Die folgende Fragensammlung ist ein Auszug aus der umfangreichen Broschüre von Frank Schilling, Ingrid Stober, Birgit Müller und Ernst Kiefer: "Häufig gestellte Fragen zur Tiefen Geothermie (Frequently Asked Questions)" des LFZG – Landesforschungszentrum Geothermie, Baden-Württemberg.
Im Rahmen einer Förderung durch das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg hat das Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) den Fragen- und Antworten-Katalog (FAQ) in Zusammenarbeit mit einem bundesweiten Arbeitskreis erstellt. Der Arbeitskreis setzte sich aus Expertinnen und Experten aus der Industrie und Wirtschaft, aus Verwaltung und Genehmigungsbehörden, von Naturschutzverbänden, Versicherungen sowie wissenschaftlicher Einrichtungen zusammen. Ziel des Arbeitskreises war es, die anstehenden Fragen nach dem neuesten Stand von Wissenschaft und Technik zu beantworten. Teilweise wird ein regioanler Bezug zu Baden-Würtemberg aufgebaut. Die Antworten lassen sich ggf. jedoch auch auf andere Teile Deutschalnds übertragen.
Häufig gestellte Fragen bzw. Bedenken in Bezug auf Tiefe Geothermie lassen sich in folgende Themen unterteilen:
Den vollständigen Text finden Sie auf der Webseite des LFZG.
Der Thermalwasserkreislauf einer Geothermieanlage ist im Betrieb übertage vollständig geschlossen. Es gibt also keine Emissionen von flüssigen oder gasförmigen Stoffen aus dem Untergrund. Bei Revisionsarbeiten können Tiefenwässer zeitweise in obertägigen Becken (ohne Abfluss) gelagert werden. Potentielle Emissionen werden überwacht. Bei luft- oder wassergekühlten Anlagen zur Stromerzeugung wird nicht das geförderte Thermalwasser verdampft, sondern es wird Leitungswasser verdampft. Geothermische Anlagen ausschließlich zur Wärmeversorgung benötigen im Betrieb keine Kühlanlagen.
Da keine Wasserspeicher im geschlossenen Kreislauf eingesetzt werden, wird dieselbe Menge, die gefördert wird, automatisch unmittelbar auch wieder in den Untergrund, normalerweise in dieselbe Gesteinsschicht, verbracht.
Ziele eines Anlagenbetreibers sind ein effizienter und nachhaltiger Betrieb der Geothermieanlage. Daher sollte mit möglichst geringem Druck das Wasser wieder in den Untergrund verbracht werden (Injektionsbohrung). Entscheidend für den Anlagenbetreiber sind die untertägige hydraulische Durchlässigkeit sowie die Güte der Verbindung der beiden Bohrungen miteinander.
Im Vorfeld des Baus der Geothermiebohrungen werden Berechnungen (numerische Modellberechnungen) durchgeführt, die Aufschluss über einen optimalen Abstand der beiden Bohrungen im Aquifer liefern. Um die Anlagen sicher zu betreiben, werden Druck, Temperatur und weitere Parameter beim Probe- und Dauerbetrieb gemessen (Monitoring) und mit den zugelassenen Betriebsbedingungen verglichen. Bei Abweichungen wird die Förderrate entsprechend geändert. Zur Effizienzsteigerung kann z.B. eine weitere Bohrung oder ein sogenannter Sidetrack (eine seitliche Ablenkung aus einer bereits existierenden Bohrung) abgeteuft werden.
Der vollständige und zeitnahe Rückfluss liegt auch im Interesse des Anlagenbetreibers, da aufgrund der meist hohen Mineralisation mit zunehmender Verweildauer des Thermalwassers im Thermalwasserkreislauf die Wahrscheinlichkeit von ungewollten Mineralausfällungen ansteigt. Diese würden kostenintensive Wartungsarbeiten verursachen.
Durch die Förderung von Thermalwasser kann sich die Durchlässigkeit im Förderbereich des Aquifers (tiefer Grundwasserleiter) verändern. Auch im Wasser-Rückführungsbereich kann sich die Durchlässigkeit je nach Gegebenheiten erhöhen oder reduzieren. Durch regelmäßige Messungen mit Überprüfung (Monitoring) von Förderrate (Wasser-Rückführungsrate), Druck, Temperatur und den chemischen Eigenschaften des Thermalwassers wird überwacht, dass keine unerwünschten Veränderungen im genutzten tiefen Grundwasserleiter auftreten.
Tiefbohrungen werden etappenweise mit abnehmendem Durchmesser (konzentrisch) erstellt, so dass im oberen Bereich mehrere Rohre (sogenannte Rohrtouren) mit verschiedenen Durchmessern ineinander stehen und gegeneinander zementiert sind (Abbildung 3.2) und somit einen erhöhten Schutz für oberflächennahe Grundwasserleiter darstellen.
Zwischen den Rohren befinden sich die Ringräume, die entweder mit Zement oder Flüssigkeiten gefüllt sind. Über flüssigkeitsgefüllte Ringräume lassen sich Undichtigkeiten frühzeitig beobachten.
Das Ausbaumaterial der Tiefbohrung (spezielle Stähle, Spezialkunststoffe) wird auf die korrosiven Eigenschaften der Tiefengrundwässer abgestimmt (Prognose des Verhaltens). Tiefbohrungen werden heutzutage so ausgeführt, dass die äußerste Verrohrung der Bohrung mit Hinter-Zementation dicht an das umgebende Gestein angeschlossen ist und
keine vertikalen Wegsamkeiten entlang der Bohrung auftreten. Diese so genannte Integrität der Tiefbohrung wird durch Monitoring überwacht. Die „Technische Regel Bohrungsintegrität“ (BVEG) und weitere Standards (NORSKO D-010, 2013) beschreiben dazu einen umfangreichen Maßnahmen-Katalog. Dazu zählen u.a. eine Qualitätssicherung der Zementation, eine Drucküberwachung der Ringräume in den Bohrungen zum Nachweis von deren Dichtigkeit sowie eine Abschätzung
der Korrosionsrate der Barriere-Elemente (Futterrohre).
Bei Bedarf können vor Ort in der Bohrung zudem Wandstärkenmessungen der Rohre vorgenommen und die Korrosion überwacht werden. Durch Vergleich mit den Messergebnissen bei Inbetriebnahme können die Korrosionsrate bestimmt, mit den Prognosen verglichen und Aussagen zur Integrität getroffen werden. Weitere wichtige Informationen zur Bohrungsintegrität liefern die kontinuierliche Aufzeichnung von Druck, Temperatur und Hydrochemie. Werden Undichtigkeiten festgestellt kann und muss der undichte Bereich repariert werden.
Bei Tiefbohrung ist grundsätzlich sicherzustellen, dass keine nachteilige Veränderung des oberflächennahen Grundwassers, in welchem Benutzungen (Trink- und Brauchwasser) ausgenommen thermale Nutzungen vorkommen, erfolgt und dass verschiedene Grundwasserleiter hydraulisch nicht miteinander verbunden werden. Da Tiefbohrungen im oberen Bereich
aus mehreren ineinander gestellten Rohren bestehen, bei denen die Zwischenräume zusätzlich zementiert sind, entsteht ein Multibarrierensystem. Bei derartigen ineinandergreifenden und hinterzementierten Verrohrungen, wie sie in Baden-Württemberg zugelassen werden, ergibt sich dadurch eine hohe Sicherheit für die oberflächennahen, grundwasserführenden Schichten.
Durch Förderung und Wasser-Rückführung von heißem bzw. warmem Tiefengrundwasser kommt es durch Wärmeleitung im Untergrund im Nahbereich der Bohrungen zu Temperaturauswirkungen auf oberflächennahe Grundwässer. Nur im Nahbereich ist mit einem Einfluss auf die Grundwasser-Mikrofauna (und ihren Lebensgemeinschaften) zu rechnen. Im Vergleich zu anderen erdverlegten Leitungen (z.B. Wasserleitungen, Abwasserleitungen, erdverlegte Hochspannungskabel) sind der beeinflusste Bereich und damit die Auswirkungen deutlich geringer.
Bereits bei der Geothermie-Planung und über die Genehmigung durch Fachbehörden wird sichergestellt, dass keine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit oberflächennaher Grundwasserleiter zu befürchten ist und dass insbesondere keine vorgesehenen oder bereits genutzten oberflächennahen Grundwasserleiter beeinträchtigt werden. So sind beispielsweise tiefe Geothermiebohrungen in den Trinkwasserschutzzonen I und II verboten und nur unter speziellen geologischen Bedingungen in der Zone III genehmigungsfähig. Entsprechendes gilt für Heilquellenschutzgebiete. Auf diesem Wege wird die Trinkwasser-, Heilwasser- und Thermalwasser-Gewinnung zusätzlich geschützt.
Regelmäßige Überwachungen verschiedener Parameter in der Tiefbohrung helfen frühzeitig Defekte zu erkennen. Zusätzlich kann ein Messstellennetz im oberflächennahen Grundwasserleiter (in der Nähe der Tiefbohrung) dazu beitragen, dass eine Leckage von Tiefenwasser in oberflächennahe Grundwasserleiter frühzeitig entdeckt werden kann und geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Eine chemische Analyse der Tiefenwässer vor Inbetriebnahme erlaubt eine detaillierte Risikobetrachtung. Dadurch kann das Überwachungskonzept entsprechend angepasst werden.
Bei der Tiefen Geothermie können natürliche radioaktive Stoffe, die aus dem Gestein stammen und im Wasser gelöst sind, mit dem Thermalwasserkreislauf an die Oberfläche gelangen. Die radioaktiven Stoffe können sich im Inneren von Rohrleitungen ablagern oder als Schlämme anfallen. Dies geschieht im geschlossenen Teil der Anlage. Aus der Analyse der Wässer und Ausfällungen sind die erforderlichen Maßnahmen zu treffen, die gegenüber den zuständigen Behörden anzuzeigen sind. Das Vorkommen der radioaktiven Stoffe ist prozessbedingt und ist mit industriellen und bergbaulichen Anlagen vergleichbar. Der Umgang mit radioaktiv verunreinigten Schlämmen und Ablagerungen ist im Strahlenschutzrecht geregelt. Abhängig von den Bedingungen vor Ort sind erforderlichenfalls dauerhafte Schutzmaßnahmen zu treffen, um Mensch und Umwelt vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung zu schützen. Zu betrachten sind hierbei die prozessbedingt anfallenden radioaktiven Stoffe, die überwacht, gelagert oder zu beseitigen sind.
Bei der Ermittlung der Strahlenexposition von Personen sind jeweils realistische Expositionspfade (Ausbreitungswege) und -annahmen zu Grunde zu legen. Sofern erforderlich werden vom Verantwortlichen Strahlenschutzmaßnahmen zur Dosisminimierung und gezielte Überwachungsmaßnahmen durchgeführt. Die arbeitsschutzrechtlichen Regelungen zu radioaktiven Stoffen werden überwacht und erforderlichenfalls Maßnahmen angeordnet.
Ob und in welchem Umfang radioaktive Stoffe im übertägigen, geschlossenen Teil der Geothermie- Anlage entstehen, hängt von standortspezifischen Faktoren ab. Generell können natürliche radioaktive Stoffe in Abhängigkeit der hydrogeologischen Gegebenheiten durch Wasser-Gesteinswechselwirkungen im Untergrund freigesetzt und im Thermalwasser mittransportiert werden. Hierbei wirken sich hohe Temperaturen, sowie ein hoher Salzgehalt des Thermalwassers begünstigend für die Mobilität der radioaktiven Stoffe aus.
Kommt es bei der geothermischen Nutzung dieser Thermalwässer zur Änderung thermodynamischer Parameter (Temperatur, Druck), kann dies in einigen Komponenten des übertägigen Anlagensystems zur Bildung von radioaktiven Ablagerungen führen. Hierbei werden vor allem Mischkristalle von Baryt (BaSO4) und Coelestin (SrSO4) beobachtet die aufgrund des chemisch ähnlichen Verhaltens von Radium zu Barium (Strontium) zum Einbau der instabilen Radium-Isotope neigen.
Darüber hinaus können an einigen Standorten auch Ablagerungen von Bleisulfid (PbS) beobachtet werden, die neben den stabilen Isotopen des natürlich vorkommenden Bleis (Pb) auch das radioaktive Pb-210 enthalten. Die Bildung von Ablagerungen, sogenannter Scales, ist bereits aus der Erdgas- und Erdölindustrie bekannt und kann durch den Einsatz
geeigneter Inhibitoren (Hemmstoffe) reduziert und teilweise vollständig vermieden werden.
Die Entsorgung von radioaktiven Stoffen unterscheidet sich bei der Tiefen Geothermie nicht von anderen Nutzungsbereichen. Insofern ist die Entsorgung natürlicher radioaktiver Stoffe hier allgemein beschrieben. Inwieweit bei der Tiefen Geothermie Maßnahmen erforderlich sind, hängt von den jeweiligen
Örtlichkeiten und der Anlagentechnik ab. Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist in Deutschland durch das Strahlenschutzgesetz
und die Strahlenschutzverordnung geregelt. Im neuen Strahlenschutzgesetz und in der neuen Strahlenschutzverordnung sind für die Entstehung prozessbedingter natürlicher radioaktiver Stoffe, sogenannte „Rückstände“, gezielte Regelungen für die Überwachung, Verwertung und Entlassung aus dem strahlenschutzrechtlichen Regime geschaffen worden.
Für die Beurteilung, ob Rückstände in der Überwachung verbleiben, verwertet oder beseitigt werden können, sind sogenannte „Überwachungsgrenzen“ eingeführt worden.
Zur Minimierung der effektiven Dosis pro Kalenderjahr ist für Einzelpersonen der Bevölkerung der Richtwert von 1 Millisievert (Maßeinheit einer Strahlendosis) im Kalenderjahr
einzuhalten. Für die Beurteilung, Messung und Festlegung der Überwachungsgrenzen ist vorgesehen, eine fachkundige Person einzubinden. Weiterhin ist geregelt, dass angefallene Rückstände nicht vermischt oder verdünnt werden dürfen, um die Überwachungsgrenzen zu unterschreiten. Die Lagerung von Rückständen ist bei der zuständigen Behörde anzumelden. Eine Entlassung aus der Überwachung ist bei der Behörde anzuzeigen (ggf. ist ein Rückstandskonzept vorzulegen). Eine geplante Verwertung oder Beseitigung der Rückstände muss entsprechend des Strahlenschutz- und Abfallrechts erfolgen. In Baden- Württemberg ist das Regierungspräsidium Freiburg für die Überwachung von Rückständen nach dem Strahlenschutzrecht zuständig.
Eine umfassende Thermalwasseranalytik liefert wertvolle Daten vor und während des laufenden Betriebs geothermischer Anlagen. Entscheidend für die langanhaltende Betriebsfähigkeit ist eine nachhaltige Bewirtschaftung des geothermischen Aquifers. Dafür sind sowohl die Bestimmung des Ausgangzustands direkt nach der Aquifererschließung als auch ein kontinuierliches und standortspezifisches Monitoring im laufenden Betrieb mindestens bis zum Rückbau notwendig.
Während der Betriebsphase sind die Wasserzusammensetzung, ebenso wie manche physikalischen Parameter, wie beispielsweise
Förderrate und Temperatur, keine konstanten Parameter und bedürfen dauernder Beobachtung.
Außerdem können Maßnahmen hinsichtlich der Überwachung von Ringraumabdichtung, Leckage, Korrosion, Ausfällungen (Scales) und anfallende Radioaktivität notwendig
sein. Das Monitoringkonzept muss daher physikalische, chemische sowie isotopenchemische Untersuchungen von Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen umfassen. Neben der Analyse von Wasser- und Feststoffproben, umfassen radiochemische Monitoringsysteme zusätzlich die regelmäßige Messung der lokalen Ortsdosisleistung (ODL) des obertätigen Anlagensystems. Dieser ganzheitliche Monitoringansatz dient zum einen der Sicherstellung des Mitarbeiterschutzes und der Anlagensicherheit. Zum anderen können (sofern nötig) Schritte zur vorschriftsmäßigen Entsorgung radioaktiver Abfälle eingeleitet werden.
Bei hydrothermaler Geothermie über Einleitungs- und Förderbohrungen ist die Volumenänderung im Untergrund so gering, dass es zu keinen Schäden an der Oberfläche kommt, zumal das entnommene Wasser wieder in den Untergrund rückgeführt wird. Hohlräume entstehen durch Lösungsvorgänge insbesondere im oberflächennahen Karstgestein. Im bohrlochnahen Bereich kann durch Auflösungen in sehr geringem Umfang im Bereich der Injektionsbohrung zusätzlicher Hohlraum geschaffen werden. Die Erfahrungen bestätigen die Berechnungen, dass dadurch keine Schäden an der Oberfläche zu erwarten sind.
Wichtig ist, dass das abgekühlte Wasser zurück in den Entnahmehorizont verbracht wird, eine hydraulische Verbindung zwischen Wasser- Rückführungsbohrung und Förderbohrung im Untergrund ist dafür erforderlich. So können Schäden wie im Kohlebergbau oder bei der Erdöl- und Gasförderung vermieden werden.
Aufgrund der Erfahrung bei bestehenden Geothermieanlagen im Rheingraben beläuft sich die jährlich anfallende Feststoffmenge
(Ausfällungen, kleine Gesteinsfragmente) in den Filtern und anderen technischen Komponenten der Kraftwerke auf deutlich weniger als 1 m³ pro Anlage und pro Jahr. Damit ergeben sich keine größeren Volumendefizite und Hohlraumbildungen. Die Feststoffe müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Dazu gibt es rechtliche Vorgaben.
Veränderungen in Gesteinen durch Thermalwasserzirkulation können im Wesentlichen nur in der unmittelbaren Bohrlochumgebung
auftreten. Die chemische Zusammensetzung im Untergrund wird durch die geothermische Zirkulation nicht wesentlich verändert. Es gibt jahrzehntelange Erfahrung durch Thermalwasserbohrungen und auch durch viele Erdölund Erdgasbohrungen im Oberrheingraben, die erwartungsgemäß keine Probleme durch solche Prozesse zeigen. Dasselbe gilt für Geothermieanlagen.
Anhydrit kann sich bei Wasserzufluss in Gips umwandeln, was mit einer starken Volumenzunahme verbunden ist (Beispiel Staufen). Die Tiefenlage des
Anhydrits ist dabei entscheidend. Wird bei einer Tiefbohrung Anhydrit in großen Tiefen (> 400m) angetroffen, reicht der Quelldruck des Gesteins nicht aus, um Hebungen auszulösen, da die Auflast zu groß ist. Dasselbe Prinzip gilt auch für andere quellfähige Substanzen wie Tonminerale. Bei den hohen Temperaturen, wie sie in Tiefbohrungen in größeren Tiefen angetroffen werden, ist außerdem Anhydrit stabil und wandelt sich nicht in Gips um. Das Durchbohren quellfähiger Schichten (Anhydrit, Tonminerale) wird bei der Bohrplanung vermieden. Ist ein Durchteufen quellfähiger Schichten notwendig, werden erprobte bohrtechnische Lösungen genutzt, um ein unbeabsichtigtes Quellen zu vermeiden. Dazu gehören rasches Durchteufen und Abdichten der Bohrung, um Zutritt von Wasser in diese Schichten zu vermeiden, sowie die Nutzung einer speziellen Bohrspülung für diesen Bohrabschnitt, die das Quellen hemmt (inhibitierende Bohrspülung).
Im Untergrund kann es durch Abkühlung zu einer Kontraktion des Gesteins im Nahbereich der Wasser-Rückführungsbohrung kommen. Aufgrund der geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gesteins ist der Kontraktionseffekt in der hydrothermalen Geothermie sehr gering. Temperaturänderungen im Untergrund können grundsätzlich zu Spannungsänderungen führen und zur Auslösung von nicht spürbaren Beben beitragen (Abschnitt 6). Mit modernen numerischen Modellrechnungen können die
Auswirkungen der Temperaturänderungen vorab prognostiziert werden. Durch die Eingabe von abgekühltem Wasser in den Aquifer kann sich die Durchlässigkeit im Nahbereich um die Einleitungsbohrung verändern. Auch dieser Sachverhalt lässt sich bereits im Vorfeld mit numerischen Verfahren feststellen.
Der Zerbrechungsdruck (Höhe des Drucks, der zum Zerbrechen von Gestein führt) muss vor Beginn eines Testbetriebs z.B. durch Tests bestimmt
werden bzw. bekannt sein. Der Druck in einem Aquifer muss im Testbetrieb und im späteren Dauerbetrieb unterhalb des Zerbrechungsdrucks insbesondere der überlagernden und unterlagernden Gesteine liegen. Dauerbetrieb bedeutet ständige Entnahme aus und Rückleitung von Thermalwasser in
den Aquifer. Der Druck in der Bohrung beim Einleiten des Wassers muss dabei kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet werden. Die Druckverhältnisse in einem Aquifer nähern sich dabei einem Gleichgewicht an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zerbrechungsdruck für den spezifischen Aquifer nicht überschritten wird. So wird ein Aufbrechen des Gebirges vermieden. Damit keine größeren Brüche entstehen (spürbare Seismizität), wird zusätzlich ein seismisches Monitoring genutzt und ggf. der Druck im Aquifer reduziert oder die Anlage abgeschaltet.
Der Zerbrechungsdruck (Höhe des Drucks, der zum Zerbrechen von Gestein führt) muss vor Beginn eines Testbetriebs z.B. durch Tests bestimmt werden bzw. bekannt sein. Der Druck in einem Aquifer muss im Testbetrieb und im späteren Dauerbetrieb unterhalb des Zerbrechungsdrucks insbesondere der überlagernden und unterlagernden Gesteine liegen. Dauerbetrieb bedeutet ständige Entnahme aus und Rückleitung von Thermalwasser in den Aquifer. Der Druck in der Bohrung beim
Einleiten des Wassers muss dabei kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet werden. Die Druckverhältnisse in einem Aquifer nähern sich dabei einem Gleichgewicht an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Zerbrechungsdruck für den spezifischen Aquifer nicht überschritten wird. So wird ein Aufbrechen des Gebirges vermieden. Damit keine größeren Brüche entstehen (spürbare Seismizität), wird zusätzlich ein seismisches Monitoring genutzt und ggf. der Druck im Aquifer reduziert oder die Anlage abgeschaltet.
Der Druck des wiedereingeleiteten Wassers hängt von den Aquifereigenschaften, der Menge des wiedereingeleiteten Wassers pro Zeit (Wasser-Rückführungsrate) und der Bohrung ab. Die hierfür wesentliche Eigenschaft des Aquifers ist seine Durchlässigkeit. Die Durchlässigkeit (Permeabilität) eines Aquifers beruht hauptsächlich auf der Poren-/Kluftgröße und der Verbindung der Poren/Klüfte untereinander. Darüber hinaus besteht eine Abhängigkeit des Drucks vom Bohrlochdurchmesser, der Länge der Bohrung im Reservoir, der Temperatur des eingebrachten Wassers und der Durchlässigkeit in der Bohrlochumgebung. Der Druck des wiedereingeleiteten Wassers breitet sich von der Einleitungsbohrung mehr oder weniger radial im Aquifer aus und nimmt nach der Seite stark ab. Der Druck im Aquifer ist an die Förderrate (die auch der Menge des wiedereingeleiteten Wassers pro Zeit entspricht) gekoppelt. Die maximale Wasser-Rückführungsrate (bzw. der maximale Injektionsdruck) wird durch einen hydraulischen Test vor Inbetriebnahme der Geothermieanlage ermittelt, um das Auslösen einer spürbaren Seismizität zu vermeiden
Beim Bohrvorgang kann es zu kurzfristigen Bohrspülungsverlusten aber auch zu Zuflüssen von Grundwasser kommen. Dauerhafte
Bohrspülungsverluste und Zuflüsse müssen vermieden werden. Zuflüsse und Bohrspülungsverluste werden über die elektronisch überwachten Tankstände der Bohranlage erkannt und ausgeglichen. Bohrspülungsverluste in Aquifere mit sehr geringen Durchlässigkeiten sind in der Regel sehr gering und liegen im Bereich von wenigen Litern pro Minute. Bei geringen Bohrspülungsverlusten versiegelt der Bohrschlamm die Bohrlochwand als Membran (Filterkuchen) und lässt nur Feinmaterial und Flüssigkeiten in das umgebende Gebirge eindringen. Gröbere Bestandteile werden zurückgehalten, so dass der Bohrschlamm die Bohrlochwand versiegelt und die Bohrspülungsverluste letztendlich gegen Null gehen.
Im sehr stark geklüfteten oder verkarsteten Gebirge können auch höhere Bohrspülungsverluste auftreten. Befindet sich diese Zone nicht im Reservoirbereich, ist es erforderlich, schnellstmöglich chemisch neutrales Verstopfungsmaterial einzuzirkulieren und/oder wenn nötig noch grobe, umwelt-neutrale Partikel
(wie Nußschalen, Muschelschalen, Gesteinsfragmente, Textilfasern oder Zellulose) zuzufügen. Diese Materialien reduzieren die offenen Durchlässe soweit, dass sich wieder ein „Filterkuchen“ aus der Bohrspülung aufbauen kann. So kann der Bohrspülungsverlust gestoppt werden. Falls hohe Bohrspülungsverluste im Reservoirbereich auftreten, sind sie ein Zeichen für eine gute Ergiebigkeit des Thermalwasser führenden Aquifers.
Können Bohrspülungsverluste außerhalb des vorgesehenen Nutzhorizontes trotz Einsatz von Verstopfungsmaterial nicht eingedämmt werden, ist eine Fortsetzung des Bohrvorgangs nicht mehr möglich, da dann z.B. die Bohrlochstabilität und die Förderung des Bohrkleins nicht mehr gewährleistet werden können. In diesem Fall wird die „Verlustzone“ zuzementiert und die zementierte Strecke später erneut durchbohrt. In extremen Fällen kann es auch notwendig werden, die Bohrung teilweise oder vollständig zu verfüllen (Rückverfüllung). Unter Umständen erfolgt eine Rückzementation mit anschließender Ablenkung des Bohrpfads (sidetrack), um die Problemzone zu umgehen. Voraussetzung ist jedoch, dass das Bohrziel technisch noch erreicht werden kann.
Eine signifikante Druckerhöhung durch Spülungsverluste auf offenen Kluftsystemen kann zu einer Aktivierung einer durch tektonischen
Druck vorgespannten Störungsfläche führen. Damit kann das Auftreten seismischer Ereignisse nicht gänzlich ausgeschlossen werden.
Allerdings sind hohe Bohrspülungsverluste aufgrund der hohen Durchlässigkeit des Gesteins nur mit geringer Druckerhöhung verbunden, so dass das seismische Risiko sehr gering ist.
Teile von Baden-Württemberg sind tektonisch aktiv, d.h. dort treten natürliche Erdbeben auf, dies ist insbesondere im Oberrheingraben
und in der Albstadt-Scherzone der Fall. Im Untergrund von Baden-Württemberg sind seit 1994 mehr als 3200 natürliche Erdbeben mit Magnituden zwischen 0 und 5,4 (Maximum: Waldkirch – Erdbeben 2004) aufgetreten, viele davon im Oberrheingraben (Abbildung 6.2, 6.3). Das Beben von 1978 am Rand der Schwäbischen Alb war mit Magnitude 5,7 das größte Beben in BW innerhalb der letzten 100 Jahre und hat Schäden hervorgerufen. Insgesamt sind 16 induzierte Erdbeben für Baden- Württemberg angegeben, die maximale Magnitude lag bei < 2. Das induzierte Beben von Vendenheim in Frankreich, das in Baden- Württemberg verspürt werden konnte, hatte eine Magnitude von ca. 4,0 und ist damit energetisch betrachtet immer noch rund 50 mal geringer als das größte natürlich vorgekommene Erdbeben. Die meisten induzierten Beben werden im Zusammenhang mit Bergbau und Steinbruch- Arbeiten beobachtet (Sprengungen). Im Zusammenhang mit Geothermie gab es in
Baden-Württemberg beim Forschungsvorhaben Bad Urach eine massive Stimulation, die zu 16 registrierten Erdbeben bis zur Magnitude 1,8 geführt haben (Energiefreisetzung ein Millionstel des Erdbebens am Rand der Schwäbischen Alb von 1978). Keines der induzierten Ereignisse wurde verspürt. Bei dem damaligen Forschungsprojekt in Bad Urach handelte es sich um ein EGS-Projekt (als EGS Systeme werden geothermische Konzepte verstanden, bei denen gezielt die Durchlässigkeit des Zielhorizontes durch z.B. hohe Wasser drucke künstlich erhöht wird, – Engineered Geothermal Systems. Bei den zugelassenen Vorhaben in Deutschland handelt es sich ausschließlich um Projekte in thermalen Aquiferen – (Hydrothermale Systeme).
Das Auftreten und die Größe von induzierten Erdbeben hängen ab von:
Die beiden ersten Punkte kann man vorab untersuchen. Größerer Störungen können in Sediment-Abfolgen im Untergrund mit Hilfe einer 2D/3D-Seismik identifiziert werden; das Spannungsfeld kann aus Publikationen (z.B. World-Stress-Map, Heidenbach et al., 2018) abgeleitet werden. Geomechanische numerische Modellierungen erlauben daher im Vorfeld eine Abschätzung potentieller Risiken. Anhand der Ergebnisse lässt sich das Risiko minimieren (Vorsorge), z.B. durch Änderung des Bohrpfades.
Erdbeben, weit unter der Schwelle von Spürbarkeit und Schäden, können mit einem Erdbeben-Monitoringsystem erfasst werden. Es wird bereits vor der ersten Bohrung eingerichtet, um die Veränderungen gegenüber der natürlichen Seismizität zu erfassen. Mit dem Monitoringsystem können sehr kleine, nicht spürbare Mikrobeben mit ihrer Magnitude identifiziert und lokalisiert, sowie maximale Schwinggeschwindigkeiten an der Erdoberfläche abgeschätzt werden. Damit verfügt der Betreiber über die Informationen, mit denen er den Betrieb der Anlage auslegen kann, um zu hohe Bodenschwinggeschwindigkeiten zu vermeiden. Für die Einrichtung der Monitoringstationen und die Messungen gibt es Standards aus den Erfahrungen von Projekten weltweit (DIN 4149, DIN 4150). Zur Messung der tatsächlichen Bodenschwinggeschwindigkeit gibt es ebenfalls Spezialgeräte.
Für Bohr-, Test- und Betriebsphasen wird ein mit der Behörde abgestimmtes, verbindliches System, z.B. die sogenannte Ampelsteuerung, eingeführt. Diese verfügen über verschiedene Phasen (Grün, Gelb und Rot). Grün liegt vor, wenn die Anlage planmäßig funktioniert. Bei Auftreten von messbaren aber noch nicht unbedingt spürbaren Bodenbewegungen über festgelegten Schwellenwerten (Gelb oder Rot) sind im Vorfeld festgelegte, verbindliche Maßnahmenabläufe durch den Anlagenbetreiber
durchzuführen, die z.B. zu einer kontrollierten Reduzierung des Betriebs (Gelb) und wenn nötig zur Einleitung von Abschaltungsmaßnahmen führen (Rot), um das Auslösen spürbarer Seismizität zu vermeiden.
Induzierte Seismizität wurde im Zusammenhang mit einigen Geothermieprojekten (Frankreich, Schweiz, Rheinland-Pfalz) im Oberrheingraben und in der Molasse in Bayern
beobachtet. Messdaten liegen den Betreibern vor und ab einer bestimmten Magnitude sind sie auch in den Erdbebenkatalogen der Landeserdbebendienste aufgeführt.
Die Erfahrungen zeigen, dass die bisherigen langfristigen hydrothermalen Nutzungen wie z.B. im Pariser Becken (über 50 Jahre) oder in Riehen b. Basel (über 26 Jahre) meist keine spürbare Seismizität gezeigt haben. Bei diesen Geothermieanlagen handelt es sich ausschließlich um hydrothermale Projekte, die gut durchlässige tiefe Grundwasserleiter erschließen. In Poing (Bayern) wurde eine spürbare Seismizität nach ca. 7 Jahren Betrieb im Grundgebirge ausgelöst; Schäden sind uns nicht bekannt.
Der Bereich der Abkühlung ist auf die Umgebung der Wasser-Rückführungsbohrung (Injektionsbohrung) beschränkt. Dieser Abkühlungsbereich wächst mit der Zeit an, liegt aber auch am Ende der Betriebsdauer einer geothermischen Anlage typischerweise im Bereich von wenigen hundert Metern. Im Abkühlungsbereich können zusätzliche Spannungen im Gestein durch die Temperaturänderungen entstehen. Diese zusätzlichen Spannungen durch die Temperaturänderung können an Störungen zum Auftreten von Seismizität führen. Diese Spannungsänderungen aufgrund von Temperaturänderungen wirken auch über den eigentlichen Abkühlungsbereich hinaus, verlieren mit zunehmendem Abstand aber schnell an Intensität.
Geothermische Standorte werden in der Regel so ausgesucht, dass größere Störungen, auf denen durch Spannungsänderung spürbare Erdbeben ausgelöst werden können, im Untergrund nicht in der unmittelbaren Umgebung liegen, um eine spürbare induzierte Seismizität zu vermeiden. (Kleine Bruchflächen > kleine Erdbeben, große Bruchflächen > große Erdbeben).
Ähnlich wie bei Bautätigkeiten können bei der Tiefen Geothermie Bodenschwingungen entstehen. Dafür gibt es Vorgaben/Richtwerte in Form von DIN-Normen (z.B. DIN 4149 und DIN 4150 – Erschütterungen im Bauwesen). Diese sind so gewählt, dass keine Schäden an Gebäuden entstehen sollten. Diese Vorgaben gelten auch für die Errichtung und den Betrieb der Geothermie-Anlagen. Dazu gehört, dass die maximale Bodenschwinggeschwindigkeit an der Erdoberfläche, die erzeugt wird, die vorgegebenen Richtwerte unterschreitet.
Ein vorgeschriebenes Schadenserfassungssystem existiert nicht. Jeder kann Schäden an den Betreiber melden (ähnlich wie bei einem Straßenbauprojekt). Oft steht dafür ein Ombudsmann vor Ort für die Projekte zur Verfügung (Anlaufstelle und eine rasche Schadensregulierung). Die Schäden können durch Sachverständige bezüglich Verursacher geprüft werden.
Wird die Wärme direkt genutzt stehen 100 % der geförderten Wärme abzüglich der Wasser- Rückführungswärme zur Nutzung zur Verfügung. Die Förderpumpe (ggf. auch die Wasser- Rückführungspumpe) muss dabei elektrisch betrieben werden. Der Strombedarf dafür hängt von den lokalen Gegebenheiten und der Zirkulationsrate ab. Wird die Geothermie zur Stromerzeugung genutzt, können bis zu 14 % der geförderten Energie in Strom gewandelt werden. Auch hier muss die Leistung der Pumpe abgezogen werden.
Grundsätzlich mindestens zwei – eine Förderbohrung, eine Wasser-Rückführungsbohrung. Beispielrechnung: Bei einer Temperatur von
90 °C in 2.000 m Tiefe und einer Temperatur von 40 °C, mit der das Thermalwasser wieder in den Untergrund zurückgeleitet wird, müssten ca. 150 l/s Thermalwasser gefördert
werden, um 30 MW thermisch zu generieren. Die ergiebigsten Tiefbohrungen im Münchner Raum fördern aus dem dortigen Oberjura- Aquifer bis zu ca. 150 l/s, so dass in diesem Fall eine Förder- und eine Wasser-Rückführbohrung ausreichen. Im Oberrheingraben sind die Durchlässigkeiten niedriger, so dass mindestens zwei Förder- und zwei Wasser-Rückführungsbohrungen erforderlich wären.
Gefährdung während der Erschließung und der Bauphase:
Gefährdung beim Dauerbetrieb der Anlage:
Als Hauptgefährdung beim Dauerbetrieb wird der Austritt von Arbeitsmitteln gesehen, beispielsweise von organischen Flüssigkeiten im ORC-Kreislauf des Kraftwerks (ORC – Organic Rankine Cycle, häufigstes Verfahren für den Betrieb von Niedertemperatur-Dampfturbinen zur Stromerzeugung). Moderne Anlagen werden durch eine mehrkreisige, redundante, elektronischen Sensorik überwacht und kritische Zustände über Alarmsysteme gemeldet. Sollten Undichtigkeiten auftreten, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet. Die Technik ist vergleichbar mit großen Kühlaggregaten in Lagerhallen, deshalb gelten auch vergleichbare Vorschriften. Beim Lärmschutz und anderen Belastungen gelten die entsprechenden Richtlinien, Verordnungen und Gesetze.
Geräuschemissionen während der Erschließung und der Bauphase: Hauptsächliche Quellen für Geräuschemissionen sind Baumaschinen während der Errichtung des Bohrplatzes und die Bohranlage während des Bohrbetriebs. Insbesondere die Bohranlage ist während der Bohrphase 24 Stunden im Dauerbetrieb und kann Geräusche in verschiedenen Frequenzbereichen verursachen. Nächtlicher Lärm sowie Beleuchtung durch Scheinwerfer werden als besonders störend empfunden. Deshalb müssen die Geräusche gedämmt bzw. minimiert werden und Scheinwerfer möglichst so ausgerichtet werden, dass sie in der Umgebung als weniger störend empfunden werden. Ein bewährtes Mittel sind temporäre Schallschutzwände. Bei Bohranlagen der 5. Generation werden die Dieselaggregate zum Antrieb und Energieerzeugung zunehmend durch geräuscharme strombetriebene Anlagen ersetzt. In der Nähe von Siedlungen hat sich das Bohren mit Elektroantrieb bewährt. Auch das Einhausen von
Dieselaggregaten trägt stark zur Lärmreduktion bei.
Verkehrslärm durch LKWs, die Ausrüstung und Betriebsstoffe liefern und Leergut abfahren, sowie PKW-Verkehr durch den Schichtbetrieb sind weitere Geräuschquellen. Das Verkehrsaufkommen wird in der Regel aufgezeichnet, Emissionen können ggf. durch vorgeschriebene
An- und Abfahrwege oder durch eine optimierte Lagerhaltung reduziert werden.
Belastungen durch Dauerbetrieb der Anlage: Eine häufig geäußerte Sorge ist die Lärmbelastung durch Kühlanlagen. In der Planungsphase wird geklärt, ob und bei welchem Anlagentyp eine Kühlung überhaupt notwendig ist. Bei reinen Heizwerken ist i.d.R. keine weitere Kühlung notwendig. Anlagen zur Stromerzeugung benötigen Kühlanlagen (Luftkühlung, Nasskühler). Wo möglich, kann die Wasserkühlung über einen Vorfluter erfolgen. Die Geräuschemissionen der Anlagen müssen die gesetzlichen Grenzwerte einhalten. Bei geeigneten
Bedingungen können auch anstelle von Luftkühlern s.g. Nasskühler (z.B. in Bruchsal) eingesetzt werden, die noch weniger Lärm erzeugen.
Auswirkungen auf das Landschaftsbild:
Geothermieanlagen sind Gebäude und verändern das Landschaftsbild. Im Hinblick auf das Landschaftsbild sind Geothermieanlagen wie Insheim oder Bruchsal kaum sichtbar. Mancherorts wissen nicht einmal Menschen im Ort, dass und wo eine Geothermieanlage steht. Die Beeinträchtigung ist deutlich geringer als bei vielen anderen Infrastrukturmaßnahmen. Bei der Wärmenutzung sind es meist kleinere Industriegebäude oder es werden bereits vorhandene Gebäude oder Hallen weiter genutzt
(z.B. Stadt München: alte Kraftwerkstandorte werden nachgenutzt, die Geothermie selber benötigt dabei weniger Platz und es wird innerstädtischer Raum wieder zur Verfügung gestellt, da z.B. keine Kohle und Verbrennungsprodukte gelagert werden müssen.
Kühlanlagen:
Geothermieanlagen für die Stromerzeugung benötigen Kühler, jedoch keine großen Kühltürme wie bei Kohle- oder Kernkraftwerken. Eine Schattenwirkung durch Nebelschwaden tritt nur in der Testphase auf. Das Kleinklima wird in der unmittelbaren Nähe einer Geothermieanlage, die Strom erzeugt und eine Luftkühlanlage aufweist, verändert, wie dies auch bei Hausheizungen, Klimageräten oder durch den Straßenverkehr geschieht.
Verkehrswert von Gebäuden und Grundstücken:
Es liegen keine Erkenntnisse vor, ob sich Gebäude- und Grundstückspreise aufgrund der Errichtung einer Anlage der Tiefen Geothermie
verändert haben. Eine günstige Wärmeversorgung über ein Fern- oder Nahwärmenetz spart Platz im Haus und macht das Heizen unabhängig von steigenden Öl- und Gaspreisen.
Bauphase:
In der Bauphase ist mit einem, wie normalerweisen bei größeren Baustellen, erhöhten Verkehrsaufkommen zu rechnen (PKW, LKW,
Kräne).
Betrieb:
Bei Geothermieanlagen ist im Wesentlichen der Verkehr von Betriebsmannschaften zu erwähnen, der allerdings äußerst gering ist. Bei größeren Revisionen kann auch ein Transport (LKW) und Kran notwendig sein.
Der Flächenbedarf hängt davon ab, ob es sich um eine Anlage zur Stromerzeugung oder zur Wärmenutzung handelt. Eine Stromerzeugungsanlage unterscheidet sich von einer Anlage zur reinen Wärmeversorgung durch die Kühlanlagen und das Kraftwerk. Eine kleine bis mittlere Geothermieanlage zur Stromerzeugung nimmt die Fläche einer kleinen Schulsporthalle ein. Geothermieanlagen zum Heizen benötigen nur ca. die Hälfte dieser Fläche. Werden Flächen früherer Energieerzeugungsanlagen konvertiert (z.B. in München Schäftlarnstraße), kann dies zu einem Netto- Flächengewinn für den Ort führen, da Geothermieanlagen nur einen Bruchteil der Altflächen einnehmen und so ein Teil dieser Flächen neu genutzt werden kann.
Ja, solche Versicherungen sind vorhanden und werden von den Versicherern auf das jeweilige Projekt zugeschnitten angeboten.
Vorhaben der Tiefen Geothermie dürfen nur nach Maßgabe bergbehördlicher Betriebsplanzulassungen durchgeführt werden. Die gegenwärtige
Praxis der Bergbehörde geht dahin, dass von Unternehmern der Nachweis einer Haftpflichtversicherung für Schadensfälle verlangt wird.
Das hängt natürlich von der jeweiligen Versicherung ab. In der Regel wird dazu nicht der Einzelfall bewertet, sondern pauschal eine so hohe Deckungssumme angesetzt, dass es auch für das jeweilige Projekt ausreichend ist.
Von den Behörden wird ein seismisches Messnetz gefordert. Damit kann nachgewiesen werden, ob es seismische Erschütterungen im Einwirkungsbereich der Geothermieanlage gegeben hat. Mit Hilfe eines sogenannten Pollentests kann festgestellt werden, ob ein Riss in einem Gebäude bereits älter ist (also schon vor einer Erschütterung bestand). Dabei wird überprüft, ob sich in dem Riss schon ältere Pollen befinden. Zur weiteren Klärung des Sachverhalts wird ggf. ein technischer Sachverständiger eingeschaltet.
Auch hier kommt es natürlich auf die jeweilige Versicherungsgesellschaft und die konkreten Bedingungen an. Daher werden hier nur einige grundlegende Aspekte genannt, die häufig so umgesetzt werden. Zunächst geht die Schadensmeldung bei der Projektgesellschaft ein, die dann in Regelfall auch die Versicherung informiert. Es ist dabei Aufgabe der Projektgesellschaft der Bürgerschaft entsprechende Ansprechpersonen zu nennen, die sie im Schadensfall erreichen können. Über Messnetze (wie die seismischen Messnetze) und Pollentests kann rasch eine erste Einschätzung gegeben werden, ob das Tiefe Geothermieprojekt für den Schaden verantwortlich ist. Ggf. ist eine rasche Begutachtung des Schadens vor Ort sinnvoll. Häufig beauftragt die Projektgesellschaft auch eine Vertrauensperson der Bevölkerung vor Ort – eine sogenannte Ombudsperson–, die bei der Begutachtung des Schadens bei der potentiell geschädigten Person eingebunden ist. Ggf. kann die Ombudsperson auch als Ansprechperson bei Schäden dienen.
Standartmäßig wird bei Abschluss von projektbezogenen Versicherungspolicen der Tiefen Geothermie eine Nachhaftung von 5 Jahren vereinbart, die ab Entrichtung der letzten
Versicherungsprämie in Kraft tritt und eine Nachhaftung für versicherte Schäden durch den Versicherer für 5 Jahre garantiert. Da es sich aber jeweils um Einzelvereinbarungen handelt, können abweichende Regelungen in der Versicherungspolice getroffen werden.
Üblicher Weise sind etwa 10 % des Deckungsbetrags durch die Versicherungsgesellschaft direkt abgedeckt. Der Rest wird über Rückversicherungsgesellschaften rückversichert. Auf Basis Ihrer Zulassung müssen Versicherungen zeigen, dass die Schäden, die sie versichern, auch entsprechend gedeckt sind.
Häufig werden die Versicherungsbedingungen von den Versicherungsmaklern bei Veranstaltungen, bei denen über die Projekte informiert wird, der Bürgerschaft erläutert. Hier können Ansprechpartner bei den Versicherungen oder der/die Ombudsmann/-frau hilfreich sein.
