Seismische Tiefenerkundung ermöglicht Blick in den Untergrund
Weil die weltweit steigende Nachfrage nach Energie nicht allein durch fossile Energieträger gedeckt werden kann, will die deutsche Bundesregierung den Hauptteil der Energieversorgung künftig durch regenerative Energieträger decken. Der Tiefengeothermie kommt dabei eine fundamentale Rolle zu.
Eignet sich der Untergrund für Tiefengeothermie? 23 Sprengpunkte (rote Kreise) ermöglichen es im schwarz umrandeten Gebiet eine 3-D-Kartierung durchzuführen. Mithilfe einer ausgefuchsten Datenverarbeitung lässt sich eine 3-D-Seismik erstellen, die den Untergrund ähnlich durchsichtig macht wie eine Computertomografie den Körper.
Foto: Liag
Geothermische Energie aus tiefen Lagerstätten kann für größere Wärmenetze und für die Stromerzeugung genutzt werden. Weil sie grundlastfähig ist, steht sie als einzige erneuerbare Energieart rund um die Uhr zur Verfügung. Das Bundesberggesetz regelt den Zugang zu diesem bergfreien Bodenschatz.
Planung und Auslegung einer Anlage zur Nutzung der Tiefengeothermie sind sehr anspruchsvoll. Mit den zahlreichen Parametern, teilweise stark abhängig von der geologischen Beschaffenheit des Untergrunds, des Reservoirs sowie des Wasserchemismus, beschäftigten sich die Teilnehmer des 2. Essener Fachgesprächs „Tiefe Geothermie“ bei der DMT GmbH.
Hydro- und petrothermale Tiefengeometrie
Unterschieden wird zwischen hydro- und petrothermaler Tiefengeometrie. Bei ersterer wird Erdwärme aus heißem Wasser gewonnen, das sich in durchlässigen, porösen Sedimentgesteinen befindet.
„Die geologischen Voraussetzungen zur Erschließung solcher Horizonte sind in Deutschland vornehmlich im Großraum München zu finden, im sogenannten Malm des Molassebeckens“, erläutert der Geologe Thorsten Steiger vom Geotec Consult Ingenieurbüro Uhlig + Partner, Markt Schwaben. Dort wird die Geothermie vor allem genutzt, um Heizwärme zu gewinnen. Im Süden Münchens erreicht der Malm aber auch Tiefen, in denen Temperaturen herrschen, die zur Stromerzeugung geeignet sind.
Bei der petrothermalen Tiefengeothermie im Festgestein wird die Erdwärme aus heißem, kristallinen Grundgebirge, das aus Gneisen oder Graniten besteht, gewonnen. Der große Unterschied zur hydrothermalen Tiefengeothermie liegt darin, dass nicht der Porenraum des Gesteins, sondern ein Kluftsystem im Festgestein als untertägiger Wärmetauscher verwendet wird.
Feinste Risse im Untergrund
Klüfte sind mikro- bis millimeterfeine Risse im Untergrund. Sie kommen entweder natürlich im Gestein vor oder müssen durch hydraulische Stimulation, also Einpressen von Wasser, künstlich erzeugt werden. So hergestellte Wärmetauscher im Festgestein werden als Enhanced Geothermal Systems (EGS) bezeichnet.
Die Erzeugung künstlicher Wegsamkeiten im Gestein ist sehr anspruchsvoll. Ewald Lüschen vom Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LiAG) berichtete in Essen über die Erkundungsbohrung am Standort Schneeberg im Erzgebirge.
Das als „Roter Kamm“ bezeichnete Störungssystem ist bekannt bis zu einer Tiefe von 2500 m. „Falls es bis in Tiefen von 5000 m hinab reicht und dort hinreichend gute Indikatoren zum Transport von Wasser aufgefunden werden, kann es als natürlicher Wärmetauscher für ein Geothermalkraftwerk zur Erzeugung von Strom genutzt werden.“
3-D-Seismikmesskampagne von DMT
Um dies zu überprüfen, führt die DMT dort zurzeit eine 3-D-Seismikmesskampagne durch. Dabei erzeugen Vibratoren in Rüttelfahrzeugen seismische Wellen, die in das Erdreich eindringen und an den Schichtgrenzen bzw. Störflächen des Gesteins reflektiert werden. Übertägige hochempfindliche Empfangseinheiten, sogenannte Geophonketten, empfangen und sammeln die reflektierten Wellen aus dem Untergrund. Geophysiker und Geologen werten die Daten dann mithilfe aufwendiger EDV-Programme aus und interpretieren die gewonnenen Ergebnisse.
Alle geologischen, geophysikalischen und bohrtechnischen Untersuchungen werden durch ein Monitoring begleitet, um Schadensereignisse auszuschließen.
In der Erdölerkundung bewährt
Seismische Tiefenerkundung hat sich vor allem in der Erdölexploration bewährt. Die ermittelten Daten dienen dazu, die strukturellen Verhältnisse im Untergrund zu beschreiben. So kann die Lage von tektonischen Zerrüttungszonen, die für die Gewinnung des geothermischen Heißwasserpotenzials günstig sind, identifiziert werden. Seismische Attribute werden ausgewertet, um mögliche Vorhersagen zur Faziesausbildung und Klüftungsverteilung treffen zu können.
Die Ergebnisse fließen in detaillierte 3-D-Struktur- oder Blockmodelle ein, die sich direkt für Lagerstättensimulationen nutzen lassen, in denen der Wärmetransport und das hydraulische Fließverhalten untersucht und prognostiziert werden.
Das aus der Seismik entwickelte 3-D-Untergrundmodell liefert auch die Grundlage für eine erfolgreiche Bohrpfadplanung, um die geothermisch günstigen Gebiete sicher erreichen und bestmöglich erschließen zu können, wie die DMT betont.
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