Umweltauswirkungen von hydraulischen Gesteinsbehandlungen in der tiefen Geothermie Seismizität

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1 Umweltauswirkungen von hydraulischen Gesteinsbehandlungen in der tiefen Geothermie Seismizität Thomas Plenefisch und Arbeitsgruppe an der BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Workshop 2 Umweltverträglichkeitsprüfung vor dem Hintergrund von Stimulationen in der Geothermie beim Geothermiekongress DGK 2014 in Essen 13. November 2014

2 Ausgangspunkt Fachbereich B4.3: Seismologisches Zentralobservatorium, Kernwaffenteststopp Eine der Aufgaben: Beratung von Ressorts und Wirtschaft zu durch Bergbau, Geothermie und CO 2 -Ablagerung im Untergrund induzierter Seismizität d.h. Expertise auf dem Gebiet induzierter Seismizität seit 10/2013: Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes mit dem Titel: Untersuchung der Umweltauswirkungen von hydraulischen und chemischen Gesteinsbehandlungen in der tiefen Geothermie

3 Gliederung Ausgangspunkt Induzierte Seismizität in Deutschland und angrenzendem Ausland Charakteristiken der Seismizität bei tiefer Geothermie Vergleich mit induzierter Seismizität bei der Kohlenwasserstoffförderung Zusammenfassung Empfehlungen

4 Mögliche Umweltauswirkungen durch Seismizität Hier betrachtete Möglichkeiten: Bodenerschütterungen an der Erdoberfläche spürbare Erschütterungen Ängste Schäden an Gebäuden materieller Schaden Schaffung von Fließwegen zu oberflächennahem Grundwasser Kontamination durch Tiefenwässer und Fracfluide

5 Hydraulische Gesteinsbehandlungen in der tiefen Geothermie (1) Standort (*) Art Anzahl Tiefe (m) Volumen (m 3 ) Magnitude Nutzung Bad Aibling (M) Stütz Thermalbad Bad Endorf (M) Stütz Thermalbad Bad Langensalza (T) Stütz Thermalbad Bad Urach (S) Wasser ,8 Fernwärme Groß Schönebeck (N) Stütz + Was ; ,0 F&E Hannover (N) Wasser Nahwärme Horstberg (N) Wasser F&E Insheim (O) Wasser ,4 Strom Landau (O) Wasser ,4 Strom/Fernwärme Basel (CH) (O) Wasser ,4 Strom Soultz (F) (O) Wasser ca ; ; ,9 F&E /Strom KTB (Oberpfalz) Wasser ,2 F&E (*) M= Molasse, T = Thüringisches Becken, S = Schwäbische Alb, N= Norddeutschland, O = Oberrheingraben

6 Seismizität Seismizität in Deutschland und angrenzenden Ländern Induzierte oder tektonisch stärkste Erdbeben der letzten 25 Jahre Induziert 4,6 4,5 5,6 Stärkstes Ereignis in Geothermie (Stimulation) Deutschland (Insheim 2009) 2,1 Deutschland + umg. Ausland (Basel 2006) 3,4 Stärkstes Ereignis in Geothermie (Betrieb) Deutschland (Landau 2009) 2,7 Stärkstes Ereignis in Kohlebergbau Deutschland (Ibbenbüren 1991) 4,6 Stärkstes Ereignis in Erdgasförderung Deutschland (Rotenburg 2004) 4,5 Stärkstes Ereignis in Kalibergbau Deutschland (Völkershausen1989) 5,6 2,7 2,9 3,4 1,8 2,4 3,5 tektonisch Stärkstes tektonisches Ereignis Deutschland (Waldkirch 2004) 5,4 Deutschland + umg. Ausland (Roermond 1992) 5,9 Tektonische Ereignisse im Durchschnitt pro Jahr M L e 4: 1 Ereignis M L e 3: 12 Ereignisse M L e 2: 60 Ereignisse

7 Seismizität Basel, 2006/07 Soultz-sous-Forets, Seismische Kluster haben eine vertikale Ausdehnung von ca m an Störungen orientiert, mehr als 1000 m Abstand zu Deckschichten! (Häring et al., 2008) (Baisch et al., 2008) Injektion Tiefe: m Seismizität: m Granit: tiefer als 2500 m Injektion Tiefe: ca m Seismizität: ca m Granit: tiefer als1400 m

8 Zusammenhang Gesteinsbehandlung Seismizität am Beispiel Basel: stärkstes Ereignis (M L = 3.4) tritt ca. 5 Stunden nach shut-in (rote Linie) auf. Drei weitere Nachbeben mit M L > 3 nach 29, 39 und 56 Tagen. Nachlauf kann z.b. durch langsame Porendruckausbreitung entstehen. Seismisches Monitoring auch noch nach Ablauf der Gesteins- Behandlung notwendig! (Häring et al., 2008)

9 Konzept der seismologisch kontrollierten hydraulischen Gesteinsbehandlung MAGS-Bericht, 2014 (MAGS-Projekt, 2014) Ziele: 1. Verhinderung von Erdbeben mit Gebäudeschäden 2. Wenn möglich, Verhinderung von spürbaren Erdbeben

10 Schadensgrenzen DIN 4150 DIN 4150: Gibt Grenzen der Schwinggeschwindigkeit an, ab denen bei Gebäude oder Bauteile Schäden (auch Kleinschäden wie Risse) möglich sind. Darunter sind Schäden auszuschließen. Strukturelle Schäden an Gebäuden sind erst zu erwarten, wenn diese Anhaltswerte um mindestens das Zehnfache überschritten werden. (Text und Abbildung modifiziert nach

11 Tiefe Geothermie und Seismizität Maximalmagnituden Spürbare Erdbeben sind aufgetreten, bis zur einer Magnitude von 3,5. Vergleich mit sonstiger induzierter Seismizität In der Geothermie aufgetretenen Beben sind in ihrer Maximalstärke deutlich kleiner als die in der Vergangenheit im Kali- und Kohlebergbau induzierten seismischen Ereignisse. Hypozentren, seismische Wolke Die Herdtiefen der Ereignisse liegen zwischen ungefähr 3 und 6 km. Die Anzahl der registrierten Ereignisse variiert von zehn Ereignissen bis zu mehreren tausend Beben. Die maximale Ausdehnung der seismischen Wolke ist unterschiedlich, erreicht aber maximal eine große Halbachse von 500 m. Beziehung zu Deckschichten und Störungszonen In den meisten Fällen verbleibt ein vertikaler Abstand von dem stimulierten Gesteinsbereich zu den Deckschichten von mindestens bis m, so dass eine Gefährdung der über den Deckschichten gelegenen Grundwasserschichten eher unwahrscheinlich ist. Seismische Gefährdung, Regionalisierung Bisher keine Personenschäden. Klassifizierung hinsichtlich Tektonik, Geologie oder Tiefen- Horizonte ist noch schwierig, da geringe Anzahl von Projekten, jedes Projekt stellt bisher noch einen Einzelfall dar.

12 Zusammenhang zwischen Stimulationen bei Erdgasförderung und Erdbeben Liste der Fracking-Maßnahmen in Niedersachsen des LBEG 327 Stimulations-Maßnahmen im Bereich der Erdgasfelder 143 Unterschiedliche Lokationen 3 Maßnahmen im Bereich unkonventioneller Erdgasfelder (Damme 3) 2 Erdwärme-Stimulationsmaßnahmen Keine Angaben zur Dauer der Maßnahmen Angaben Stand Bohrung (ID12) Bohrungsname Bodenschatz (Erdgas, Erdwärme) Unternehmen (Operator) Stimulations-Nr. (bis zu 14 pro Lokation) Datum Frac Teufe Frac Koordinaten des Bohransatzes (Rechtswert, Hochwert) Gemeinde, Landkreis Formation

13 Zusammenhang Stimulationen bei Erdgasförderung und Erdbeben Bischoff et al., 2013; Gestermann, 2014

14 Zusammenhang Stimulationen bei Erdgasförderung und Erdbeben Nach der Stimulation Datensatz 327 Stimulationsmaßnahmen (Quelle: LBEG) 44 seismische Ereignisse (BGR-Katalog) Gestermann, 2014

15 Zusammenhang Stimulationen bei Erdgasförderung und Erdbeben Gestermann, 2014 Fazit: Die signifikanten Ereignisse ab Magnitude 2,0 (M L ) stehen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht im Zusammenhang mit den Stimulationsmaßnahmen.

16 Zusammenfassung Seismizität (1) 1. Induzierte Seismizität kann bei hydraulischen Gesteinsbehandlungen und in der Betriebsphase auftreten. 2. Regionale Unterschiede in der seismischen Reaktion des Untergrundes. a) Kristallin im Oberrheingraben: vergleichsweise starke, spürbare Seismizität b) Sedimentschichten in Norddeutschland: keine oder sehr geringe Seismizität Einschränkungen: unzureichende Statistik und standortspezifische Reaktionen. 3. Eine Abschätzung der zu erwartenden Seismizität nur an Hand der Geologie und von Modellierungen ist im Allgemeinen nicht zuverlässig genug. Dies kann jedoch ein erster Hinweis sein, mit welchem Aufwand das seismische Monitoring betrieben werden sollte. 4. Beobachtete Erdbebenmagnituden bei tiefer Geothermie in Deutschland sind klein im Vergleich zu induzierter Seismizität im Kalibergbau, Kohlebergbau und bei der Erdgasförderung. 5. Gesteinsbehandlungen in der Erdgasindustrie zielen auf Zugrisse, in der Geothermie dagegen oftmals auf Scherung. Bei 327 Frackmaßnahmen in Erdgaslagerstätten in Niedersachsen keine nachgewiesenen Erdbeben. 6. Geothermie wird oftmals in Störungszonen durchgeführt (im Gegensatz zu Fracking bei der Schiefergasförderung). Dadurch erhöhtes seismisches Risiko. Lage der genutzten Störungszone zum tektonischen Spannungsfeld ist wichtig.

17 Zusammenfassung Seismizität (2) 7. Nachbebentätigkeit nach dem Ende einer hydraulischen Gesteinsbehandlung kann z.b. durch Porendruckausbreitung im Untergrund entstehen. Dies muss bei der Einschätzung der seismischen Gefährdung berücksichtigt werden. 8. An Hand der gemessenen Anzahl der kleinen Erdbeben kann eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines selteneren, größeren Erdbeben abgeschätzt werden (Gutenberg-Richter). 9. Das Prinzip der kontrollierten hydraulischen Gesteinsbehandlung wird bereits in der Praxis angewandt und kann die seismische Gefährdung signifikant senken. Die Methode besteht aus 3 Schritten: (1) Einem seismischen Monitoring, (2) einer Methode zur Abschätzung der seismischen Gefährdung an Hand der beobachteten Mikroseismizität und (3) einem Reaktionsschema mit Grenzwerten und Gegenmaßnahmen bei zu hoher seismischer Gefährdung.

18 Empfehlungen Seismizität (1) 1. Planung der hydraulischen Gesteinsbehandlung a) Untersuchung der lokalen Geologie und Tektonik (z.b. Lage der Störungszonen, tektonisches Spannungsfeld, natürliche Seismizität ) b) Numerische Simulation der hydraulischen Anwendung zur Abschätzung der Rissausbreitung 2. Durchführung der hydraulischen Gesteinsbehandlung Konzept der seismologisch kontrollierten hydraulischen Gesteinsbehandlung (siehe MAGS-Projekt) bei sich erhöhender Seismizität Reduktion des Fluiddrucks und der Fluidflußrate Ziel: Vermeidung von Gebäudeschäden durch Beben 3. Transparenz in allen Phasen der Durchführung gilt für seismisches Monitoring, insbesondere im Bezug auf die Öffentlichkeit (Bürger): a) proaktive Öffentlichkeitsarbeit mit Informationen über das seismische Monitoring b) Online-Darstellung ausgewählter Stationen im Internet c) Weitergabe der Wellenformdaten an unabhängige Dritte, z.b. an die Landeserdbebendienste für eine zusätzliche qualifizierte Auswertung 4. Weitere Entwicklung/Forschungsarbeiten Enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Universitäten und staatlichen seismologischen Institutionen zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des Wissens über Prozesse bei hydraulischen Gesteinsbehandlungen und ihrem Zusammenhang zur Seismizität

19 Empfehlungen Seismizität (2) zu 2. Durchführung der hydraulischen Gesteinsbehandlung 2.1 Seismisches Monitoring - Alle Projekte, unabhängig von der Region, bedürfen eines seismologischen Monitorings und fundierter seismologischer Begleitung durch Fachleute. - Kontinuierliches seismisches Monitoring über gesamte Projekts (Bohrung, Stimulation und Produktion) auch schon im Vorfeld Hintergrundseismizität - Seismisches Monitoring nach Empfehlungen des FKPE und der GtV zur Überwachung induzierter Seismizität, jedoch abgestuft! Skaliertes seismisches Monitoring, d.h. Grad richtet sich a) nach Geologie der Region b) den Resultaten der Planungsphase und c) nach der Größe der geothermischen Maßnahme, nämlich nach Fließrate, Injektionsdruck und Volumen der hydraulischen Gesteinsbehandlung. - Einsatz von Imissionsmessgeräten zur Bestimmung von Bodenschwinggeschwindigkeiten zur Beweisssicherung und schnellen Regulierung im Schadensfall.

20 Empfehlungen Seismizität (3) 2.2 Seismische Gefährdungsanalyse Methode zur Berechnung der seismischen Gefährdung im Echtzeitbetrieb während der hydraulischen Gesteinsbehandlung, probabilistische seismische Gefährdungsanalyse, Gutenberg-Richter-Relation, Anzahl Erdbeben proportional zum Fluidvolumen, Nachlauf berücksichtigen. 2.3 Reaktionsplan mit Grenzwerten und Gegenmaßnahmen - Reaktionsschema mit Grenzwerten und Gegenmaßnahmen bei Überschreiten, muss vor der hydraulischen Gesteinsbehandlung erstellt werden. - Detaillierte im voraus erstellte Reaktionspläne, direkte Kommunikation und Zusammenspiel zwischen seismischem Monitoringteam und Stimulationsingenieuren.

21 Mögliche Umweltauswirkungen durch Seismizität Bodenerschütterungen an der Erdoberfläche spürbare Erschütterungen Ängste Schäden an Gebäuden materieller Schaden geringe Umweltauswirkungen! Lernprozess nach Basel Schaffung von Fließwegen zu oberflächennahem Grundwasser Kontamination durch Tiefenwässer und Fracfluide bisher keine bekannten Umweltauswirkungen!