3D Modell der geothermischen Tie fenpotenziale von Hessen

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1 ForschungsundEntwicklungsprojekt 3DModelldergeothermischenTie fenpotenzialevonhessen Abschlussbericht Projektleiter: Prof.Dr.IngoSass Prof.Dr.AndreasHoppe Bearbeiter: Dipl.Ing.DirkArndt Dipl.Ing.KristianBär Kooperationspartner: HessischesLandesamtfürUmweltundGeologie(HLUG) Dr.JohannGerhardFritsche Dr.MatthiasKracht Auftraggeber: HessischesMinisteriumfürUmwelt,Energie, LandwirtschaftundVerbraucherschutz(HMUELV) MainzerStraße Wiesbaden 1

2 2 Inhalt 1 Einleitung VorgehensweiseundZiele Öffentlichkeitsarbeit GrundlagenderTiefenGeothermie Begriffsbestimmungen TiefeGeothermischeSysteme HydrothermaleSysteme StörungsbezogeneSysteme PetrothermaleSysteme Betriebserfahrungen GeschlosseneSysteme:TiefeErdwärmesonde Fündigkeit Bohrungsabstand Wirtschaftlichkeit ProjektierungtiefengeothermischerAnlagen Vorerkundung WichtigeParameterfürdieNutzungderTiefenGeothermie GeologischeKennwertefürtiefengeothermischeNutzungen ThermoundgesteinsphysikalischeKennwerte HydraulischeKennwerte GeologischeFaktorenzurtiefengeothermischenNutzung Kennwertermittlung BestimmungdergeothermischenKennwerteimLabor Wärmeleitfähigkeit DefinitionWärmeleitfähigkeit MessungderWärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit DefinitionTemperaturleitfähigkeit MessungderTemperaturleitfähigkeit Rohdichte,Korndichte(Reindichte)undPorosität BestimmungvonKorndichte,RohdichteundPorosität MessungderKorndichte MessungderRohdichteundPorosität...47

3 3.1.4 SpezifischeWärmekapazität MechanischeGesteinseigenschaften HydraulischeKennwerte GesteinspermeabilitätK M DefinitionPermeabilität MessungderGesteinspermeabilität(intrinsischePermeabilität) MessungderGesteinspermeabilität(scheinbarePermeabilität) GebirgspermeabilitätK G WeitereUntersuchungsmethoden Ergebnisse Kennwertdarstellung GesteinsphysikalischeEigenschaften PorositätundGesteinspermeabilität Gebirgspermeabilität Literaturdaten GeologischGeothermisches3DModell GeologischesStrukturmodell Modelleinheiten Störungen EingangsdatenundderenAufbereitung GeologischeKarten DigitalesHöhenmodell Bohrdaten GeologischeSchnitte Isolinienkarten GeophysikalischeDaten Methodik UnsicherheitenimGeologischenModell Temperaturmodell Eingangsdaten Methodik Ergebnis GeologischeundGeothermischeBeschreibungderModelleinheiten Grundgebirge(PräPerm) Paläogeografie

4 ModelleingangsdatenPräPerm GeologiePräPermkristallin GeothermischeEigenschaftendeskristallinenGrundgebirges GeothermischeEigenschaftendesPräPermdesmetamorphenGrundgebirges Rotliegend(Permokarbon) Paläogeografie ModelleingangsdatenRotliegend(Permokarbon) GeologiedesRotliegend(Permokarbon) GeothermischeEigenschaftendesRotliegend(Permokarbon) Zechstein Paläogeografie ModelleingangsdatenZechstein GeothermischeEigenschaftendesZechstein Buntsandstein Paläogeografie ModelleingangsdatenBuntsandstein GeothermischeEigenschaftendesBuntsandstein MuschelkalkundKeuper Paläogeografie ModelleingangsdatenMuschelkalkundKeuper GeothermischeEigenschaftenMuschelkalk JurabisKreide QuartärundTertiär ModelleingangsdatenQuartärundTertiär GeologiedesnördlichenOberrheingrabens GeothermischeEigenschaftendesTertiär DVolumengrids Erstellung Attributierung ThermoundgesteinsphysikalischeKennwerte HydraulischeKennwerte BerücksichtigungdesStörungssystems Temperatur SpannungsfeldinHessen MethodikdergeothermischenPotenzialbestimmung...170

5 5.1 Einführung MethodezurEvaluierungdesgeothermischenPotenzials QualitativePotenzialbestimmung QuantifizierungdesPotenzials TiefengeothermischePotenzialevonHessen PetrothermalePotenziale HydrothermalePotenziale StörungsbezogenePotenziale PotenzialefürgeschlosseneSysteme Zusammenfassung Schlußfolgerungen Ausblick Danksagung Literatur Anhänge

6 Abbildungsverzeichnis Abb.1:GeneralisiertegeologischeKartevonHessen...12 Abb.2:EinteilungdergeothermischenSysteme...17 Abb.3:SchematischeDarstellungeinerhydrothermalenDublette...19 Abb.4:KraftwerksanlagedesORCKraftwerksinSoultzsousForêts...21 Abb.5:SchematischeDarstellungeinerStörungszone...22 Abb.6:SchematischeDarstellungeinerpetrothermalenDublette...24 Abb.7:SchematischeDarstellungeinerHotDryRock(HDR)Anlage...25 Abb.8:SchemaeinesgeothermischenProduktionsundKraftwerkszyklus...30 Abb.9:MesskonfigurationzurErmittlungdergeothermischrelevantenGesteinskennwerte...38 Abb.10:MessanordnungdesThermalConductivityScanners...40 Abb.11:SchematischerAufbaudesThermoscanners...42 Abb.12:GaspyknometerAccuPyc1330undRohdichtemessgerätGeoPyc Abb.13:FunktionsweisedesGasverdrängungsPyknometers...46 Abb.14:FunktionsweisedesPulverpyknometers...47 Abb.15:FormundPrüfpressedesIAGundSchemazeichnung...49 Abb.16:KombiniertesSäulenundMinipermeameter...50 Abb.17:FotoundschematischerAufbaudesSäulenpermeameters...52 Abb.18:KlinkenbergplotzurErmittlungderintrinsischenPermeabilität...54 Abb.19:AufbaudesMinipermeameters...55 Abb.20:PermeabilitätalsFunktionderBeobachtungsskala...57 Abb.21:Vergleichderk f WertedesRotliegend...60 Abb.22:DatenblattgeothermischerKennwerte...62 Abb.23:EingangsdatenfürdasgeothermischeModell...62 Abb.24:BoxWhiskerPlotsfüralleWärmeleitfähigkeitenundspezifischenWärmekapazitäten...63 Abb.25:BoxWhiskerPlotsfürPorositätundGesteinspermeabilität...66 Abb.26:EingangsdatenfürdasgeothermischeModell...67 Abb.27:DasdreidimensionalegeologischeStrukturmodellvonHessen...70 Abb.28:UnterteilungdesGesamtmodellsinsechsSubmodelle...71 Abb.29:ModellhorizontedargestelltimStratigrafischenProfilHessens...72 Abb.30:MarkeranTopundBasiseinerSchicht...73 Abb.31:BlickindenOberrheingrabenunddasSubmodellOdenwald...74 Abb.32:VereinfachungvonSchichtausbissenausderGÜK Abb.33:GeneralisierungvonSchichtausbissen...75 Abb.34:AusgangsdatensatzderGÜK300unddieerstelltegeneralisierteGeologischeKarte...76 Abb.35:BohrlokationenderHessischenundderKohlenwasserstoffBohrdatenbank...77 Abb.36:BlickaufBohrungenimOberrheingebiet...78 Abb.37:StrukturderBohrdatenbank...80 Abb.38:KartedergeologischenProfilschnitte...81 Abb.39:ArbeitsschrittezurEinbindungdergeologischenSchnitte...82 Abb.40:ÜbersichtderTiefenlinienpläne...83 Abb.41:SeismischeGroßgeräte(Vibratoren)...85 Abb.42:LagederseismischenLinieninHessen...86 Abb.43:PunktuelleInformationenzurAusbreitungsgeschwindigkeitseismischerWellen...87 Abb.44:RaumfüllendesGeschwindigkeitsmodelldesnördlichenOberrheingrabens

7 Abb.45:KartedermagnetischenTotalfeldanomalienimBereichdesOdenwald...90 Abb.46:UnsicherheitenderFlächeTopRotliegend...93 Abb.47:TemperaturTiefenverteilungderUntergrundtemperaturdaten...96 Abb.48:AnzahlderTemperaturmessungen...97 Abb.49:LagederzurErstellungdesTemperaturmodelsbenutztenTemperaturmessungen...98 Abb.50:SemivariogrammderTemperaturdateninhorizontalerRichtung...99 Abb.51:SemivariogrammderTemperaturdateninvertikalerRichtung...99 Abb.52:TiefenlagederMohorovicicDiskontinuitätimwestlichenEuropa Abb.53:RegressionspolynomzurBestimmungdesgeothermischenGradienten Abb.54:Abweichungdes Mohotemperaturmodells vondengemessenentemperaturdaten Abb.55:ZellendesTemperaturgrids Abb.56:TemperaturineinembisvierKilometernTiefe Abb.57:PlattentektonischesModellzurEntstehungdermitteleuropäischenVarisziden Abb.58:PaläogeografiedesspätenPräkambriumsbisfrühenKarbons Abb.59:GliederungderVarisziden(Klügel,1997) Abb.60:GeologischeSchnittedurchdasRhenoherzynikumunddieNördlichePhyllitZone Abb.61:LagederBohrungen,geologischenProfilschnitteundgeologischenKarten Abb.62:WärmeleitfähigkeitvonmetamorphenundplutonischenGesteinen Abb.63:BoxWhiskerPlotsfürdieWLFderGesteinederMitteldeutschenKristallinschwelle Abb.64:BoxWhiskerPlotsfürdieTLFderGesteinederMitteldeutschenKristallinschwelle Abb.65:BoxWhiskerPlotsfürdiespez.WKderGesteinederMitteldeutschenKristallinschwelle.116 Abb.66:DurchlässigkeitendeskristallinenGrundgebirges Abb.67:BoxWhiskerPlotsfürdieWLFdesRhenoherzynikumsundderNördlichenPhyllitZone..121 Abb.68:BoxWhiskerPlotsfürdieTLFdesRhenoherzynikumsundderNördlichenPhyllitZone Abb.69:BoxWhiskerPlotsfürdiespez.WKderGesteinedesRhenoherz.undderPZ Abb.70:VergleichderGebirgsundGesteinspermeabilitäten Abb.71:PaläogeografischeKartedesRotliegend Abb.72:VerbreitungdesRotliegendimnördlichenOberrheingraben Abb.73:ChronostratigrafischeÜbersichtstabelledesRotliegend Abb.74:BoxWhiskerPlotsfürdiePorositätundGesteinspermeabilitätdesRotliegend Abb.75:LagederBohrungenimRotliegendmitauswertbarenhydraulischenTestdaten Abb.76:GesteinsundGebirgspermeabilitätendesRotliegend Abb.77:MittelwertederGesteinsundGebirgspermeabilität Abb.78:MittelwertederGesteinspermeabilitäten Abb.79:MittelwertederGebirgspermeabilität Abb.80:VergleichderGesteinsundGebirgspermeabilitätendesRotliegend Abb.81:PaläogeografischeKartedesspätenZechstein Abb.82:PaläogeografiedesBuntsandsteins Abb.83:VergleichderGebirgsundGesteinspermeabilitätenfürdenBuntsandstein Abb.84:PaläogeografischeFazieskartendesMuschelkalk Abb.85:PaläogeografischeKartenvonUnterjurabisOberkreide Abb.86:PaläogeografischeKartendesTertiär Abb.87:DaseuropäischekänozoischeGrabenbruchsystem Abb.88:LithostratigrafischeTabelledesTertiärsundQuartärs Abb.89:BoxWhiskerPlotsfürdiePorositätundGesteinspermeabilitätdesTertiärs Abb.90:BlickaussüdlicherRichtungaufdasRotliegendFormationsgrid

8 Abb.91:BlickaufdasGesamtgrid Abb.92:SpezifischeundvolumetrischeWärmekapazität Abb.93:ModellvorstellungzudenEinflüsseneinerStörungszone Abb.94:RezenteHauptspannungsrichtungnachDatenderWorldStressMap Abb.95:DieRaumlagederModellstörungeninBezugzurrezentenHauptspannungsrichtung Abb.96:VorgehensweisebeidergeothermischenPotenzialbestimmung Abb.97:SchemazurAusweisungvonPotenzialendurchMultiparameterGrids Abb.98:AusschnittausdemProgrammzurPotenzialermittlung Abb.99:ReziprokeBewertungsmatrix Abb.100:ExemplarischePotenzialkurvefürdieTemperatur Abb.101:BeispieldarstellungenfürPotenzialkurven Abb.102:FlussdiagrammderPotenzialbestimmungjederZelledes3DModells Abb.103:GeologischgeothermischerSüdNordSchnitt Abb.104:KartendesgeothermischenPotenzials Abb.105:Ausschnittdesgeologischgeothermischen3DModellsvonHessen

9 Tabellenverzeichnis Tabelle1:KombinationenvonStandardszurBestimmungderTemperaturleitfähigkeit...43 Tabelle2:DatengrundlagethermophysikalischerGesteinseigenschaftenHessens...63 Tabelle3:DatengrundlagederKWDatenbankfürHessen...65 Tabelle4:BewertungklassenderSicherheitdesModells...94 Tabelle5:QualitätsgewichtungderTemperaturdaten...96 Tabelle6:ErgebnissederAuswertungderGesteinseigenschaftendeskristallinenGrundgebirges..113 Tabelle7:ErgebnissefürdieGesteinseigenschaftendesmetamorphenGrundgebirges Tabelle8:ErgebnissederAuswertungderGesteinseigenschaftendesRotliegend Tabelle9:ErgebnissederAuswertungderGesteinseigenschaftendesRotliegend(PoroPerm) Tabelle10:ErgebnissederAuswertungderGesteinseigenschaftendesBuntsandstein Tabelle11:ErgebnissederAuswertungderGesteinseigenschaftendesBuntsandstein(PoroPerm).145 Tabelle12:GebirgsdurchlässigkeitendesBuntsandsteinsOsthessens Tabelle13:GesteinsabhängigeKorrekturkoeffizienten Tabelle14:GewichtungvonEigenschaftenfürdietiefengeothermischePotenzialausweisung Tabelle15:ZufallsconsistenzindizesfürreziprokeMatrizen Tabelle16:KlassifikationderPotenzialgrademitbeschreibendenPotenzialbegriffen Tabelle17:GrenzwertederthermophysikalischenundhydraulischenKennwerte Tabelle18:BewertungsmatrizenfürhydrothermalesundpetrothermalesPotenzial Tabelle19:SummarischeDarstellungdestechnischenPotenzialszurStromerzeugung

10 1 Einleitung DieHessischeEnergiepolitikhatsichnachAngabendesHessischenMinisteriumsfürUmwelt,Ener gie,landwirtschaftundverbraucherschutz(hmuelv)zweikonkretezielegesetzt: den Endenergieverbrauchbis2020umeinFünftelzusenkenundzwardurchMinimierung desprimärenergieeinsatzesundeinerrationellenenergienutzungund den Anteil an erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch erheblich zu erhöhen. Die erneuerbarenenergiensollenbiszumjahr2020einenanteilvon20%amendenergieverbrauch(oh nedenverkehrssektor)einnehmen. ZurSteigerungdesAnteilsdererneuerbarenEnergienisteinestärkereNutzungderSolarenergie,der Biomasse,derWasserundWindkraftsowiederErdwärmeerforderlich.UmdasZiel 20Prozentaus erneuerbarenenergien zuerreichen,müssen21terawattstundenprojahraussonne,wind,bio masse, Wasserkraft und Geothermie gewonnen werden. Dabei liegt das Ausbauziel für die Geothermiebei1TWh/a. ImJahr2005stelltederHessischeLandtagfest,dassinsbesondereimBereichdeshessischenOber rheingrabensdaspotenzialbesteht,ummittiefergeothermiestromerzeugenzukönnen.grundlage für diese Einschätzung war der Sachstandsbericht des BundestagsAusschusses für Bildung, For schung und Technikfolgenabschätzung zu den Möglichkeiten geothermischer Stromerzeugung in Deutschland vomfebruar2003(tabarbeitsberichtnr.84,paschenetal.2003). Der hessische Landtag forderte daher die Landesregierung auf, die Potenziale der Geothermie im HessischenOberrheingrabensystematischzuerfassenundgemeinsammitdenrelevantenAkteuren in Wissenschaft und Wirtschaft der benachbarten Bundesländer und des Bundes ein Konzept zur NutzungderGeothermieimOberrheingrabenzuerarbeiten. Dasdaraufhingegründete KompetenznetzwerkGeothermieinHessen,gebildetausVertreterndes WirtschaftsundUmweltressorts,demHLUG,derBergbehördebeimRPDarmstadt,HessenEnergie sowiedesinstitutsfürangewandtegeowissenschaftendertudarmstadtundderhochschuledar mstadt,nahmzunächsteinebestandsaufnahmevorhandenerdatenüberdentiefenuntergrundund deskenntnisstandszurnutzungtiefergeothermievorundstelltediesebereitsfrühzeitigiminternet (HLUGHomepage,ab2005)undingedrucktenPublikationendar(HLUG,2006).EinintensiverAus tausch und eine Zusammenarbeit mit anderen Bundesländern entstand gleichzeitig über die Mit gliedschaftdeshlugimpersonenkreis TiefeGeothermie derstaatlichengeologischendienste,der BGRunddesLeibnizInstitutsfürangewandteGeophysik(LIAG). Innerhalb des Hessischen Kompetenznetzwerks Tiefe Geothermie wurde schon sehr früh die Er kenntnisgewonnen,dassmitdenvorhandenendatengrundlagenbeiintensivererauswertungund mitdergewinnungzusätzlicherdateneineweitausbessereeinschätzungdestiefengeothermischen Potenzialsmöglichwäre.DieFachexpertengelangtenebenfallszurÜberzeugung,dassnichtnurder Oberrheingraben, sondern ganz Hessen in die Betrachtungen einzubeziehen sei und dass in ganz HesseneinePotenzialbewertungsowohlhinsichtlichderStromerzeugungmitTieferGeothermie,als auch der Wärmenutzung sinnvoll sei. Hierbei sollten alle Nutzungsarten (hydrothermale Nutzung, petrothermalenutzungundtiefeerdwärmesonden)berücksichtigtwerden. ImGegensatzzuTemperaturdaten desuntergrundeswarenzu diesemzeitpunktdatensowohlzu hydraulischenalsauchzugeothermischenparameternnuräußerstspärlichvorhanden.jededirekte tiefengeothermische Nutzung ist außer der Temperatur ganz wesentlich von der zu erreichenden 10

11 FördermengeundReinjektionsmengedesWärmeträgermediumsWasserauseinemZielhorizontund vonderwärmenachlieferungausderumgebungindenentnahmebereichabhängig.diefürdiege samtbetrachtungdestiefengeothermischenpotenzialswichtigenparameterporosität,permeabilität, WärmeleitfähigkeitundnichtzuletztGeologieundStrukturdesUntergrundeswarenmitderUnter grundtemperaturineinenzusammenhangzubringen,umeinepotenzialbewertungineinerräumli chendimensionvornehmenzukönnen. DiesenAnspruchverwirklichtdasForschungsundEntwicklungsprojekt 3DModelldergeothermi schentiefenpotenzialevonhessen (kurz Hessen3D ),dessenendberichthiermitvorgelegtwird. DasInstitutfürAngewandteGeowissenschaftenderTUDarmstadt(IAG)legtedemseinerzeitzustän digen Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung (HMWVL) am ein Angebot für das Projekt vor, das auf einer zwischen IAG und HLUG abgestimmten fachlichenkonzeptionberuht. DerVertragzwischendemIAGalsAuftragnehmer,demHLUGalsProjektpartnerunddemHMWVL als Auftraggeber wurde im Dezember 2007 von den Beteiligten unterzeichnet. Seinerzeit war eine ProjektlaufzeitbisEnde2010vorgesehen.Anfang2010wurdedeutlich,dasseineVerlängerungder BearbeitungszeitbisMitte2011sinnvollist.ImgegenseitigenEinvernehmenderProjektpartnerwur denzurfinanzierungdieserzusätzlichenarbeitennichtverbrauchtemittelverausgabt,dieursprüng lichzumkaufundzurreprozessierungseismischerdatenvorgesehenwaren,unddieprojektlaufzeit wurdebisendejuni2011verlängert.somitistdasmodell Hessen3D nunentwickeltundkannder ÖffentlichkeitzurVerfügunggestelltwerden. Esistdaserste3DModellinDeutschland,dasdentiefenUntergrundfüreinkomplettesBundesland geologischundstrukturellerfasstunddiesenmitnutzungsbezogenenkennwertenbelegt,wodurch eineabschätzungdestiefengeothermischenpotenzialsermöglichtwird.dasmodellerlaubtes,zur InformationderÖffentlichkeit,fürdiepolitischenEntscheidungsträger,fürInvestorenausderWirt schaftundinsbesondereinderfrühphasederplanungtiefengeothermischerprojekteauchfürfach planeranschaulicheinformationenzumtiefengeothermischenpotenzialundzurausbildungdestie ferenuntergrundesvonhessenbereitzustellen.dasmodellkannundsollabernichtdiedetaillierten Untersuchungen,dieimRahmenkonkreterProjektenotwendigsind,ersetzen. Durch eine Betrachtung nicht nur des geogen vorhandenen tiefengeothermischen Potenzials, son dern mittels einer Verschneidung mit konkurrierenden Nutzungen (Schutzgebiete, Verkehrswege etc.),möglicherisiken(seismizität)undenergiebedarfsanalysen(z.b.kartederwärmesenken)sind weitergehendeaussagenzurstandortvorauswahltiefengeothermischeranlagenmöglich.durcheine an das Geothermische Informationssystem für Deutschland (GeotIS) angelehnte Methodik der Po tenzialbetrachtungistzudemeindatenaustauschzwischendensystemenmöglich. Das3DModellHessenkannabernichtnurinHinsichtaufdieNutzungtieferGeothermie,sondern auchallgemeinvonwesentlicherenergiepolitischerbedeutungsein.sokönnenz.b.hinweisezuspe ziellenfragestellungenimzusammenhangmitweiterenhochaktuellenthemenwiederspeicherung von Stoffen im tiefen Untergrund (CCS, Erdgas, Methan, Wasserstoff, Druckluft) oder der Nutzung nichtkonventionellerkohlenwasserstofflagerstätten("tightgas"und"shalegas"lagerstätten)mit dem 3DModell Hessen geliefert werden. Das 3DModell ist für spezielle Fragestellungen erweite rungsfähigundwirdinzukunftnachgewinnungneuerdatenlaufenderweitertundverfeinertwer den. 11

12 Abb.1:GeneralisiertegeologischeKartevonHessen.DargestelltsinddiemodelliertengeologischenEinheiten sowiestädteundflüssealsorientierungshilfe. 12

13 1.1 VorgehensweiseundZiele Das Projekt 3DModell der geothermischen Tiefenpotenziale von Hessen (Hessen 3D) soll dazu dienen,dietiefengeothermischenpotenzialehessensgenauerzuerfassen.dasprojektumfasstdie ErarbeitungeinergeothermischenDatenbankgrundlageeinschließlichderBestimmungvonthermo physikalischenkennwertenhessischergesteine,wieu.a.permeabilitätundwärmeleitfähigkeit,die EinfügungderDatenineinstrukturelles3DModellderGeologievonHessenunddieDarstellungder ErgebnissefürdieÖffentlichkeit. AmInstitutfürAngewandteGeowissenschaftenistdasFachgebietAngewandteGeothermiefürdie ErstellungdesGesamtprojektesfederführendverantwortlich.DieErstellung desdreidimensionalen geologischenmodellsvonhessenerfolgtdurchdasfachgebietgeoressourcen&georisiken.die wissenschaftlicheprojektbearbeitungerfolgtinzweiteilprojekten: GeologischesModell BearbeiterimRahmeneinerDissertationistDipl.Ing.DirkArndt,Fach gebietgeoressourcen&georisiken,prof.dr.andreashoppe GeothermischesModell BearbeiterimRahmeneinerDissertationistDipl.Ing.KristianBär, FachgebietAngewandteGeothermie,Prof.Dr.IngoSass DadastechnischeEntwicklungspotenzialfürpetrothermaleNutzungensogroßist,dasssichneben der Abbildung der hydrothermalen Potenziale auch die Abbildung der entsprechenden geothermi schenpotenzialefürpetrothermalesysteme,auchenhanced(engineered)geothermalsystems(egs) bzw."hotdryrock"systemegenannt,anbietet,sollendurchdasgeothermischemodellalleformen dertiefengeothermischennutzungberücksichtigtwerden.desweiterensollendieentsprechenden Potenziale für geschlossene Systeme wie tiefe Erdwärmesonden und störungsbezogene Systeme untersuchtwerden,sodassdiepotenzialermittlungimidealfallinsgesamtfürvierverschiedenenut zungssystemeerfolgenkann. Umdieszuermöglichen,werdenalletiefengeothermischrelevantengeologischenEinheitenmitfür dietiefegeothermiewichtigenkennwerten,wiegesteinsundgebirgspermeabilitäten,wärmeleit fähigkeiten, Temperaturleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten sowie weiteren relevanten Parame ternattributiert,umeineabschätzungfüralleformendertiefengeothermischennutzungzuermög lichen(kapitel3und4.3).dabeiistjedochzuberücksichtigen,dassfürdieverschiedenennutzungs systemedieeinzelnenparametervonunterschiedlicherrelevanzsind(kapitel5). SosindfürhydrothermaleSystemebeispielsweisedienatürlichenhydraulischenEigenschaftendes Untergrundes wie Permeabilität, Porosität und Transmissibilität von größerer Bedeutung als für petrothermale Systeme. Die thermophysikalischen Gesteinseigenschaften Wärmeleitfähigkeit und TemperaturleitfähigkeitsindhingegenfürindirekteSystemewieTiefeErdwärmesondenvonwesent lichgrößererbedeutungalsfürhydrooderpetrothermalesysteme.derverlaufunddietiefegröße rerstörungssystemesowiederenorientierungzumspannungsfeldsindunteranderemdiemaßgeb lichen Parameter für störungsbezogene Systeme. Da Störungen und deren durch ihre Lage zum Spannungsfeld gegebene Wasserwegsamkeit aber auch bei hydro und vor allem petrothermalen SystemeneinenentscheidendenEinflussaufdasPotenzialhaben,sindsieauchfürdieseNutzungsar tenvonrelevanz(siehekapitel4und5). FürdasgeothermischeModellistinsbesonderedieAusweisungvonStörungszonennotwendig,wel che in Abhängigkeit vom Abstand zur Störungszone insbesondere bei der Zuweisung von 13

14 Gebirgspermeabilitätenfürdiegestörten,inderStörungsumgebungstärkergeklüftetengeologischen Schichtenwichtigsind. Zusätzlich zu der Einbeziehung von Störungszonen in die geothermische Potenzialbetrachtung ist eine teufen und temperaturbezogene Korrektur der Gesteinskennwerte vorzusehen. Mit zuneh mendertiefesteigtzumeinendieauflastdurchüberlagerndegesteine,d.h.diegesteinspermeabili tätwirdreduziert,undzumanderendietemperatur,diewiederumentscheidendeneinflussaufdie Wärmetransporteigenschaften der Gesteine hat. Dies bedeutet, dass die oberflächennah im Auf schlussoderbohrungenermitteltengesteinskennwertemitbekanntenoderauseigenenmessungen abgeleiteten Korrekturformeln auf Reservoirbedingungen (Druck und Temperatur) umgerechnet werdenmüssenundsichdiegeothermischenkennwerteeinergesteinseinheitmitdertiefesover ändern,dassdiegeothermischeeignungindertiefeandersist,alsvondenoberflächennahermittel tenwertenherzunächstzuerwartengewesenwäre. AnhanddesmitgeothermischenKennwertenattributierten3DModellssowiedererarbeitetenMe thodikzurpotenzialbestimmungkanndannabschließenddaspotenzialfür dieverschiedenengeo thermischen Nutzungssysteme ermittelt und unter Berücksichtigung geologischen und geothermi schenfachwissensbeurteiltwerden(kapitel5und6). 14

15 1.2 Öffentlichkeitsarbeit Seit2006wurdeninZusammenarbeitvonHMUELV,hessenENERGIE,TUDarmstadt,undHLUGfünf TiefengeothermieForen durchgeführt, auf denen neben anderen Fachvorträgen zur Tiefen GeothermieregelmäßigdieaktuellenZwischenständedesProjektespräsentiertwurden(AnhangA). Das6.TiefengeothermieForumzudenThemenReservoireundErschließungfindetam imjustusliebighausindarmstadtstatt.alsfortführungundergänzungzudenpräsentationender ProjektzwischenständeindenvergangenenJahrenwird2011einwissenschaftlicherBerichtüberdie AbschlussergebnissedesProjektespräsentiertwerden. DesWeiterenwurdendieZwischenergebnissemitnationalerundinternationalerAnerkennungdes Fachpublikums auf dem World Geothermal Congress 2010 in Bali (Bär et al., 2010), der European Geoscience Union 2011 in Wien (Bär et al., 2011), der gemeinsamen Jahrestagung der Deutschen GeologischenGesellschaft(DGG)undGeologischenVereinigung(GV)derGeoDarmstadt2010(Arndt etal.2010undbäretal.2010),sowiedemgeothermiekongress2010inkarlsruhevorgestellt.au ßerdemwurdedasProjektaufdemGeORGWorkshopinFreiburg(Krachtetal.2010),aufderTagung der Fachsektion Hydrogeologie der Deutschen Geologischen Gesellschaft (Fritsche & Kracht 2010) sowie dem 2. Workshop zur 3DGeologie in den Staatlichen Geologischen Diensten in St. Quirin (Arndtetal.2010)präsentiert. ImJahr2011wurdenTeiledesProjektesaufnationalerEbeneaufder18.TagungfürIngenieurgeolo giemitforumfürjungeingenieurgeologenvorgestellt.weiteretagungsbeiträgewurdenfürdiein ternationalekonferenz"fragileearth"dergsagvdggsowiederinternationalenkonferenzund AusstellungderAAPGeingereichtundsindbereitsangenommen.ZusätzlichePräsentationensindfür dendeutschengeothermiekongressdergtvgeplant. AllehiergenanntenBeiträgesindinAnhangAabgelegt. 15

16 2 GrundlagenderTiefenGeothermie Grundlagen der Tiefen Geothermie wurden durch den Personenkreis (PK) Tiefe Geothermie zu sammenfassend dargestellt, der auf Veranlassung des BundLänderAusschusses Bodenforschung (BLAGEO)überdieAdhocAGGeologiezumThema NutzungdestiefengeothermischenPotenzials imjahre2005eingerichtetwurdeundu.a.dieaufgabenhatte,einearbeitshilfefürdienutzungder geothermischenenergieausdemtiefenuntergrund(pktiefegeothermie2007)zuerarbeiten,ein VerzeichnisgeothermischerNutzungenfürDeutschlandzuerstellen,alswissenschaftlicherBeiratdas entstehende Projekt GeotIS (Geothermisches Informationssystem für Deutschland, fassendenwichtigendatenbzw.parameterzudefinieren.außerdemsolltendiehierfürrelevanten Untersuchungsmethodenundverfahrenskizziertwerden(PKTiefeGeothermie2008).BeideBerich te sind auf der Homepage der Staatlichen Geologischen Dienste ( DieseArbeitshilfengebeneinenÜberblicküberGrundlagen,Verfahren,DatenundPlanungsschritte für Projekte in der tiefen Geothermie und stellten auch die Grundlage der Broschüre "Tiefe Geothermie Nutzungsmöglichekeiten in Deutschland", die vom Bundesministerium für Umwelt, NaturschutzundReaktorsicherheitinAuftraggegebenwurde(Stoberetal.2009)darundsindauch im Endbericht zum Projekt "Aufbau eines geothermischen Informationssystems für Deutschland" (GeotIS)(Schulzetal.,2009)abermalsdargestellt.Zielwarunteranderem,dieimSachstandsbericht desbundestagsausschussesfürbildung,forschungundtechnikfolgenabschätzungzuden Möglich keitengeothermischerstromerzeugungindeutschland vomfebruar2003(tabarbeitsberichtnr. 84, Paschen et al. 2003) beschriebenen tiefengeothermischen Potenziale genauer zu untersuchen undkonkretenutzungsmöglichkeitengenauereinschätzenzukönnen.indenobengenanntenarbei ten werden die für die Nutzung eines tiefengeothermischen Systems relevanten geothermischen, hydraulischen und hydrochemischen Parameter sowie die darüber hinaus benötigten spezifischen UntergrunddatenerläutertunddiejeweiligenUntersuchungsmethodenbeschrieben.DieseArbeiten stellenauchdiegrundlagefürdiefolgendeneinführendenerläuterungenderkapitel2.1bis2.3dar. 2.1 Begriffsbestimmungen GeothermischeEnergieistdieinFormvonWärmegespeicherteEnergie unterhalbderoberfläche derfestenerde(vdirichtlinie4640).synonymverwendetwirderdwärmeoderauchgeothermie. ErdwärmestehtgenerellüberallundjederzeitzurVerfügung.BeisachgerechterBewirtschaftungistsieprak tisch unerschöpflich. Zu einem geringerenteil (~30%) entstammt dieerdwärmeder Gravitationswärme aus derentstehungdererdevorca.4,5mrd.jahren.dergrößereteil(~70%)istaufdenradioaktivenzerfallvon Uran,ThoriumundKaliumisotopeninderErdkrustezurückzuführen.DieTemperatursteigtmitderTiefeim Mittelum3Kpro100man.DieseTemperaturzunahmeproTeufenabschnittwirdalsTemperaturgradientbzw. geothermischergradientbezeichnetundinmk/mgemessen,wasumgangssprachlichderangabein Cprokm entspricht. Dieser Gradient wird durch den Wärmestrom aus der Tiefe an die Erdoberfläche verursacht. Die WärmestromdichtebeträgtinDeutschlanddurchschnittlichetwa70mW/m ².,(PKTiefeGeothermie,2007). Die Temperaturverteilung im Untergrund ist nicht einheitlich. In Deutschlandgibtes Gebiete, in denender TemperaturgradientgegenüberdemDurchschnittswertwesentlicherhöhtist.InmanchenBereichendesOber rheingrabens,imgebietvonbadurachamfußderschwäbischenalb,beilandshutinbayernoderineinzelnen BereichenimNorddeutschenBeckennimmtdieTemperaturum5K,teilweisesogarüber10Kpro100mzu.In diesenbereichenliegensogenanntepositivetemperaturanomalienvor.diesegrößenordnungdertempera 16

17 turzunahme findet sich auch im hessischen Teil des nördlichen Oberrheingrabens. Für die Nutzungder geo thermischenenergiehatdiesdenvorteil,dassdiegewünschtetemperaturbereitsingeringerertiefeerreicht wirdunddadurchniedrigerebohrkostensowiegeringereinvestitionskostenanfallen.,(pktiefegeothermie, 2007). GeothermischeSystemelassensichunterverschiedenenGesichtspunktenklassifizieren.Wennman gleichzeitigdietiefe,bzwdietemperaturderwärmegewinnungunddievondernatürlichendurch lässigkeit abhängige Nutzungsart der geothermischen Energie berücksichtigen will, bietet sich die Unterteilung in oberflächennahe und tiefe Geothermie an (Abb. 2). Diese Unterscheidung ist auch deshalbsinnvoll,weilnebenverschiedenentechnikenzurenergiegewinnungunterschiedlichegeo wissenschaftliche Parameter zur Beschreibung der Nutzungsarten erforderlich sind., (PK Tiefe Geothermie,2007). Abb.2:EinteilungdergeothermischenSysteme(links)undNutzungsartenunterVerwendungderinKapitel5 verwendeten Potenzialfarbklassen (rechts) nach Reservoirtemperatur und permeabilität (Ohne Berücksichti gung weiterer geologischer Parameter oder der Tiefenabhängigkeit thermophysikalischer oder hydraulischer Reservoireigenschaften). DiefolgendenDefinitonenderNutzungsartenentstammenmitgeringfügigenErgänzungender Ar beitshilfe für die Nutzung der geothermischen Energie aus dem tiefen Untergrund (PK Tiefe GeothermiederstaatlichenGeologischenDiensteDeutschlands,2007): Bei der oberflächennahen Geothermie wird die geothermische Energie dem oberflächennahen Bereich der Erde(meistensbis150m,max.bis400mTiefe)entzogen,z.B.mitErdwärmekollektoren,Erdwärmesonden, GrundwasserbohrungenoderEnergiepfählen(vgl.VDIRichtlinie4640).EineenergetischeNutzungisthiernur mitwärmepumpenmöglich.direktheizungenimniedrigsttemperaturbereich(z.b.heizungvonweichen)über HeatPipesbspw.mitCO²alsWärmeträgermediumsindinderEntwicklung. DietiefeGeothermieumfasstSysteme,beidenendiegeothermischeEnergieüberTiefbohrungenerschlossen wirdundderenenergiedirekt(d.h.ohneniveauanhebung)genutztwerdenkann. NachdieserDefinitionbeginntdietiefeGeothermiebeieinerTiefevonmehrals400mundeinerTemperatur über20 C.Allgemeinüblichistallerdings,vontieferGeothermie(imeigentlichenSinnderHeizwärmenutzung 17

18 undstromerzeugung)erstbeitiefenüber1000mundbeitemperaturengrößerals60 Czusprechen.Einen SonderfallstellenBereichemitaufsteigendenThermalwässerndar(z.B.Aachen,BadenBaden,Wiesbaden). ZurtiefenGeothermiegehörenfolgendeSysteme,diedurchdieEnthalpiedefiniertwerden.Dabeibezeichnet EnthalpiedenWärmeinhalt.SieisteinMaßfürdieEnergieeinesthermodynamischenSystems. HydrothermaleSystememitniedrigerEnthalpie: Überwiegend Nutzung des im Untergrund vorhandenen Wassers aus Reservoirsystemen mit ausrei chendernatürlicherdurchlässigkeit;sieerfolgtmeistdirekt(ggf.überwärmetauscher),zurspeisung vonnahundfernwärmenetzen,zurlandwirtschaftlichenbzw.industriellennutzungoderfürbalneo logischezwecke;abca.100 CisteineVerstromungmöglich.Beispielesind: o o Aquifere(Grundwasserleiter)mitheißem(>100 C),warmem( C)oderthermalem(> 20 C)Wasser(Kapitel2.2.1) Störungen bzw. Störungszonen im gleichen Temperaturbereich. Potenzial für Deutschland abgeschätzt(jungetal.2002),realisierungbisherfürenergetischenutzungnichterfolgt(ka pitel2.2.2) HydrothermaleSystememithoherEnthalpie: NutzungvonDampfoderZweiphasensystemenzurStromerzeugung;inDeutschlandnichtvorhanden. PetrothermaleSysteme: ÜberwiegendNutzungderimGesteingespeichertenEnergieohneausreichendhohenatürlicheDurch lässigkeitdesreservoirgesteins.beispielefürdiesenutzungssystemesind: o o HotDryRockSysteme(HDR):EshandeltsichhierbeiumeineEnergiegewinnungausdemGe steinselbst;sieistalsoweitgehendunabhängigvonnatürlichenwasserführendenstrukturen. Das heiße Gestein (häufig das kristalline Grundgebirge) wird als Wärmetauscher genutzt. HDRSystemewerdenprimärzurStromerzeugungeingesetzt(Kapitel2.2.3). TiefeErdwärmesonden(EWS):EnergienutzungauseinerbeliebigenGesteinsabfolgemitge schlossenemkreislaufdeswärmeträgermediumsindersonde;dientbishernurzurwärme versorgung(kapitel2.2.4). EinweitererBereichdertiefenGeothermieistdieNutzungdergeothermischenEnergieausBergwerken,Ka vernen,tunnelnsowiediespeicherungvonenergieinhydrooderpetrothermalensystemen,derimrahmen diesesprojektesjedochnichtberücksichtigtwurde.,(pktiefegeothermie,2007). 18

19 2.2 TiefeGeothermischeSysteme HydrothermaleSysteme BeiderhydrothermalenNutzungwirdWasseraustiefenGrundwasserleiterngefördert;übereinenWärme tauscherwirddiesemdiewärmeentzogen.dasabgekühltewasserkönnteimprinzipbeigeringermineralisa tionübertage(abwassersystem,vorfluter)abgeleitetwerden.meistensmussaberdasabgekühltewasserzur Erneuerung (Recharge) oder wegen hoher natürlicher Mineralisation aus entsorgungstechnischen und aus wasserrechtlichen Gründen in denselben Grundwasserleiter in einer bestimmten Entfernung zur Entnahmebohrungzurückgegeben(injiziert)werden.EinderartigesSystembestehtdaherauseinerFörderund einerinjektionsbohrung(dublette).grundsätzlichisteinekombinationvonmehrerenförderundinjektions bohrungenmöglich.,(pktiefegeothermie,2007). FürdieseNutzungsartkommenGrundwasserleiterinFrage,diehoheDurchlässigkeitenaufweisen.Derent scheidendeparameternebendertemperaturdesgrundwasserleitersistdieergiebigkeit,d.h.diezuerzielen de Förderrate bei einer noch (wirtschaftlich und technisch) zu vertretenden Absenkung (Druckentlastung). DieserParameterlässtsichalsProduktivitätsindexdefinieren,deri.d.R.fürBohrungennichtdirektbestimmt wirdundderflächenhaftnurindirektausweitereneigenschaftendesgrundwasserleitersabgeleitetwerden kann.,(pktiefegeothermie,2007). 0 m Geothermie- Kraftwerk 1000 m 2000 m 3000 m 4000 m Abb.3:SchematischeDarstellungeinerhydrothermalenDublettemiteinerInjektionsbohrung(blau)undeiner Produktionsbohrung(rot). 19

20 DaimRahmendesProjektesnurnatürlichegeothermischePotenzialebetrachtetwerden,sindnur solchegesteinefürdiehydrothermalenutzungsartgeeignet,dievonnaturauseinedurchlässigkeit aufweisen, die zur Erreichung der nötigen Ergiebigkeiten ausreichend ist. Ist dies nicht der Fall, kommteinehydrothermalenutzungnuruntereinsatztechnischerverfahren(stimulationsverfahren) zurerhöhungderdurchlässigkeitinfrage. DaTiefenwässerhäufigeinehoheMineralisationundhoheGasgehalteaufweisen,istdieReinjektionderge förderten Wässer auch aus entsorgungstechnischen Gründen notwendig. Aus hydrogeologischer Sicht ist es problematisch,wenndieinjektionnichtindenselbengrundwasserleitererfolgt,ausdemproduziertwird(feh lendegrundwasserneubildung,potenzielleausfällungen),dasonstdiedruckverhältnisseimgrundwasserleiter dauerhaftundgroßräumigverändertwerden.,(pktiefegeothermie,2007). DasklassischeSystemeinerDublettebestehtauszweiVertikalbohrungeninentsprechenderEntfer nungzueinander(abb.3).heutewerdenförderundinjektionsbohrunghäufigvoneinembohrplatz ausabgeteuft,wobeidernutzhorizontdurchabgelenktebohrungenerschlossenwird(stoberetal. 2009).DiehydraulischeAnbindungandenGrundwasserleiteristdabeioftgünstigeralsbeiVertikal bohrungen. Die übertägige Anlage benötigt zudem weniger Platz. Alle technischen Einrichtungen könnenaneinemortinstalliertwerdenundlangeübertägigeverbindungsleitungenwerdenvermie den(pktiefegeothermie,2007). Die Technik der hydrothermalen Nutzung mittels Dubletten ist weitgehend ausgereift. Besonders in Frank reich,aberauchinitalien,polen,österreichoderdeutschland(z.b.neustadtglewe,waren,neubrandenburg, inderumgebungvonmünchenundinlandau(pfalz))existierenbereitsseiteinigenjahren,teilweiseseitjahr zehnten hydrothermale Anlagen. Das geförderte und nach der Abkühlung wieder injizierte Wasser zirkuliert übertägig in einem geschlossenen Kreislauf, der meist unter Druck gehalten werden muss, um Ausfällungen vonmineralenausdemhochsalinarenwasserzuverhindern.dasmithilfeeinertauchpumpeandieoberflä chegefördertethermalwasserwirdübereinenwärmetauschergeleitetunddiegewonnenewärmeineinen sekundärenkreislauf,beispielsweiseineinfernwärmenetz,eingespeist.,(pktiefegeothermie,2007). BeiTemperaturenüber100 CkannmittelszusätzlicherTechnologiendiemitderVerdampfungvon FlüssigkeitenmitniedrigemSiedepunktarbeiten,wiez.B.eineORCAnlage(OrganicRankineCycle) odereinekalinaanlage(wasserammoniakmischungalsarbeitsmedium),stromproduziertwerden (Abb.4).LängerepraktischeErfahrungenliegenjedochnurfürORCAnlagenvor.Miteinersolchen Technologiewirdseit2003inNeustadtGleweerfolgreichgearbeitet.EineweitereAnlageistinLan dauinderpfalzinstalliert;einekalinaanlageistinunterhachingbeimünchenimeinsatz(pktiefe Geothermie,2007). AlseinSonderfallderhydrothermalenGeothermienutzung,deraberimRahmendesProjektesnicht weiterberücksichtigtwurde,istnachpktiefegeothermie(2007)diebalneologischeanwendungvon TiefenwässerninThermalbädernzusehen.HierseiwegendergeringenFördermengeunddemdamit verbundenenentfallenderentsorgungsfrageeineeinzelne(produktions)bohrungausreichend. Für hydrothermale Systeme sind Gebirgspermeabilitäten die mit Abstand wichtigsten Kennwerte, WärmeleitfähigkeitensindnurvonuntergeordnetemInteresse,daderWärmetransportnahezuaus schließlich konvektiv in der primären Porosität (vgl. Gesteinspermeabilität) und in der sekundären Porosität(Trennflächengefüge,Verkarstungetc.:Gebirgspermeabilität)erfolgt.Fürdiequantitative BeurteilungderHydrauliksolcherSystemesindsogenannteDoppelPorositätsModellenötig,welche immervorallemdieangabedermatrixpermeabilität(wirdimprojektalsgesteinspermeabilitätge messen) und der Gebirgspermeabilität (wird durch die Auswertung hydraulischer Testdaten ermit telt)benötigen. 20

21 Abb. 4: Kraftwerksanlage des ORCKraftwerks in SoultzsousForêts während des Forschungsbetriebs 2008, verändertnach(kölbel,2009;groupementseuropéensd'intérêtéconomique(geie)"exploitationminièredela Chaleur,o.J.). 21

22 2.2.2 StörungsbezogeneSysteme Als störungsbezogene Systeme werden hydrothermale Systeme definiert bei denen gezielt tieflie gendestörungszonenerschlossenwerdenkönnenindereneinflussbereicheinehöheregebirgsper meabilitätzuerwartenist.indernutzungvonstörungszonenalsgeothermischesreservoirbesteht derzeitnochwenigerfahrung(pktiefegeothermie,2007).gemäßderarbeitshilfederstaatlichen GeologischenDienstekannihneneingroßesPotenzialzugerechnet(Jungetal.2002)werden,weilsie natürlichewasserwegsamkeitendarstellenkönnen,dieingroßetiefenreichenoderdiedurchlässig keitdesumgebendengesteinsstarkerhöhtseinkann.weiterhinkönnenstörungszonengrundwas serleiterinunterschiedlichentiefenlagenmiteinanderverbinden.hierbeiistjedochzuberücksichti gen, dass in Abhängigkeit vom Störungstyp, d.h. der Entstehung der Störung, den rezenten Span nungsverhältnissen,derpetrografiedesgestörtengesteinsaberauchdengeochemischenprozessen, diesestrukturensehrgutbisnichtdurchlässigseinkönnen.forschungen,dieeineeingrenzungder Unsicherheiten bezüglich der hydraulischen Eigenschaften von Störungszonen ermöglichen, stehen noch in der Anfangsphase. Diese Kenntnisse sind jedoch Voraussetzung dafür diesen Reservoirtyp planbarzumachen(pktiefegeothermie,2007).grundsätzlichistbeichemischstabilenundspröde reagierendengesteinen(z.b.quarzite,magmatischefestgesteine,etc.)mithoherbruchfestigkeitmit einerpositivenwirkungderstörungaufdiedurchlässigkeitzurechnen. Abb.5:SchematischeDarstellungeinerStörungszone(Philippetal.,2007).DieKernundBruchzonederStö rungszonekannjenachgesteinsartundorientierungdesspannungsfeldesgeschlossen(falla)undsomithyd raulischinaktivoderoffenundsomithydraulischaktiv(fallb)sein. GenerellsteigtbeiFestgesteinendieDurchlässigkeitderKlüfteundSchichtflächenzunächstmitstei gender tektonischer Beanspruchung und ist in der Umgebung von überregional bedeutsamen Stö rungenamhöchsten.diewahrscheinlichkeit,dassklüftefluideführen,wirdderzeitbeigeologisch jungenstrukturenhöhereingestuftalsbeiälterenstrukturen,welchehäufigerdurchausfällungen wieder verheilt sind (PK Tiefe Geothermie, 2007). Hier ist jedoch zu bedenken, dass auch ältere StrukturendurchjüngereÄnderungendesSpannungsfeldesreaktiviertundsomithydraulischwieder aktiviertwerdenkönnen.außerderausrichtungderstörungenzumrezentenspannungsfeld(abb.5) undderartdesdurchdiestörungdurchschlagenengesteinsmusszumjetzigenzeitpunktaufgrund mangelnder Detailuntersuchungen zum hydraulischen und mechanischem Verhalten von Störungs systemeninunterschiedlichengesteinstypendaraufverzichtetwerden,weitereparameterzurde 22

23 taillierteren Beschreibung zu definieren. Berücksichtigt wurde jedoch die generell positive Auswir kung von Störungssystemen auf die Gebirgsdurchlässigkeit tiefer Kluftgrundwasserleiter und somit aufbestehendehydrothermalenutzhorizonte(siehekapitel4.4.2). DietechnischeRealisierungfüreineenergetischeNutzungvonStörungssystemenistmeistensaufwendigund sehr stark von den geologischen Verhältnissen abhängig. Bei den natürlichen Thermalwasseraustritten, die überbohrungenbzw.brunnengefasstsindundzubalneologischenzweckengenutztwerden,handeltessich z.t. um Tiefenwässer, die auf solchen Störungszonen bis oder nahe zur Erdoberfläche aufsteigen und dort genutztwerden.,(pktiefegeothermie,2007). Beispiele in Hessen stellen die Heißwasseraufstiege in Wiesbaden, Bad Nauheim, Bad Salzhausen, u.a.dar. 23

24 2.2.3 PetrothermaleSysteme Gemäß der Definition aus der Arbeitshilfe der Staatlichen Geologischen Dienste (PK Tiefe Geothermie,2007)erfolgtbeipetrothermalenSystemendieGewinnungdergeothermischenEnergie aus dem tieferen Untergrund unabhängig von gut wasserdurchlässigen Horizonten. Dabei wird im wesentlichendieimheißen,geringwasserdurchlässigengestein("hotdryrock" HDR)gespeicher teenergiegenutzt.nebendemklassischenbegriff"hotdryrock"werdenauchdiebegriffe"deep HeatMining","HotWetRock","HotFracturedRock"oder"StimulatedGeothermalSystem"verwen det. Der umfassende Begriff "Enhanced Geothermal Systems" (EGS) beinhaltet in der klassischen Definition(Stoberetal.2009)auchstimuliertehydrothermaleSystemeundsollimRahmendesPro jektesallgemeinfürsystemeverwendetwerden,dieuntereinsatztechnischermaßnahmenverbes sertwurden.umdiesetechnischverbessertensystemevondennatürlichengeologischengegeben heitenabzugrenzen,werdenimrahmendesprojektesdiebegriffepetrothermalessystemundhyd rothermales System nur durch die natürlichen geologischen Bedingungen definiert. Die Trennung zwischenbeidensystemenerfolgtdannnurüberdienatürlichvorhandenengebirgspermeabilitäten inderzielformation(abb.2). 0 m Geothermie- Kraftwerk 1500 m 3000 m 4500 m 6000 m Heißes, gering durchlässiges bis undurchlässiges Gestein Abb.6:SchematischeDarstellungeinerpetrothermalenDublettemitInjektionsbohrung(blau),Produktionsboh rung(rot)undkünstlichgeschaffenemwärmetauscherzwischendenendpunktenderbohrungen,indenensich dasinjiziertewassererhitzenkann. 24

25 Im Folgenden wird zur Beschreibung der petrothermalen Nutzung die Darstellung des klassischen HDRVerfahrensgemäßderArbeitshilfederStaatlichenGeologischenDienste(PKTiefeGeothermie, 2007)mitgeringenÄnderungenundErgänzungenwiedergegeben. DasHDRVerfahrenhatHochtemperaturNutzungenmitTemperaturenvonmehrals Cmit (inderregel)tiefenvonmehrals3.000mzumziel(abb.6).zielhorizontistmeistensdaskristalline Grundgebirge.InwieweitdichteSedimentgesteinemitderHDRTechnikgenutztwerdenkönnen,ist GegenstandderForschungundvonPilotprojekten(u.a.Legarthetal.2003,Orzoletal.2005,Stober &Jodocy2009,Sulzbacher&Jung2010,Jodocy&Stober2011,Stober2011,Bäretal.2011).Solche dichtensedimentgesteinesindnachderimprojektbenutztendefinitionebenfallsalspetrothermale Systemezubetrachten. Abb.7:SchematischeDarstellungeinerHotDryRock(HDR)Anlage(GeopowerBaselAG,o.J.) Nach derzeitigem Kenntnisstand ist das kristalline Grundgebirge der oberen Erdkruste geklüftet. Die Klüfte sindz.t.geöffnet,mithochmineralisiertemwassergefülltundmiteinanderdurcheinkluftnetzverbunden,so dass grundsätzlich eine Wasserzirkulation möglich ist. Das kristalline Grundgebirge verhält sich also wie ein Grundwasserleiter mit (sehr) geringen Durchlässigkeiten (Kapitel 5). Nach Abteufen einer Bohrung werden durchdaseinpressenvonwasserdasnatürlichvorhandenekluftsystemgeweitetoderneueklüfte(fracs)ge schaffen.dienatürlichepermeabilitätwirderhöhtundzusätzlicheundbesserewasserwegsamkeitenwerden 25

26 erzeugt;dasgebirgewird stimuliert (Stimulation).UmdienotwendigenDurchflussratenundTemperaturen dauerhaftzuerzielen,mussdasrisssystemeinemindestgrößefürdiewärmeaustauschflächeaufweisenund dauerhaftgeöffnetbleiben.mitderzweitenbohrungmussderstimuliertebereichdurchteuftwerden.durch diesen Wärmetauscher oder Durchlauferhitzer schickt man Oberflächenwasser über Injektions und För derbohrungen,umdiegebirgswärmeaufzunehmen.beidiesemsystemistsomitwasserderwärmeträger,das GebirgedieWärmequelle.,(PKTiefeGeothermie,2007). FüreinHDRVorhabenistzunächstdieTemperaturunddamitdieBohrtiefeentscheidend.Umeinen wirtschaftlichenbetriebzuermöglichen,werdentemperaturenimbereichvon150bis200 Cange strebt.standortemiterhöhten Temperaturgradienten (InHessendas GebietdesnördlichenOber rheingrabens)sinddabeiauskostengründenvonbesondereminteresse.alsweitererwichtigerpa rametersinddiepetrophysikalischeneigenschaftendesgesteinsundsomitdiestandfestigkeitdes Gebirgeszunennen.SehrstarkgestörteBereichesolltenimGebietdergeplantenStimulationsstre ckenundzirkulationsbereichegemiedenwerden.desweiterensolltendiewasserverlusteinsnicht geothermischgenutztegebirgemöglichstgeringbzw.kontrollierbarseinundunter10%betragen. NachbisherigerKenntnis(PKTiefeGeothermie,2007)kannbeimHDRVerfahren.nurdasvorhande nekluftnetzwerkausgenutztwerden,sodassgebietemitmittlererbishohernatürlicherkluftdichte des Gebirges für die Erschließung vorzuziehen sind. Bereiche vollständiger Mylonitisierungen, d.h. einzerbrechendesgesteinsbisinkleinstekornfraktionen,sindunerwünschtundsolltengemieden werden. Das natürlich vorhandene Kluftsystem sollte relativ gleichmäßig verteilt sein, um bei den StimulationenunterdemvorgegebenenStressfeldeineoptimaleGrößefürdieWärmeaustauschflä chenzuerhalten(pktiefegeothermie,2007). Rybach(2004)fordertbeispielsweiseeineMindestgrößefürdieWärmeaustauschflächevonmehrals2km². Da granitische Gesteinsverbände i.a. wesentlich rigider auf eine tektonische Beanspruchung reagieren als metamorphegebirge,sindsiehäufigintensivergeklüftetunddaherdurchlässiger(stober,1995).erfahrungen beihdrprojektenhabengezeigt,dasssichdurchdiestimulationi.d.r.entsprechenddemvorherrschenden Stressfeld ein steil stehendes, ellipsoidförmiges Reservoir ausbildet. Die Reservoirgröße sollte nach Rybach (2004) mindestens 0,2km³ betragen. Daraus ergibt sich ein untertägiger Abstand bei einem ZweiBohrloch System von etwa 1000m bei einer Länge des unverrohrten Bohrlochabschnittes (OpenHole) von etwa 300m.,(PKTiefeGeothermie,2007). Bei den Stimulationsmaßnahmen sollte eine ausreichend große Durchlässigkeit generiert werden. Zu hohe Durchlässigkeit (niedrige Impedanz) birgt die Gefahr hydraulischer Kurzschlüsse und somit unzureichender Wärmeübertragung. Um dieser Gefahr vorzubeugen und um eine extreme Stimulation singulärer Klüfte zu vermeiden,empfiehltessich,diedafürnotwendigeninjektionsversuche,fallstechnischmachbar,abschnitts weise (mit Einsatz von Packern) durchzuführen. Nach derzeitigem Kenntnisstand liegt die Reichweite einer StimulationsmaßnahmebeimehrenHundertMetern.,(PKTiefeGeothermie,2007). DerStimulationsbereichbzw.dasReservoirdürftesichinRichtungdermaximalenhorizontalenHauptspan nungdesnatürlichenstressfeldesausbilden.,(pktiefegeothermie,2007) Betriebserfahrungen ErfahrungenzumLangzeitverhaltenvonimHDRVerfahrenkünstlichgeschaffenenWärmetauschern liegennochnichtvor.durchdieaufnahmedesprobebetriebesimsommer2008derweltweitersten Stromproduktionsanlage,dienachdemHDRPrinziparbeitet,inSoultzsousForêts(Elsass),istjedoch eineanlagevorhandenvonderenbetriebserfahrungenzukünftigepetrothermaleprojektemaßgeb lichprofitierenkönnen.imoberrheingrabenbestehenzusätzlichauchdurchdasvorhabeninbasel bereitserfahrungenauseinemtektonischbeanspruchtengebietingraniten.diebefundeausdem 26

27 GneisgebirgevonBadUrachkönnennochnichtabschließendbeurteiltwerden,jedochscheinenhier wiebeistober(2011)dargestellt,diedurchlässigkeitundstimulierbarkeitwenigervielversprechend zusein. ÜberdasLangzeitverhaltenderKlüfteundderGesteinsmatrixliegenebenfallskeinepraktischenErfahrungen vor.möglicherweisedichtensichdiekluftflächengegenüberdergesteinsmatrixwährendderlangeninjekti onszeiten ab. In der Gesteinsmatrix ist verstärkt mit Alterationsreaktionen (WasserGesteins Wechselwirkungen)oderderBildungvonSekundärmineralen(Tonminerale)zurechnen,wodurchsichdiePo rositätdergesteinsmatrixreduzierenkann.esistderzeitauchnichtabzuschätzen,welcheauswirkungendiese VorgängeaufdieLebensdauereinerGeothermieAnlagehaben.,(PKTiefeGeothermie,2007). 27