GeoTool - Entwicklung eines Prognosetools zur Unterstützung standortbezogener Aussagen zur Fündigkeit hydrogeothermischer Projekte in Baden-Württemberg


Das Regierungspräsidium Freiburg, Abteilung Umwelt, entwickelte im Projekt „GeoTool“ methodische Ansätze zur standortbezogenen Abschätzung relevanter Untergrundparameter, die zur Beurteilung der Fündigkeit von hydrogeothermischen Projekten notwendig sind. Zielregionen der Untersuchungen sind die baden-württembergischen Teile des Oberrheingrabens und des Südwestdeutschen Molassebeckens (Abbildung 1).

Abb 1:  Lage der Untersuchungsgebiete: der baden-württembergische Teil des Oberrheingrabens und des Südwestdeutschen Molassebeckens

Abb. 1: Lage der Untersuchungsgebiete: der baden-württembergische Teil des Oberrheingrabens und des Südwestdeutschen Molassebeckens. Beide Regionen verfügen über die bedeutendsten hydrogeothermischen Nutzungspotenziale in Baden-Württemberg.

Das Projekt wurde im Juli 2009 begonnen, hat eine Laufzeit von 3 ¾ Jahren und endet damit zum 31. März 2013. Gefördert wird das Vorhaben durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU, Fördernummer: 0325136) mit einer Zuwendungssumme von 292.545 EUR. Das Projekt „GeoTool“ basiert auf dem vorangegangenen BMU-Projekt „Geothermisches Informationssystem für Deutschland“ ( GeotIS) (Fördernummer: 0327542), für dessen Bearbeitung ebenfalls das RP Freiburg für den Projektteil Baden-Württemberg zuständig war.

Projektleitung: Prof. Dr. Ingrid Stober (ingrid.stober@rpf.bwl.de)
Mitarbeiter: Dipl.-Hydr. Marco Jodocy (marco.jodocy@rpf.bwl.de)

Die im folgenden vorgestellte Fachanwendung zielt auf Nutzer aus der Geothermiebranche, d.h. geowissenschaftliche Grundkenntnisse werden erwartet. Für die einzelnen geothermischen Nutzhorizonte können mit „GeoTool“ die für die Projektierung einer Geothermieanlage benötigten Grunddaten, wie chemische Eigenschaften und Temperatur des Thermalwassers, Durchlässigkeit des Nutzhorizontes (und damit Hinweise auf mögliche Förderraten), geologische und hydrogeologische Eigenschaften des Nutzhorizontes erhoben werden. Daneben werden die physikalischen und thermischen Eigenschaften von Wasser zur Ermittlung der thermischen Leistung bereit gestellt. Dem Projektteam „GeoTool“ ist es ein großes Anliegen, für eine hohe Transparenz bezüglich Erhebung, Auswertung und Bestimmung der einzelnen Basisdaten zu sorgen. Daher finden Sie für die geothermischen Grunddaten nicht nur Werte, sondern es sind detaillierte Berichte hinterlegt, die es Ihnen gestatten, die Güte einzelner Parameter auch selbst zu beurteilen.

Kurzvorstellung des Projektes

Der Faktor des Fündigkeitsrisikos stellt bei der Projektierung geothermischer Anlagen eine der entscheidenden Planungsgrößen dar. Bei der Vorbereitung von Geothermieprojekten mit hydrothermaler Wärmeenergienutzung sind daher die erreichbare Förderrate und die Fördertemperatur die ausschlaggebenden Kenngrößen. Daneben stellen die Dichte und spezifische Wärmekapazität der heißen, zum Teil hochkonzentrierten Tiefenwässer wichtige Einflussgrößen dar. Darüber hinaus sind Informationen zur hydrochemischen Beschaffenheit der Tiefenwässer inklusive Gasgehalte unverzichtbare Größen, da sie unter anderem Rückschlüsse auf die technische Handhabbarkeit der Wässer geben. Nur bei Kenntnis dieser Größen kann eine Vorerkundung qualitativ bewertet und das Fündigkeitsrisiko abgeschätzt werden.

Basierend auf den Erkenntnissen aus dem Projekt „GeotIS“ werden umfangreiche hydraulische, hydrochemische und thermische Daten für die verschiedenen geothermischen Nutzhorizonte in den Untersuchungsgebieten (Abb. 1) zusammengestellt und ausgewertet. Der Bestimmung von Durchlässigkeiten im Untergrund kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Der Datenbestand soll darüber hinaus durch halbqualitative oder qualitative Informationen, die Rückschlüsse auf die Durchlässigkeit gestatten (wie z.B. Klüftigkeit, Porosität, Störungszonen), ergänzt und quantitativ bewertet werden. Entsprechendes gilt für die anderen relevanten Untergrundparameter.

Das Projekt hat somit neben der Zusammenstellung, Aufarbeitung und Auswertung bestehender und noch zu beschaffender Grundlagendaten, die Entwicklung von verlässlichen Algorithmen zur Abschätzung von projektrelevanten Parameter aus qualitativen Informationen zum Ziel, um den Kenntnisstand über den Untergrund zu erweitern. Primäres Ziel ist dabei die direkte Auswertung hydraulischer Testdaten, wie sie unter anderem im Zuge der Kohlenwasserstoffexploration im Oberrheingraben und Süddeutschen Molassebecken in zahlreichen Tiefbohrungen erhoben wurden. Im Oberrheingraben werden ergänzend zur Vergrößerung des Datenbestands Bohrunterlagen aus dem französischen Teil des Oberrheingrabens gesichtet und ausgewertet. Die Einbeziehung dieser Daten ist grundsätzlich möglich, weil die geologischen Rahmenbedingungen im gesamten Oberrheingraben vergleichbar sind.

Ergänzende Hinweise

Die physikalischen Eigenschaften von Wasser sind vom Druck, der Temperatur und dem Lösungsinhalt (Salinität, Gase) abhängig. Die physikalischen Eigenschaften wiederum haben Einfluss auf die Größe der Durchlässigkeit und die Speichereigenschaften des Untergrundes sowie auf die Höhe der thermischen Leistung der geothermischen Anlage.

Die aus einer Geothermiebohrung erreichbare Förderrate ist in erster Linie von der Ergiebigkeit, d.h. der Durchlässigkeit, des Aquifers abhängig. Daneben spielen Bohrdurchmesser und Ausbau der Bohrung eine entscheidende Rolle. In Porengrundwasserleitern beruht die Höhe der Durchlässigkeit auf der Größe der Poren und des Porennetzes, das für die Wasserbewegung verfügbar ist. In Festgesteins-Grundwasserleitern beruht die Durchlässigkeit und damit die Ergiebigkeit des Aquifers auf dem Vorhandensein von offenen Klüften oder Kavernen, auf einer ausreichenden durchflusswirksamen Porosität sowie auf anderen makroskopischen Hohlräumen, wie sie u.a. in Störungszonen angetroffen werden können. Aquifere können je nach Art ihres überwiegenden Hohlraumanteils in drei Gruppen unterschieden werden: porös, klüftig und karstig (Stober et al. 2011).

Wird die erwartete Durchlässigkeit bei der Erschließung zunächst nicht angetroffen, sind technische Maßnahmen, die von Ertüchtigungs- bis hin zu Stimulationsmaßnahmen reichen, erforderlich. Im Projekt GeoTool werden weitestgehend nur die natürlichen Durchlässigkeiten der einzelnen geothermischen Nutzhorizonte beschrieben.

Abschätzungen von erreichbaren Fördertemperaturen basieren auf kontinuierlichen Aufzeichnungen aus bohrlochgeophysikalischen Temperatur-Messungen (Logs), auf BHT-Werten (bottom hole temperature), die als Einzelwerte im Bohrlochtiefsten bestimmt wurden, oder aus Auslauftemperaturen. Die an der Erdoberfläche am Bohrlochkopf gemessene Temperatur ist niedriger als die Aquifertemperatur. Der Grad der Erniedrigung hängt von der Förderrate und der Dauer der Inbetriebnahme ab.

Die bisher vorliegenden Temperaturinformationen (Schellschmidt & Stober 2008) über den tieferen Untergrund in Baden-Württemberg wurden ergänzt und um Korrekturparameter für gestörte BHT-Werte erweitert. In einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Leibnitz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) wurden neue Temperaturkarten für Baden-Württemberg in verschiedenen Tiefen ( -300m NN, -500m NN, -1000 m NN, -1500m NN, -2000m NN, -2500m NN) erstellt.

Geothermische Nutzhorizonte in Baden-Württemberg

Oberrheingraben und Molassebeckenstellen stellen in Baden-Württemberg die primären Zielregionen der Tiefen Geothermie für hydrothermale Nutzungen dar (Abb. 1). Bei einer hydrothermalen Nutzung wird Wasser aus tiefen Grundwasserleitern (Aquifere) gefördert. Diesem wird an der Erdoberfläche durch einen Wärmetauscher die Wärme entzogen, die dem Nutzer dann für die Weiterverarbeitung, sei es für Heizzwecke und/oder zur Stromerzeugung zur Verfügung steht. Das abgekühlte Wasser muss zur Erneuerung (Recharge) des Aquifers, meist auch aus entsorgungstechnischen Gründen - denn die Tiefenwässer sind in der Regel höher mineralisiert als oberflächennahe Wässer - in einer bestimmten Entfernung zur Entnahmebohrung in denselben Aquifer zurückgegeben (injiziert) werden. Ein hydrothermales Nutzungssystem (Dublette) besteht daher aus zwei Bohrungen.

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Dank

Wir danken dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) recht herzlich für die Unterstützung des Projektes (Fördernummer: 0325136). Dem Sevice Géologique Régional Alsace des BRGM Strasbourg, dem LBEG Hannover sowie den KW-Firmen RWE Dea AG, GDF SUEZ E&P Deutschland GmbH, ExxonMobil Production Deutschland GmbH und Wintershall Holding GmbH recht herzlichen Dank für die Überlassung von Rohdaten. Dem Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.V. (WEG) vielen Dank für die Unterstützung. Unseren Projektpartnern LIAG in Hannover und LfU in München danken wir für die angenehme Zusammenarbeit.

Literatur

Schellschmidt, R. & Stober, I. (2008):
Untergrundtemperaturen in Baden-Württemberg.- LGRB-Fachbericht, 2, 28 S., Regierungspräsidium Freiburg.

Stober, I., Fritzer, T., Obst, K. & Schulz, R. (2011):
Tiefe Geothermie - Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland. - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (Hrsg.), 84 S.; 3. Aufl., Berlin.

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