe von 70 m abgerissen und in der Bohrung verblieben. Diese havarierte Bohrung wurde weder abgedichtet, noch wurde der Zwischenfall den Behörden gemeldet (erst später durch anonymen Hinweis entdeckt). Bei einer der 20 installierten EWS wurde eine Undichtigkeit in der Hinterfüllung durch Messung der Ruhetemperaturprofile festgestellt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass über diese und die havarierte Bohrung Grundwasser aus dem Gipskeuper oder dem Unterkeuper in die anhydritführenden Schichten zwischen 46 und 63 m unter Geländeoberkante (oberer und unterer Anhydritspiegel) zufließen und dort, analog zu Staufen, Quellhebungen auslösen konnten. Die maximalen, bis

7 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 281 Abb. 4 Schematische Bohrprofile der Fälle a) Staufen, b) Schorndorf und c) Ravensburg (verändert nach originalen Schichtenverzeichnissen aus dem Aufschlussarchiv des LGRB). Die Pfeile geben die Fließwege des auf- oder absteigenden Grundwassers wieder September 2013 nachgewiesenen, Absoluthebungen betragen ca. 50 cm (LGRB 2013). Wie auch in Staufen haben die Geländehebungen erheblichen Schaden an Gebäuden und der Infrastruktur von Rudersberg verursacht. Ende 2012 bis Anfang 2013 wurde eine Erkundungsbohrung abgeteuft, um die Ursachen der Hebung nachvollziehen zu können. Alle Ergebnisse dieser Kernbohrung wurden in einem Sachstandsbericht veröffentlicht (LGRB 2013). Das im Bohrloch verbliebene Bohrgestänge konnte im Frühjahr 2013 geborgen und die Bohrung sachgemäß abgedichtet werden. Die Erdwärmesonde mit undichter Hinterfüllung konnte im Frühjahr 2014 durch Überbohren und anschließender Abdichtung des Bohrlochs saniert werden (PM Rems-Murr-Kreis 2014). In der Stadt Schorndorf, ebenfalls im Rems-Murr-Kreis (Oktober 2008), im Leonberger Stadtteil Eltingen (Juli 2011) und in der Stadt Renningen, beide im Landkreis Böblingen (Juli 2011), liegen die drei jüngsten bekannten Schadensfälle in Baden-Württemberg. Alle drei Schadensfälle haben eine ähnliche Ursache: den Kurzschluss zweier Grundwasserleiter mit absteigendem hydraulischen Potenzial (Abb. 2). Die gering durchlässige Trennschicht des Lettenkeupers wurde durch die Bohrungen durchteuft. In allen drei Fällen ist zudem die Hinterfüllung undicht, sodass Grundwasser aus dem Gipskeuper in die formation abfließen kann (Abb. 4b). Die Folge ist eine Grundwasserabsenkung im oberen Grundwasserleiter. In Renningen hat dies zum Versiegen von Brunnen im oberen Grundwasserleiter geführt. In Schorndorf und Leonberg kam es durch die Grundwasserabsenkung zu einer Verringerung des Porenwasserdrucks und damit auch zu einer Erhöhung der Spannungen im oberen Grundwasserleiter. Dieser Umstand führte zu einer Konsolidierung des Untergrundes, die sich an der Oberfläche durch Subsidenz bemerkbar machte. Aufgrund dieser Setzungen an der Oberfläche, kam es zu Schäden an mehreren Gebäuden. Der Fall Schorndorf gilt laut Genehmigungsbehörde seit April 2010 als saniert und die ursprünglichen Grundwasserverhältnisse wurden weitestgehend wieder hergestellt. Im Zuge der Sanierung wurden die Sonden überbohrt und die Bohrlöcher anschließend mit Quellton und Zementsuspension abgedichtet. Der danach festgestellte Anstieg des Grundwasserstandes im oberen Grundwasserleiter auf sein ursprüngliches Niveau kann als deutliches Zeichen für den Sanierungserfolg interpretiert werden. Die vom Landratsamt Rems-Murr-Kreis in Auftrag

8 282 Die Qualitätssicherung der Hinterfüllung von Erdwärmesonden wird in der Zukunft eine sehr wichtige Rolle spielen, um das Risiko von Stockwerksverbindungen und den Zufluss von Grundwasser in sulfathaltige Gesteinsschichten zu minimieren. Dies belegt auch eine Untersuchung im Kanton Zürich, bei der die Hinterfüllung von 21 EWS-Bohrungen mit dem Ergebnis überprüft wurde, dass in 52 % keine vollständige Hinterfüllung erreicht werden konnte (AWEL 2007). Die LQS EWS sehen für die Qualitätssicherung von Hinterfüllmaterialien schon eine ganze Reihe von Regularien vor. Zum Beispiel muss, schon im Voraus, ein Nachweis zur Eignung eines Hinterfüllmaterials durch ein akkreditiertes Institut erbracht werden. Außerdem muss ein frostfreier Betrieb der Anlage durch die korrekte Auslegung des Systems, d. h. die Anpassung der Sondenlänge auf die benötigte Heizleistung gewährleistet sein um einer Frost-Tauwechsel-Beanspruchung der Ringraumabdichtung entgegen zu wirken. Bei der Vermischung von Grundwässern aus verschiedenen Schichten kann eine Beeinflussung der Wasserqualität durch Stoffaustausch stattfinden (Santi et al. 2006; Stober & Bucher 2012), allerdings wurde dieses in Baden-Württemberg nicht beobachtet bzw. nicht eingehend untersucht. Die Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde Baden-Würtgegebenen Sanierungsarbeiten haben rund gekostet (LRA Rems-Murr-Kreis 2010). Im September 2013 gab das Landratsamt Böblingen bekannt, dass es in der Stadt Böblingen zu Geländehebungen durch Anhydritquellen gekommen ist, bei denen mehrere Häuser beschädigt wurden (PM Böblingen 2013). Laserscanbefliegungen ergaben maximale Absoluthebungen von cm seit 2002 (PM Böblingen 2014a). Im Verdacht stehen Erdwärmesondenbohrungen aus den Jahren 2006 bis 2008, die bis in den Gipskeuper reichen. Bei Temperaturmessungen in mehreren Erdwärmesonden wurden Anhaltspunkte für eine undichte Hinterfüllung gefunden. Laut Experten besteht bisher bei mindestens drei Sonden Sanierungsbedarf (PM Böblingen 2014b). In angrenzenden Ländern von Baden-Württemberg kam es in den letzten Jahren bisher zu drei größeren Zwischenfällen im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen. Das Finanzministerium Wiesbaden lies im Jahr 2009 eine Bohrung für die Installation von Erdwärmesonden abteufen, bei der ein artesisch gespannter Grundwasserleiter angebohrt wurde, der neben Wasser auch eine enorme Materialfracht an die Oberfläche förderte. Die höchsten Ausflussraten lagen bei 100 l/s und überfluteten weite Flächen in der Nähe des Finanzministeriums. Im nordrheinwestfälischen Kamen-Wasserkurl ereignete sich im Juli 2009 ein sehr schwerer Schadensfall, bei dem etwa 20 Häuser stark beschädigt wurden. Sechs davon mussten später sogar abgerissen werden. Bei einer 70 m tiefen Erdwärmesondenbohrung wurde ein hydraulischer Kurzschluss verursacht. Durch den Abfluss von Grundwasser aus dem oberen, im Lockersediment verlaufenden, in den unteren Karstgrundwasserleiter wurden etwa m 3 wassergesättigte Sande und Schluffe abtransportiert. Dadurch entstand an der Oberfläche ein 4 5 m breiter und 12 m tiefer Krater, in dem das Bohrgerät fast völlig verschwand. Im elsässischen Dorf Lochwiller (Frankreich) wurde 2013 ein ähnlicher Fall, wie der in Staufen, bekannt. Auch hier wurde ein gespannter Grundwasserleiter angebohrt, aus dem nun Grundwasser in anhydritführende Schichten aufsteigt. Ende 2013 sind bereits einige der über 100 Jahre alten Häuser des Dorfes von den Hebungen betroffen und weisen enorme Schäden auf. Des Weiteren sind auch mehrere Schadensfälle aus der Schweiz beispielsweise von Basetti et al. (2006) dokumentiert. Allerdings sind diese, zum größten Teil, auf Fehler bei der Systemauslegung zurückzuführen. Diskussion In allen in Tab. 1 genannten neun Fällen führt eine unvollständige oder undichte Hinterfüllung der Erdwärmesonden zu unerwünschten vertikalen Grundwasserfließbewegungen im Bohrloch. In sieben von neun Fällen liegt die Schadensursache außerdem in der Schaffung einer hydraulischen Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie Verbindung zwischen Keuper und. Die untersuchten Fälle können wie folgt nach deren Ursache unterteilt werden: In zwei Fällen (Unterlangnau und Ravensburg) wurde artesisch gespanntes Grundwasser angebohrt, welches an der Oberfläche, meist mit hoher Materialfracht, unkontrolliert ausgetreten ist und dort zu Vernässung von Grundstücken und verschlammten Abwasserkanälen führte. In vier Fällen kam es zu Anhydritquellungen (Staufen, Rudersberg und Böblingen) oder zu verstärkter Gipsauslaugung (Wurmlingen) durch den Zufluss von Grundwasser in Gipskeuperschichten, verursacht durch das Anbohren von gespanntem Grundwasser im Oberen oder durch den Abfluss von Grundwasser aus höher gelegenen Grundwasserleitern. In weiteren 3 Fällen wurden zwei Grundwasserstockwerke mit absteigendem hydraulischem Potenzial durch Erdwärmesondenbohrungen kurzgeschlossen. Daraus resultierte eine Wasserspiegelabsenkung im oberen Grundwasserleiter, wodurch es zu einer Konsolidierung der entwässerten Schichten und damit zu Setzungen an der Oberfläche kam. Bei Brunnen oder Quellen, die in den betroffenen Grundwasserleitern installiert oder durch diese gespeist werden, kann es im Falle einer Grundwasserabsenkung zur Austrocknung kommen (Renningen, Schorndorf). Durch Subsidenz können an nahe gelegenen Gebäuden Schäden verursacht werden (Leonberg, Schorndorf).

9 Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie Baden-Württemberg ergab eine Eintrittswahrscheinlichkeit für einen Schadensfall von unter 0,002 % pro Jahr. Im Vergleich dazu liegt die Wahrscheinlichkeit in Deutschland an den Folgen der Luftverschmutzung durch Kohlekraftwerken zu sterben bei 0,003 % pro Jahr (HEAL 2013) und die Wahrscheinlichkeit eines schweren Unfalls in einem Kernreaktor weltweit sogar bei 0,02 % pro Jahr (berechnet aus Daten der IAEA 2013). Durch die grobe Abschätzung der Schadenshöhen anhand zweier verschiedener Berechnungsansätze, konnten die einzelnen Fälle den Schadensklassen < 1 Mio., 1 10 Mio. und > 10 Mio. zugeordnet werden. Beide Berechnungsansätze ergaben dabei die gleiche Zuordnung. Für die Fälle Wurmlingen, Leonberg und Renningen liegen zusätzlich Abschätzungen der zuständigen Genehmigungsbehörden vor. Im Fall Renningen wurde die Zuordnung in die Schadensklasse < 1 Mio. damit bestätigt (Steinacker 2014). Im Fall Wurmlingen wurde die Schadenshöhe trotz des konservativen (worst case) Ansatzes unterschätzt und muss somit der Schadensklasse 1 10 Mio. zugeordnet werden (Mittag 2014). Die Schadenshöhe im Fall Leonberg wurde hingegen überschätzt und muss laut Genehmigungsbehörde der Schadensklasse < 1 Mio. zugeordnet werden (Steinacker 2014). Der Fall Böblingen wurde nicht in die Betrachtung der Schadenshöhen einbezogen, da dort, die bisher gewonnenen Erkenntnisse nicht für eine Abschätzung des Schadensausmaßes ausreichen. Abbildung 5 zeigt die Wahrscheinlichkeit mit der ein Schadensfall in Abhäntemberg schreiben bei der Erwartung größerer Potenzialdifferenzen und kritischem Stockwerksbau die Formulierung einer projektspezifischen Arbeitsanweisung vor, die in Problemfällen eine Hilfestellung geben soll (LQS EWS 2011). Im Allgemeinen muss geeignetes Gerät zur Abdichtung von Grundwasserzutritten und Artesern auf der Bohrstelle vorgehalten werden. Zum Schutz von Grundwasservorkommen gilt daher in allen Bundesländern das Verbot für Erdwärmesonden innerhalb der Wasserschutzzonen I und II. Die Zone III wird unterschiedlich gehandhabt (Hähnlein et al. 2011). Die Problematiken, die in Zusammenhang mit sulfathaltigen Gesteinen entstehen können, sind in Baden-Württemberg durch den Tunnelbau schon lange bekannt (Nies 1868). Seit dem Fall Staufen im Jahr 2007 müssen diese nun auch im Bereich der Erdwärmesonden genauer betrachtet werden. Als eine Reaktion auf diesen Schadensfall hat das LGRB eine Auflagenempfehlung zum Vorgehen beim Abteufen von Erdwärmesondenbohrungen in sulfatführende Gesteine formuliert (LGRB 2009b), die in das Formblatt für einen Auftrag für eine hydrogeologisch-geotechnische Beurteilung von Bohrvorhaben für Erdwärmesonden (LGRB 2009a) aufgenommen wurde. Die Bohrung sollte in jedem Fall schon bei Erreichen des Gipsspiegels abgebrochen werden, da die Unterscheidung von Gips und Anhydrit anhand des Bohrkleins nur mit der Hilfe von zusätzlichen Laboruntersuchungen möglich ist (Scheiber et al. 2011) und daher keine Vor-Ort-Bestimmung zulässt. Um allerdings mehr Planungssicherheit schon im Vorfeld einer Erdwärmesondenbohrung zu erhalten, müssen Informationen, wie die Lage des Gips-/Anhydritspiegels oder die Ausbreitung von gespannten Grundwasserleitern flächendeckend verfügbar sein. Das Informationssystem Oberflächennahe Geothermie (ISONG) des Landesamts für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg bietet hierzu einen ersten Ansatz. Das System kann eine erste Abschätzung der Bohrtiefenbeschränkung basierend auf wasserwirtschaftlichen Fragestellungen und eventueller Bohrrisiken liefern. Ein weiterer Punkt, der bei der Untersuchung der Schadensfälle aufgefallen ist, ist die langsame Reaktion nach Bekanntwerden von Auffälligkeiten oder Schäden. Bevor Maßnahmen zur Sanierung oder Schadensfallminimierung eingeleitet wurden, war stets das erste Ziel, den Verursacher zu finden, um die Kosten für die anfallenden Sanierungsmaßnahmen zu sichern. So hat es z. B. im Fall Staufen, über zwei Jahre gedauert, bis nach dem Auftreten der ersten Schäden Sanierungsmaßnahmen durchgeführt wurden. Eine Auswirkung des späten Eingreifens spiegelt sich auch in der geschätzten Schadenshöhe von etwa 50 Mio. für den Fall Staufen wieder. In Baden-Württemberg wurden laut LGRB über Erdwärmesonden installiert (Stand Dezember 2013). Eine im Zuge dieser Studie mittels Gleichung 1 berechnete erste Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von Schadensfällen bei Erdwärmesondenbohrungen in 283 Abb. 5 Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Schadenshöhen in Abhängigkeit der geologischen Verhältnisse

10 284 gigkeit von dessen Schadenshöhe und der anstehenden Geologie, eintritt. Wird bei einer EWS-Bohrung die Grenze zwischen Keuper und erreicht, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit und das Risiko eines Schadensfalls um ein Vielfaches gegenüber einer Bohrung, bei der diese Grenze nicht erreicht wird. Bei Schadenshöhen im Bereich von 1 10 Mio. und > 10 Mio. wurden bisher nur Schadensfälle bekannt, deren Ursachen im Bereich der Grenze zwischen Keuper und liegen. Das aber auch diese, geologisch oft sehr heterogenen Verhältnisse grundsätzlich beherrschbar sind, zeigen die etwa 820 Anlagen mit zumeist mehreren Bohrungen (Trapp 2013), die die Grenze zwischen Keuper und erreicht haben. Fazit Die Untersuchung der bisher im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen aufgetretenen Schadensfälle in Baden-Württemberg zeigt, dass sich die Ursachen eng eingrenzen lassen. Hauptursache bei allen Schadensfällen war eine unvollständige, undichte Abdichtung der Bohrungen bei kritischem Stockwerksbau oder gespannten Grundwasserleitern. Das Schadensausmaß wurde in mehreren Fällen durch die Anwesenheit von sulfathaltigen Gesteinen noch erhöht. Durch die im Jahr 2011 veröffentlichten Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde (LQS EWS) wurden in Baden-Württemberg im Bereich Hinterfüllung, Vorgehen bei kritischem Stockwerksbau und gespannten Grundwasserleitern sowie dem Umgang mit sulfatführenden Gesteinen bereits Maßnahmen zur Qualitätssicherung umgesetzt. Zur Weiterentwicklung der Erdwärmesondentechnologie tragen weitere, vom Land finanzierte Forschungsprojekte, wie z. B. die Projekte EWSPlus (Riegger et al. 2012) und EWS-tech, bei. Zusätzlich können Anpassungen des Sondendesigns (z. B. Koaxialsonden) helfen, Fehlstellen beim Einbringen der Hinterfüllung zu vermeiden (Stober & Bucher 2012). Eine deutlich erhöhte Sicherheit für Erdwärmesondenbohrungen würde, z. B. bei kritischem Stockwerksbau, aber nur eine Tiefenbeschränkung auf den 1. Grundwasserleiter geben, wie sie im Jahr 2011 für etwa 3 Monate, bis zum Erscheinen der LQS EWS, auch bestand. In Bayern hingegen wurde das Durchteufen von stockwerkstrennenden Schichten über den Leitfaden Erdwärmesonden in Bayern generell verboten (LFB 2012). Aufgrund der Problematik mit sulfathaltigen Gesteinen wurde in Baden-Württemberg eine Tiefenbegrenzung auf den Gipsspiegel schon im Jahr 2009 eingeführt. Im schweizerischen Kanton Basel Landschaft wurde 2010 die Wärmenutzung in Karstgebieten und Gebieten, in denen die Gefahr der Subrosion und des Gebirgsquellens besteht, aufgrund von Problemen bei geotechnischen Projekten in sulfathaltigen Gesteinen (Grob 1975; Madsen et al. 1995), für unzulässig erklärt (ENK BL Grundwasser Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 2010). Tiefenbeschränkungen auf den 1. Grundwasserleiter oder den Gipsspiegel können allerdings, da dann u. U. mehrere kürzere Sonden installiert werden müssen, die Kosten einer EWS-Anlage deutlich erhöhen und deren Installation damit unwirtschaftlich machen. Eine weitere wichtige Neuerung, die durch die LQS EWS eingeführt wurde, ist die verschuldensunabhängige Versicherung mit einer Deckungssumme von mindestens 1 Mio., durch die etwaige, durch die Bohrung verursachte Schäden abgedeckt werden. Eine Ausweitung der verschuldensunabhängigen Versicherung auf Schadensabwehrmaßnahmen, wie beispielsweise die Absenkung des Grundwasserspiegels oder das nachträgliche Abdichten einer Bohrung, könnte die Entwicklung des Schadensausmaßes schon im Voraus erheblich einschränken. Schadensfälle in anderen Bundesländern oder im Ausland, wie z. B. der Arteseraustritt in Wiesbaden (Hessen) oder Hebungen durch Anhydritquellung in Lochwiller (Frankreich), zeigen, dass Schäden im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen nicht auf Baden-Württemberg beschränkt sind. Um weitere Schadensfälle in der Zukunft noch effektiver vermeiden zu können, sollten diese Fälle, grenzübergreifend in die Ursachenforschung mit einbezogen und gemeinsame Forschungsprojekte zur Verbesserung der Qualitätssicherung gefördert werden. Denn nur durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Bohrtechniken, Hinterfüllmaterialien, Monitoringmaßnahmen und Risikominimierungsstrategien kann die Häufigkeit von Schadensfällen gemindert und das Vertrauen der Gesellschaft in die EWS-Technologie zurückgewonnen werden. Danksagungen Die Studie wurde teilweise im Rahmen des BWPLUS Projekts Nr. L Arbeitspaket 2 durchgeführt. Bedanken möchten wir uns bei Frau Eva de Haas vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg für die Unterstützung der Studie und das Bereitstellen erster Falldaten. Herrn Dr. Christian Trapp vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) in Baden-Württemberg danken wir für die Bereitstellung von Aufschlussdaten und Statistiken. Des Weiteren gilt unser Dank Herrn Gerhard Blechschmied (Landratsamt Bodenseekreis), Herrn Peter Mittag (Landratsamt Tübingen), Frau Petra Wehland (Landratsamt Emmendingen), Herrn Franz Wieder (Landratsamt Ravensburg), Herrn Andreas Steinacker (Landratsamt Böblingen), Herrn Andreas Krumwieh (Landratsamt Rems-Murr-Kreis) und Frau Simone Walker-Hertkorn (tewag GmbH) für ihre Unterstützung. Abschließend danken wir beiden Gutachtern für ihre Kommentare, die zur Verbesserung und Klarheit des Beitrages geführt haben.

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