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Seiger -Forschungsvorhaben

Das Verbundvorhaben Seiger setzt Forschungsarbeiten der Projkeet MAGS 1 und 2 fort und behandelt unterschiedliche Aspekte der induzierten Seismizität.

Steckbrief

Programm/ Zuschussgeber

BMWi

Akronym

Seiger

Titel/ Thema

Monitoring tiefer Geothermischer Anlagen und mögliche seismische Einwirkungen

Identifikation/ Zuwendungsnummer

03EE4003

Durchführungszeitraum

2019-05-01  –  2022-04-30

Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag

2.822.943 €

Sonstiges

 

Wesentliche Forschungsschwerpunkte

Die wesentlichen Forschungsschwerpunkte ses Verbundvorhaben ergeben sich aus den Forschungszielen der Teilvohaben.

Teilvorhaben, Kooperationspartner

Änderungen der Spannungsverhältnisse im geologischen Untergrund, verursacht durch den Betrieb geothermischer Kraftwerke, können zu induzierter Seismizität führen. Zur Überwachung geothermischer Anlagen werden unterschiedliche Konzepte, wie mikroseismische Monitoringverfahren oder seismische Array-Verfahren, angewendet. Das Gesamtvorhaben SEIGER hat zum Ziel, vorhandene Monitoringmethoden weiterzuentwickeln und Wege zu finden, diese effizient gemeinsam bzw. ergänzend einzusetzen, um mögliche induzierte Seismizität im Bereich von Geothermiekraftwerken besser zu verstehen. In diesem Teilprojekt sollen Modelle zur Prognose kritisch gespannter Störungen im Vorfeld einer Bohrung unter Berücksichtigung der regionalen Spannungszustände und der gegebenen Porendruckänderungen entwickelt werden. Die Prognosefähigkeit der Modelle soll an einem Beispielstandort getestet werden, an welchem induzierte Seismizität hochaufgelöst detektiert und geologischen Strukturen zugeordnet wird. Innerhalb des Verbundvorhabens ergeben sich für das Teilprojekt folgende Zielstellungen: ' Entwicklung geomechanischer Modelle zur Identifizierung kritisch gespannter Strukturen bei eingeschränkter Datenbasis im Vorfeld von Bohrungen unter Benutzung von Informationen aus dem Monitoring natürlicher Hintergrundseismizität. ' Bestimmung des Reaktivierungspotenzials von Störungen durch die Untersuchung der Interaktion zwischen existierenden Störungen und regionalem Spannungsfeld. ' Einblick in lokale Spannungsfeldänderungen. ' Eingrenzung möglicher lokaler Reibungskoeffizienten der Störungen aus numerischen hydromechanischen Ensemblemodellen. ' Validierung der Modelle auf Basis zur Verfügung stehenden Daten. Bewertung der geomechanischen Modelle bezüglich ihrer Eignung als Prognosetool für induzierte Seismizität in zukünftigen Geothermieprojekten.

  • Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover: Forschungsnetzwerk Südpfalz, Automatisierung des Monitorings, Seismische Gefährdungsanalysen, Vermittlung der Ergebnisse von Monitoring und Gefährdungsanalysen an die Interessengruppen

Ein zentraler Punkt der Arbeiten der BGR ist die Wiederinbetriebnahme und der Weiterbetrieb des Forschungsnetzwerks Südpfalz. Die gewonnenen Daten bilden die Grundlage für die Arbeiten der anderen Projektpartner in SEIGER. Mit dem Netzwerk wird ein herausragender Langzeitdatensatz (10 Jahre) gewonnen, welcher auch für zukünftige methodische Entwicklung und Forschung genutzt werden wird. Der in früheren Forschungsprojekten (MAGS und MAGS2) entwickelte Detektor für seismische Signale wird optimiert. Die Automatisierung der Datenauswertung und die Minimierung des messtechnischen Aufwands sind wichtige Ziele des Vorhabens für eine standardisierte Erfassung der Seismizität. Beide Aspekte werden zu einer entscheidenden Verringerung der Kosten des Monitorings führen. Die seismischen Gefährdungsanalysen im Vorhaben nutzen die Kataloge des seismischen Monitorings als wichtige Datenquelle, um die Lagen seismischer Ereignisse und ihre Magnituden-Häufigkeits-Statistik zu ermitteln. Die Standorteigenschaften werden untersucht, um die lokale Verstärkung seismischer Wellen im flachen Untergrund berücksichtigen zu können (Mikrozonierung von Stadtteilen oder Gemeinden). Die Gefährdungsanalysen werden weiter entwickelt in Hinblick auf die Berücksichtigung zeitlicher Variationen der Seismizität, den Einsatz von Beziehungen der Amplitudenabnahmen unter Nutzung von Momentenmagnituden und die Triggerung von tektonischen Störungen im Umfeld der Bohrungen. Die tiefe Geothermie erzielt aufgrund der bei einigen Projekten auftretenden induzierten Seismizität ein hohes Interesse bei den beteiligten Interessengruppen (Öffentlichkeit, Betreiber, Behörden), erzeugt aber auch eine hohe Unsicherheit über mögliche Folgen. Im Vorhaben werden Konzepte entwickelt, um zeitnah, ausführlich und transparent die gewonnen Daten und Erkenntnisse zu vermitteln. Im Vordergrund steht dabei die Öffentlichkeitsarbeit. BGR koordiniert das Verbundvorhaben SEIGER

Seismische Reaktionsschemen (Ampelsysteme) haben sich als eine wirkungsvolle und praktikable Methode erwiesen, um die induzierte Seismizität bei tiefer Geothermie zu begrenzen. Hierbei ermittelt ein seismisches Monitoringsystems die Anzahl und Stärke der Mikroerdbeben. Mit einer probabilistischen seismischen Gefährdungsanalyse lässt sich hieraus die zukünftige Überschreitenswahrscheinlichkeit bestimmter Stärken der Bodenerschütterung abschätzen. Hierdurch ergibt sich ein Rückkopplungsprinzip, das frühzeitig erhöhte Seismizität detektiert und durch eine Anpassung der hydraulischen Betriebsparameter eine Reduktion der seismischen Gefährdung erreicht. Eine fundamentale Information über die induzierten Erdbeben ist deren Stärke. Hierbei haben sich zwei Stärkemaße, die maximale Bodenschwinggeschwindigkeit und die Erdbebenmagnitude, als wesentlich und einander ergänzend herausgestellt. Die Schwinggeschwindigkeit beschreibt die seismische Einwirkung auf Gebäude, wobei nach DIN4150-3 abgeschätzt werden kann, ab wann Schäden an bestimmten Gebäudeklassen auftreten können. Die Magnitude hingegen erfasst die Stärke des Erdbebens an seiner Quelle. Sie wird im Rahmen der Gefährdungsanalyse benötigt, um die Auftretenswahrscheinlichkeit von Erdbeben mit einer bestimmten Magnitude zu berechnen. Bisher wird bei induzierten Mikroerdbeben hauptsächlich die Lokalmagnitude nach Richter eingesetzt. Hierbei werden aber unterschiedliche Methoden verwendet, um diese Größe von starken, natürlichen Erdbeben auf induzierte Mikroseismizität zu übertragen. Hierdurch ist diese Angabe bisher für verschiedene Reservoire schwer vergleichbar. In diesem Projekt soll daher ein Werkzeug entwickelt werden, das eine Bestimmung der physikalisch besser begründeten Momentenmagnitude ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist hierbei, dass die Verarbeitung der seismologischen Daten automatisiert werden muss, so dass im Ereignisfall automatische Alarmierungsnachrichten elektronisch verschickt werden können.

Die Stadtwerke München (SWM) planen in Ihrem Konzept zur Energiewende bis zum Jahr 2025 -- über das aktuell im Aufbau befindliche Projekt Schäftlarnstraße mit geplant sechs Bohrungen hinaus -- drei weitere Geothermieanlagen zur Wärmegewinnung in den wasserführenden Horizont des oberen Jura (ca. 2500 - 3000 m Teufe) im Münchener Stadtgebiet. Dieses äußerst ambitionierte Vorhaben, das Signalwirkung für die gesamte Geothermiebranche hat und haben wird, bedarf einer großen Zahl von Innovationen nicht nur in der Erschließung und dem Betrieb dieser Anlagen, sondern auch im Verständnis, der Überwachung und der Prognose der möglichen Schütterwirkungen im Stadtgebiet beim Auftreten von Erdbeben. Die Ziele des hier vorgeschlagenen Teilprojekts sollen dabei helfen, einen möglichst erschütterungsfreien Betrieb der geothermalen Kraftwerke im unmittelbaren Stadtgebiet zu ermöglichen und die Unsicherheiten bei der Beurteilung der Schütterwirkung zu reduzieren. Das hier vorgeschlagene Teilprojekt ruht im Prinzip auf drei Säulen: Ursachenermittlung - Wirkungseinschätzung - Überprüfung.

In diesem Projekt soll durch die Entwicklung und Anwendung eines kostengünstigen seismischen Arraysystems eine großräumige Überwachung der Seismizität der Region um Landau und Insheim mit mehreren Geothermiekraftwerken sichergestellt werden. Obwohl die Array-Technologie auf eine lange methodische Entwicklung zurückblickt, betreten wir mit der Entwicklung eines kostengünstigen Arraysystems zur Detektion geothermisch induzierter Beben Neuland. Arrayverfahren bieten die Möglichkeit der genauen Ortung von seismischen Ereignissen über ausgedehnte Regionen bei deutlicher Verringerung der Gesamtzahl der benötigten seismischen Messstationen. Dabei kann auf Erfahrungen zurückgegriffen werden, die im Rahmen des BMWi Projektes FERRY (FK 0325637A) gewonnen wurden. Die dort entwickelten Methoden sollen hier erweitert und erstmals für das seismische Monitoring geothermischer Anlagen eingesetzt werden. Die Konzentration geothermischer Kraftwerke im Oberrheingraben bietet außerdem die einmalige Gelegenheit einer simultanen Überwachung mehrerer existierender und möglicher zukünftiger Standorte für geothermische Kraftwerke von zentraler Stelle aus. Gleichzeitig stellt die räumliche Nähe der Geothermiekraftwerke bei Landau und Insheim eine besondere Herausforderung für die Zuordnung der detektierten Beben zu einem der beiden Standorte dar. Deshalb wird im Rahmen dieses Teilprojekts ein innovativer methodischer Ansatz zur Detektion von induzierten Beben verfolgt. Dazu sollen spezifische Array-Musterfunktionen entwickelt werden, mit deren Hilfe unter Anwendung von Korrelationsverfahren induzierte Beben im Richtstrahl des Arrays detektiert und identifiziert werden können. Eine von den Kraftwerksbetreibern unabhängige Überwachung der seismischen Aktivität im Bereich geothermischer Anlagen, sowie die Bereitstellung relevanter Informationen über das Internet können einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der öffentlichen Akzeptanz für Projekte geothermischer Energiegewinnung darstellen.

  • BESTEC GmbH, Landau in der Pfalz, Rheinland-Pfalz: Seismische Doppelte-Differenzen-Tomographie und 3D-Lokalisierung zur Kartierung seismisch aktiver Störungen

Basierend auf dem qualitativ hochwertigen, seismologischen Langzeitdatensatz des Geothermiestandortes Insheim soll anhand des im Rahmen des MAGS2-Projektes entwickelten Minimum-1D-Geschwindigkeitsmodells eine seismische Doppelte-Differenzen-Tomographie durchgeführt werden, wobei das Minimum-1D-Modell als Referenzmodell dient. Anschließend soll das daraus hervorgehende 3D-Geschwindigkeitsmodell als Grundlage für eine probabilistische 3D-Lokalisierung benutzt werden und so die Auflösung der Hypozentren verfeinert werden, so dass sich seismische Strukturen abbilden, die mit Störungszonen korreliert werden können. Basierend auf diesen hoch aufgelösten Hypozentren und daraus abgeleiteten Herdflächenlösungen soll die Partitionierung von abgestrahlter, seismischer Gesamtenergie und Magnituden der induzierten Seismizität von bereits identifizierten und unbekannten Störungszonen ermittelt werden.

  • DMT GmbH & Co. KG, Essen, Nordrhein-Westfalen: Prognose der Einwirkung seismischer Ereignisse und Entwicklung von Reaktionsplänen basierend auf Erschütterungsmessungen, Mikrozonierung und Wellenformmodellierungen

Im Teilprojekt der DMT wird die Prognose der Einwirkungen seismischer Ereignisse an den Standorten Insheim und München untersucht. Die Einwirkungen auf die Infrastruktur (Wohngebäude) basieren auf mehreren Faktoren: der Ereignisstärke (Magnitude), der Hypozentralentfernung, Verstärkungseffekten sowie dem Übergang Freifeld-Gebäude. Hierbei können insbesondere lokale Verstärkungen sowie der Gebäudeübergang zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung der Einwirkung an Standorten führen, an denen keine (Erschütterungs-) Messung durchgeführt wurde. Die Quantifizierung der oberflächennahen Verstärkungen wird daher flächig mit aktiven und passiven Messungen sowie Wellenformmodellierungen durchgeführt (Mikrozonierung). Des weiteren wird durch Messungen im Freifeld sowie in Gebäuden der Feifeld-Gebäudeübergang ermittelt. Hieraus ergibt sich, in Kombination mit zu entwickelnden Amplitudenabnahmebeziehungen, die Prognose der Wahrscheinlichkeit der Überschreitung von Anhaltswerten (nach DIN 4150-3) sowie die Prognose möglicher Einwirkungsbereiche nach der novellierten Einwirkungsbereichs-Bergverordnung. Diese Prognose ist, zusammen mit anderen einfacheren Methoden der Gefährdungsbeurteilung, für das innerstädtische Geothermieprojekt der SWM in München von besonderer Bedeutung. Basierend auf den Ergebnissen der Untersuchungen und der Mikrozonierung wird zudem ein Reaktionsplan für das Projekt in München entwickelt.

Testgebiete, Untersuchungsgebiete

Raum München, Oberrheingraben

Weblinks

https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/26?op=enargus.eps2&m=0&v=10&p=0&d=&s=0&q=seiger

zuletzt bearbeitet März 2020