Tiefengeothermie 1. Einleitung In vielen Ländern Europas ist die Erschließung geothermischer Ressourcen weiter vorangekommen und ein beachtlicher Wirtschaftsfaktor geworden. Geothermische Energiequellen stellen in diesem Sinne wahrhafte Bodenschätze dar. Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde. Synonyme sind Erdwärme oder auch Geothermie (VDI- RICHTLINIE 4640). Sie steht generell überall und jederzeit in der oberen Erdkruste in unerschöpfliche Mengen zur Verfügung. Die Tiefengeothermie wird deshalb eindeutig zu den regenerativen Energieformen gezählt. Für tiefengeothermische Lagerstätten wird überschlägig mit einer Lebensdauer von etwa 20-40 Jahre gerechnet. Sie regenerieren sich danach in einem Zeitraum von mehreren Jahrhunderten von selbst wieder. Die Nutzung geothermischer Energie als alternative Energiequelle wird durch den gewaltigen Wärmeinhalt der Erde ermöglicht. Der zur Erdoberfläche gerichtete kontinuierliche Wärmestrom bedingt eine Temperaturzunahme auf den Kontinenten von durchschnittlich 3 C/100 m Tiefe. Als Temperaturgradient bzw. geothermischer Gradient wird die Temperaturzunahme pro Teufenabschnitt bezeichnet und in mk/m gemessen, was der Angabe C pro km entspricht. Dieser Gradient wird durch den Wärmestrom aus der Tiefe an die Erdoberfläche verursacht. Die Wärmestromdichte beträgt in Deutschland durchschnittlich etwa 77 mw/m 2. Im Südwesten des Nordostdeutschen Beckens, zu dem auch der größte Teil Brandenburgs gehört werden auch höhere Werte (>> 100 mw/ m 2 ) registriert (LOTZ 2004). Der Personenkreis Tiefe Geothermie des Bund-Länder-Ausschusses Bodenforschung grenzt eine tiefe Geothermie von einer oberflächennahen Geothermie ab. Nach dieser Abgrenzung beginnt die Tiefengeothermie bei einer Tiefe von mehr als 400 m und einer Temperatur von über 20 C. Von tiefer Geothermie im eigentlichen Sinn sollte man jedoch erst bei Tiefen von über 1000 m und bei Temperaturen größer als 60 C sprechen. Die Tiefengeothermie umfasst Nutzungssysteme, bei denen die geothermische Energie bzw. Erdwärme über Tiefbohrungen erschlossen wird und im Gegensatz zur oberflächennahen Geothermie direkt und ohne Temperaturerhöhung mittels Wärmepumpen genutzt werden kann. Zur Charakterisierung von Standorten für die Nutzung der Tiefengeothermie sind Kenntnisse über wesentliche Eigenschaften des tiefen Untergrunds notwendig. 2. Geologische Voraussetzungen Im Land Brandenburg sind derzeit 126 Tiefbohrungen, von denen 33 eine Endteufe > 3 000 m aufweisen, kontinuierlich in Intervallen von 50 m vermessen worden. Der gemessene Temperaturverlauf (Abb. 1) ist in der Regel wegen bohrtechnologischer Beeinflussungen als gestört zu betrachten und muss deshalb korrigiert werden, um ihn den wahren Gebirgstemperaturen anzunähern (BEER 1996). Darüber hinaus liegen von über 275 Bohrungen Einzeltemperaturwerte aus Testmessungen vor. Diese Temperaturwerte können aus bohrtechnischen Gründen stärker beeinflusst und für regionale Aussagen nur begrenzt verwendbar sein (BEER & MANHENKE 2001). 1 von 11
Abb. 1: Temperaturentwicklung einer Tiefenbohrung im ungestörten Tafeldeckgebirge Brandenburgs 2 von 11
Abb. 2: Temperaturveränderungen in 4 000 m Teufe Aquifere sind Grundwasser führende Speichergesteine; deren Temperatur insbesondere von der Tiefe abhängig ist und durchschnittlich um 3 C pro 100 m entsprechend der geothermischen Tiefenstufe zunimmt. Nach Höhe ihrer Temperatur können unterschieden werden: Thermalwasser-Aquifere (> 20 C), Warmwasser-Aquifere (60 bis 100 C), Heißwasser-Aquifere (> 100 C). Aus petrophysikalischer und petrographischer Sicht werden unterschieden: Poren-Grundwasserleiter (vor allem Sandsteine), Kluft-Grundwasserleiter (z. B. Vulkanite mit zirkulierenden Wässern) und Karst-Grundwasserleiter (im Wesentlichen Karbonate) Gemäß dem tektonischen Stockwerksbau befinden sie sich im Tafeldeckgebirge und lagern im Subsalinar-Stockwerk (Ober-Rotliegend) und Suprasalinar- Stockwerk (Trias, Jura, Kreide, Paläogen, Abb. 3) der Norddeutschen Senke. Durch Salzabwanderung können die Aquifere in große Tiefen abgesenkt und auch in höheren Mächtigkeiten auftreten. Durch Salzdiapirismus können sie bis zur Erdoberfläche zu unterschiedlichen Zeiten gehoben worden sein (Abb. 4). Wegen des verschiedenzeitlichen Salzdiapirismus gibt es Aquiferausfälle durch Sedimentationsunterbrechung und Erosion. Im Land Brandenburg gewinnt die wirtschaftliche Nutzung der suprasalinaren Aquifere zunehmend an Bedeutung. 3 von 11
Abb. 3: Verbreitung der Aquifere in Brandenburg 4 von 11
Abb. 4: Beispiel zum Aufbau des Tafeldeckgebirges mit der Position von Aquiferen Die wirtschaftlich wichtigen Aquifere im Suprasalinar Brandenburgs gehören zum Typ Poren-Grundwasserleiter (Abb. 5) und können in folgenden stratigraphischen Einheiten auftreten: Mittlerer Buntsandstein (Volpriehausen-, Detfurth-Formation), Oberer Keuper bzw. Rhätkeuper (contorta-sandstein), Lias (Psilonoten-Sandstein, Lotharing-Sandstein, Domaro-Sandstein), Dogger (Aalen-Sandstein), Unter-Kreide (verschiedene Neokom-Sandsteine) und Paläozen (Wülpen-, Waßmannsdorf- bis Nassenheide-Formation) Eozän (Nedlitz-, Genthin-Formation) 5 von 11
Abb. 5: Beispiel zur Veränderlichkeit der Nutzporosität eines Aquifers im Ober-Rotliegend 6 von 11
Aquifere vom Typ Kluft-Grundwasserleiter treten im Unteren Muschelkalk auf und könnten zukünftig von wirtschaftlichem Interesse in Brandenburg sein. Aquifere vom Typ Karst-Grundwasserleiter haben wegen der lithologisch ungünstigen Ausbildung dieser stratigraphischen Einheiten in Brandenburg keine Bedeutung. Abb. 6: Standorte wirtschaftlicher Nutzung von Aquiferen in Brandenburg Während im Süden von Brandenburg, nördlich des Lausitzer Blocks und des Torgau Doberluger Synklinoriums mit seinem permokarbonen Rahmen und Magmatiten die älteren Gesteine des Suprasalinars (Lausitzer Triasscholle) unter dem känozoischen Lockergesteinsgebirge verbreitet sind, lagern nach Norden zunehmend jüngere Gesteine darunter (STACKEBRANDT & MANHENKE 2002). Nördlich der Linie Belzig Luckenwalde Lübben Guben sind die Aquifere des Juras verbreitet. Die der Unter-Kreide kommen in großflächiger Verbreitung in NW-Brandenburg vor (Abb. 6). Gleichzeitig lagern die Aquifere des Juras im Nordwesten von Brandenburg in größeren Tiefen. Die Speicherqualität der Aquifere des Buntsandsteins wird im Norden des Landes Brandenburg durch zunehmende Vertonung eingeschränkt. Die erfolgreiche Anwendung der Technologien zur Nutzung der Aquifere erfordert nicht nur Kenntnisse über die thermischen und hydraulischen Eigenschaften und damit 7 von 11
petrographischen Eigenschaften der Aquifere. Eine genaue Unterscheidung und ihre fazielle und stratigraphische Zuordnung ist aus bergrechtlichen und wirtschaftlichen Gründen geboten. Hydraulische Verbindungen zwischen den Aquiferen müssen ausgeschlossen werden. Förder- und Injektionsbohrung sollten beim Verfahren der hydrothermalen Tiefengeothermie denselben Aquifer nutzen, um das hydraulische Gleichgewicht im beanspruchten Aquifer aufrecht zu erhalten und eine dauerhafte Ergiebigkeit der Förderbohrung zu gewährleisten. 3. Technologien Die tiefengeothermische Erschließung ist zwar grundsätzlich und überall möglich, jedoch sind einige Verfahren der geothermischen Energieerzeugung noch in der Forschungsphase oder durch Pilotprojekte im Test. Gegenwärtig wäre die geothermische Stromerzeugung nur gekoppelt mit Heizungsnutzung ab Temperaturen des Untergrunds über 95 C sinnvoll. Das Verfahren der Hydrothermalen Tiefengeothermie (Abb. 7) zur wärmetechnischen Nutzung von Thermal- und Warmwasser-Aquiferen mit Temperaturen des Untergrunds von 40 bis 100 C wird wirtschaftlich in Brandenburg genutzt (GÖTHEL 2006). Seine Anwendung ist wie die aller tiefengeothermischen Verfahren von der inhomogenen Temperaturverteilung im Gebirge abhängig und wird vorwiegend durch die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Gesteine als Träger der Erdwärme und durch Inhomogenitäten im Gebirge, wie Störungszonen und Salzmobilitäten, gesteuert. Weiter bestimmen die hydraulischen Eigenschaften (Porosität, Permeabilität, hydraulischer Druck) der Aquifere die Wirtschaftlichkeit der hydrothermalen Tiefengeothermie. Die Hydrothermale Geothermie nutzt in Brandenburg den Aquifer-Typ des Poren- Grundwasserleiters (Abb. 1, Abb. 5). Höhere Porositäten können Küstensande wegen ihrer besseren Sortierung gegenüber Flusssanden erreichen. Ab 120 C wird Feldspat durch chemische Diagenese alteriert und führt zur Verringerung des Porenraums in Heißwasser-Aquiferen. In Brandenburg werden gegenwärtig permeable Sandsteine mit einer Mächtigkeit größer 20 m (BEER & MANHENKE 2001) des Zechsteinsalinar-Deckgebirges genutzt. Die geothermalen Wässer dieser Aquifere sind Salinarwässer und deshalb nicht nur wärmetechnisch, sondern auch für balneologische Zwecke (Thermalsolen) nutzbar. Eine hydrothermale Energiegewinnung erfolgt in der Regel im Dublettenbetrieb, um das hydraulische Gleichgewicht im genutzten Aquifer aufrecht zu erhalten. In einer Entnahmebohrung wird das thermale Wasser zu Tage gefördert. Über Tage wird dem Wasser Wärme entzogen. Danach wird das abgekühlte Wasser im geschlossenen Kreislauf über eine Injektionsbohrung wieder in den genutzten Aquifer gepresst. Der Abstand von Förder- und Injektionsbohrung wird so gewählt, dass eine Nutzung des Aquifers in Abhängigkeit von seinen hydraulischen Eigenschaften 20 bis 30 Jahre garantiert ist. Derzeitige Leistung: > 2000 kw th 8 von 11
Abb. 7: Schema zum Verfahren der Hydrothermalen Geothermie im Dublettenbetrieb in einem Aquifer vom Typ Poren-Grundwasserleiter Für das Verfahren der Tiefen Erdwärmesonde (Abb. 8) benötigt man eine Tiefbohrung, in der die Erdwärme von der Bohrlochwand an ein in die Bohrung eingeleitetes Speichermedium abgegeben und über dieses für Heizungszwecke gefördert wird. Die Effektivität dieser Nutzung ist vor allem vom Speichermedium abhängig. Derzeit befindet sich diese Nutzung der Erdwärme noch in der Entwicklungsphase. Derzeitige Leistung: 150 bis 500 kw th. Abb. 8: Schema zum Verfahren der Tiefen Erdwärmesonde 9 von 11
Das HDR-Verfahren (hot dry rock-verfahren, Abb. 9) nutzt hochtemperierte Gesteinskomplexe mit Eignung zur Stimulation bzw. Schaffung künstlicher, gerichteter Fließwege durch Klüftung über hydraulische Stimulation (BEER & MANHENKE 2001). Stimulationen in Unterrotliegend-Vulkaniten und Oberrotliegend-II-Sedimenten (Elbebasissandstein mit geringer Porosität, Abb. 5) werden gegenwärtig im Forschungsobjekt Groß Schönebeck durch das Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam getestet. Abb. 9: Schema zum HDR-Verfahren in einem Aquifer vom Typ Kluft-Grundwasserleiter 4. Genehmigungsverfahren Die Erkundung und Erschließung von Thermalwasser für energetische und balneologische Zwecke unterliegt in der Bundesrepublik Deutschland den Bestimmungen des Bundesberggesetzes (BBergG) vom 13. August 1980 (in der letzten gültigen Fassung). Erdwärme und Sole gelten danach als bergfreie Bodenschätze ( 3 Abs. 3 Satz 2 BBergG). Der Geltungsbereich des BBergG erstreckt sich in diesem Zusammenhang auf die Aufsuchung und die Gewinnung von Erdwärme, einschließlich der Weiterleitung des Thermalwassers. Um einen bergfreien Bodenschatz erkunden ( aufsuchen ) zu können, benötigt man für ein Aufsuchungsfeld eine bergrechtliche Erlaubnis. Um den bergfreien Bodenschatz gewinnen bzw. abbauen zu können, wird auf Antrag eine bergrechtliche Bewilligung erteilt oder ein Bergwerkseigentum verliehen. Hierbei handelt es sich um Rechtstitel, die dem Inhaber das ausschließliche Recht zum Aufsuchen und Gewinnen von Erdwärme im jeweiligen Feld einräumen. Die bergrechtliche Erlaubnis zur Aufsuchung von Erdwärme sowie die bergrechtliche Bewilligung zur Gewinnung von Erdwärme oder das Bergwerkseigentum werden im Land Brandenburg von der Bergverwaltung des Landesamtes für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) an ihrem Hauptsitz in Cottbus erteilt bzw. verliehen. Die Bergbehörde bezieht in einem Beteiligungsverfahren die von dem jeweiligen Projekt berührten Behörden (insbesondere Wasser- und Naturschutzbehörde) mit ein. 10 von 11
Die eigentliche Nutzung der Erdwärme in einem Thermalbad, einer geothermischen Heizzentrale oder einem Erdwärmekraftwerk ist einer Weiterverarbeitung gleichzustellen ( 4 Abs. 3 BBergG) und unterliegt damit gemäß 2 BBergG nicht dem Bergrecht. Kontakt: Dipl.-Geol. Michael Göthel Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe Brandenburg Stahnsdorfer Damm 77 14532 Kleinmachnow E-mail: michael.goethel@lbgr-brandenburg.de 11 von 11