Die geothermische Dublette ist der Grundbaustein einer Anlage zur geothermischen Strom- oder Wärmeerzeugung. Dies gilt insbesondere für hydrothermale Anlagen, bei denen geothermische Wärme aus natürlichen Aquiferen gefördert wird. Die Dublette besteht dabei aus einer Förderbohrung und einer Injektionsbohrung.
Die Wärmeleistung einer Dublette und damit das Wärmepotential, welches aus dem Tiefengrundwasser entnommen werden kann, ergeben sich wie folgt:
Pth = Q cf ΔT
dabei ist:
Während die Förderrate Q und die Fördertemperatur T1 für jeden Dublettenstandort individuell engenommen werden müssen sind die übrigen Werte oft für ein größeres Gebiet konstant:
Die jährlich nutzbare Wärmeenergie ergibt sich aus dem Zusammenhang zwischen Wärmeleistung und Volllaststunden (VLS):
E = P VLS/a
wobei E = Energie (kWh/a); VLS/a = Volllaststunden pro Jahr (h).
Wir konzentrieren meist auf Regionen in denen schichtgebundene Aquifere und störungsgebundene Aquifere zusammen gesehen werden können und müssen. Dies ist am deutlichsten im Oberrheingraben der Fall aber auch andernorts, z.B. in NRW. Die dort bekannten Störungszonen haben oft vertikale Ausdehnungen von vielen hundert bis weit über tausend Metern, Verwurfsbeträge von einigen hundert Metern und Mächtigkeiten von mehreren Zehnermetern. Ihre Permeabilitäten sind gegenüber der Umgebung (Matrixpermeabilität) deutlich erhöht. Sie sind, da sie sowohl untereinander als auch mit den Schichtaquiferen hydraulisch verbunden sind, wesentlich für die Beurteilung der thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Gesamtreservoirs. Oft wird die Hydraulik der Störungssysteme dominierend sein.
Bei der für die deutschen Geothermieregionen geschilderten Situation kann man sowohl an herkömmliche horizontale als auch an vertikale Dubletten denken. Beide Dublettenarten sind in dem kombinierten Aquifer, der aus schichtgebundenen und aus störungsgebundenen Anteilen besteht, denkbar.
Eine vertikale Dublette besteht genau wie eine horizontale aus einer Förderbohrung und einer Reinjektionsbohrung. Beide Bohrungen müssen in einen ausreichend permeablen Aquiferbereich führen, so dass mit den angedachten technischen Methoden (Pumpen) die vorgesehenen Zirkulationsraten und Temperaturen erreicht werden. Die Anforderung an die Temperatur wird auch davon abhängig, ob eine Verstromung oder nur eine Wärmenutzung vorgesehen ist. Dies bestimmt sowohl die geforderte Fördertemperatur als auch die angestrebte Rücklauftemperatur. Die gewünschte Fördertemperatur bestimmt ihrerseits die Minimaltiefe der Förderbohrung. Im ORG kann das bedeuten, dass die Förderbohrung (wie in Landau und Insheim) bis in das Grundgebirge hineinreichen muss.
Für die Injektionsbohrung gelten diese temperaturbedingten Anforderungen nicht. Sie muss nur in ein hydraulisch ausreichend permeables Volumen führen, um die angestrebte Injektionsrate bei dem vorgesehenen Injektionsdruck zu ermöglichen. Bei ihr gibt es also keine Teufenvorgaben, was sehr viel flachere Bohrungen grundsätzlich möglich macht. Es gibt allerdings andere Argumente, die auch hier eine Mindesttiefe wünschenswert machen. Eines davon ist ein ausreichender Abstand zu Grundwasserhorizonten, die für die Trinkwassergewinnung relevant sind. Tiefen von 2.000 m und mehr würden aber hier ausreichend sein. Welche Anforderungen an einen hydraulischen Kontakt zwischen Reinjektion und Förderung zu stellen sind muss diskutiert werden.
Die Bohrlochenden müssen einen ausreichenden Abstand voneinander haben, um in der vorgesehenen Betriebszeit einen thermischen Kurzschluss auszuschließen. Dieser Abstand kann sowohl horizontal als auch vertikal sein.
Als erstes haben die Kostenvorteile Gewicht. Eine 2.000 m Bohrung wird allenfalls 30% einer 5.000 m Bohrung kosten. Da keine so starke Ablenkung der Bohrungen zur Erzielung eines ausreichenden Abstands zwischen den Bohrungsenden notwendig ist, ergibt sich ein weiterer Kosten-, aber auch ein technologischer Vorteil (aufwendigere Richtbohrtechnik bei einer horizontalen Dublette).
Bei der Hydraulik einer vertikalen Dublette spielen gravitative Anteile bei den Antriebskräften eine viel wesentlichere Rolle als bei horizontalen Dubletten. Die künstlich aufgeprägten Strömungsanteile durch das Pumpen überlagern sich oft natürlichen - meist gravitativ getriebenen - Strömungen und bei diesen können oft vertikale Anteile dominieren, wie im ORG, wo vorrangig eine Aufwärtsströmung vorliegt. Die Gegebenheiten müssen an jeder Lokation durch Modellierung kritisch betrachtet werden.
Wenn die Reinjektion in eine andere stratigraphische Schicht erfolgt als die, aus der das Wasser gefördert wurde, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass das reinjizierte Wasser eine andere chemische Zusammensetzung hat als das umgebende Grundwasser. Im Oberrheingraben z.B. ist jedoch davon auszugehen, dass die chemische Zusammensetzung des Grundwassers, wegen der allgegenwärtigen Aufwärtsströmung, über große vertikale Bereiche sehr ähnlich sein wird. Dennoch ist die Thermalwasserchemie bei der Planung vertikaler Dubletten immer ein Thema.
Bei der Beurteilung der Möglichkeit induzierter Seismizität spielt immer die Injektionsbohrung eine bedeutendere Rolle, da hier beim Einpressen des Wassers eine Erniedrigung des Normalspannungen auf existieren Klüften eintritt, diese reaktiviert werden und zu Schwerbewegungen veranlasset werden können, was der häufigste Anlass für seismische Ereignisse ist.
Einige Autoren sehen eine erhöhte Gefahr induzierter Seismizität (Baisch 2021), wenn die Injektionsbohrung bis ins Grundgebirge geht. Auch wenn man diese Ansicht nicht teilen muss, ist es ein Vorteil einer senkrechten Dublette, dass die Injektionsbohrung weit vom Grundgebirge wegbleiben kann.
Längerfristig sind bei der induzierten Seismizität die thermoseismischen-Effekte dominant, also das Schrumpfen des Gebirges durch zugeführtes kälteres Wasser. Diese Effekte hängen von der Temperaturdifferenz wischen injiziertem Wasser und der Gebirgstemperatur im Injektionsbereich ab. Bei einer flacheren Bohrung sind diese Unterschiede entscheidend kleiner.
Mit der sogenannten Bewirtschaftmethode ergibt sich das Potenzial eines Gebietes dadurch, dass man in diesem Gebiet eine Maximalzahl von Dubletten unterbringt und deren Leistungen addiert. Hierzu kann das betrachtete Gebiet in gleichförmige Zellen unterteilt werden (Parketierung). Dies können z.B. Quadrate, Rechtecke oder Hexagone mit einem vorgewählten Flächeninhalt sein. Typisch sind hier Flächen von 5 - 10 km2. Von Hamacher et al. wurden z.B. für due Bayrische Molasse Hexagone mit 7,5 km2 Fläche gewählt.
Liegen keine besseren Daten vor, kann hier auch mit Annahmen gearbeitet werden, Beispiel:
Aus den so gewonnen Daten lassen sich dann auch Karten mit Leistung/km2 oder Potenzial pro km2 darstellen.
Hamacher, T., Bewertung Masterplan Geothermie, TU München, 2022
Weitere Literatur siehe:
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