LIAG
 

Wissenschaftsforum tiefe Geothermie im Süddeutschen Molassebecken

Ziele

Das Süddeutsche Molassebecken ist kurz- und mittelfristig das wichtigste Gebiet für die geothermische Energienutzung in Deutschland. Ein wesentliches Mittel zum erfolgreichen Ausbau der geothermischen Wärme- und Stromgewinnung in dieser Region besteht in der wissenschaftlichen Begleitung und Vernetzung von Forschungsvorhaben sowie laufenden und neuen Forschungs- und Anwendungsprojekten. Neben dem kumulativen Erkenntnisgewinn ergeben sich aus der Diskussion von Einzelaspekten wiederum neue Erkenntnisse. Die Integration der einzelnen Forschungsergebnisse soll das Fündigkeitsrisiko vermindern und die nachhaltige Nutzung der tiefen Geothermie im Süddeutschen Molassebecken fördern. Neue Projekte, verbunden mit der Zunahme von potenziellen gegenseitigen Beeinflussungen der geothermischen Dubletten untereinander, werden zukünftig zu verstärkter Kommunikation unter den Betreibern, Planungsbüros und Behörden führen. Insofern ist es notwendig, die einzelnen Betreiber zusammenzuführen und potenziell absehbare konkurrierende Nutzungen zu analysieren, zu bewerten und einen entsprechenden Maßnahmenkatalog zu erarbeiten.

Auf Basis der seit 3 Jahren regelmäßig stattfindenden Austauschgespräche der vom BMU geförderten Verbundprojekte im Großraum München soll in diesem Sinne ein offenes Forum gegründet werden, das eine Plattform für die Diskussion aktueller Aspekte bieten und die nachhaltige Nutzung der tiefen Geothermie im Süddeutschen Molassebecken wissenschaftlich begleiten soll. Die Erfahrungen und Ergebnisse aus dem Projekt Geothermie Großraum München (Modellfläche rd. 2.500 km2, „Pilotregion“) können für die weitere Exploration im Süddeutschen Molassebecken transferiert werden. Als Hilfsmittel zur Entscheidungsfindung für neue Geothermie-Projekte soll hierbei das erweiterbare, bis Ende 2011 federführend durch das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) erstellte Software-Tool „Thermisch-hydraulische Modellierung des Malmgrund­wasser­leiters im Großraum München“ genutzt werden. Die numerische Simulation erlaubt es, das Gesamtnutzungspotenzial des Reservoirs und das Ausmaß einer möglichen gegenseitigen thermischen und hydraulischen Beeinflussung mehrerer Geothermieanlagen abzuschätzen. Zudem soll die am LIAG bestehende wissenschaftliche Erfahrung hinsichtlich 3D-seismischer Erkundung die weitere Exploration und Bewirtschaftung des hydrogeothermischen Reservoirs unterstützend begleiten.

Die Notwendigkeit der Erweiterung der bestehenden thermisch-hydraulischen Grundwassermodellierung um mechanische Prozesse ergibt sich in Folge der seit 2008 auftretenden mikroseismischen Ereignisse südlich von München. Die hierbei im Detail ablaufenden Prozesse im tiefen Untergrund sind bislang nicht geklärt. Sie sollen mittels gekoppelter thermisch-hydraulisch-mechanischer (THM) Modelle mit besonderer Berücksichtigung der Strukturgeologie, des Spannungsfeldes und der thermischen Einflüsse des Dublettenbetriebes simuliert werden.

Allgemeines

Die numerische Simulation des Wärmehaushaltes in Porenspeichern mit einer Bohrungsdublette ist international Stand der Technik. Unsicherer sind die Belegung des jeweiligen Modellgebietes mit den richtigen hydraulischen und thermophysikalischen Parametern, die entsprechenden Randbedingungen und die Einbeziehung von Störungszonen auf der Basis eines in der Regel unzureichenden Erkundungsstandes. Die Modellierung von thermischen Prozessen in klüftig-porösen Speichern und in Karstaquiferen ist weiterhin Gegenstand aktueller Entwicklungs- und Forschungsarbeiten. Die gegenseitige Beeinflussung von Dubletten ist bisher nur in Ansätzen untersucht worden.

Bei der Vielzahl von hydrothermalen Geothermieprojekten auf vergleichsweise engem Gebiet, wie im Großraum München, sind nach gegenwärtigem Stand der Wissenschaft und Technik geothermische Modellrechnungen bzw. thermisch-hydraulisch gekoppelte Modelle in drei unterschiedlichen Größenmaßstäben und mit unterschiedlichen Genauigkeitsanforderungen erforderlich:

-        Eine kleinräumige (lokale) und überschlägige Modellrechnung zur Abschätzung der thermischen Nutzungsdauer einer Dublette

Mit Hilfe dieser Abschätzung wird vom Planer der Abstand der Landepunkte von Entnahme- und Reinjektionsbohrung festgelegt, um die der betriebswirtschaftlichen Kalkulation zugrunde liegende Lebensdauer der geothermischen Dublette sicherzustellen. Für diese Abschätzung der thermischen Nutzungsdauer wird bislang eine zweidimensionale analytische Modelllösung benutzt, die auf der Basis eines äquivalent porösen Mediums beruht (Schulz 1987, Jobmann & Schulz 1989, Schulz 2003). Ein dreidimensionaler Ansatz ist im Planungsstadium aufgrund noch fehlender Randbedingungen meist nicht möglich.

-        Ein kleinräumiges (lokales) Modell zur hydraulischen Wechselwirkung und zum Wärmehaushalt im Umfeld einer Dublette

Dieses Modell soll die Beurteilung der Auswirkungen einer geothermischen Anlage auf den genutzten Thermalwasseraquifer und somit auf die Dublette selbst sowie - soweit möglich - auch auf benachbarte Thermalwassernutzungen ermöglichen. Hierfür ist ein thermisch-hydraulisch gekoppeltes 3D-Modell zu fordern, das der Betreiber für den Bereich des von ihm beantragten Bewilligungsfeldes vorzulegen hat. Ein entsprechender Hinweis ist inzwischen in jedem Bescheid des BayStMWIVT zu einer Aufsuchungserlaubnis enthalten, nachdem nachgewiesen wurde, dass eine derartige Modellierung mit einem äquivalent-porösen Ansatz auch in einem karstig-klüftigen Aquifer zumindest im Nahbereich einer Dublette plausible Ergebnisse liefert.

-        Ein großräumiges (regionales) Modell zur hydraulischen Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Dubletten und zum Wärmeabbau bzw. zur Wärmeregeneration

Für das niederbayerisch-oberösterreichische Molassebecken wurde im Rahmen eines Interreg-III-A-Projektes die gegenseitige Beeinflussung von Thermalbohrungen und hydrothermalen Dubletten in einem thermisch-hydraulisch gekoppelten Modell erfasst (Goldbrunner et al. 2008). Im niederbayerischen Bäderdreieck bzw. im angrenzenden Oberösterreich wird das Thermalwasser seit vielen Jahren vorwiegend balneologisch genutzt; es liegt daher eine vergleichsweise gute Datengrundlage vor. Nach Kalibrierung eines Regionalmodells wurde für einen Ausschnitt ein 3D-Lokalmodell kreiert und dafür Prognosefälle simuliert. Allerdings konnten keine Aussagen darüber getroffen werden, wie sich der Betrieb einer Dublette auf den Betrieb benachbarter Bohrungen auswirkt.

Für den Großraum München im zentralen Molassebecken konnten im Rahmen des BMU-Projektes Geothermische Charakterisierung von karstig-klüftigen Aquiferen im Großraum München thermisch-hydraulische Modellierungen durchgeführt und die gegenseitige Beeinflussung von geothermischen Dubletten simuliert werden (Dussel et al. 2011).  

Die geothermischen Potenziale des Süddeutschen Molassebeckens sind schon lange Untersuchungsgegenstand des LIAG. Die ersten Berechnungen der geothermischen Ressourcen wurden frühzeitig im europäischen Geothermie-Atlas veröffentlicht (Haenel & Staroste 1988). Die Weiterentwicklung der ersten Ressourcenberechnung (Jobmann & Schulz 1989, Frisch et al. 1992) bildet die geowissenschaftliche Grundlage für die Realisierung von geothermischen Anlagen, insbesondere im Großraum München. Sie war auch die Basis der erneuten Abschätzung des geothermischen Strompotenzials für das Molassebecken im Rahmen des TAB-Berichtes (Jung et al. 2002, Paschen et al. 2003).

Bis zum 31.12.2011 lief unter der Leitung des LIAG im Verbund mit dem Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) das interdisziplinäre Projekt Geothermische Charakterisierung von karstig-klüftigen Aquiferen im Großraum München (BMU, FKZ 0325013A, 0325013B). Dabei wurden Daten aus der Geophysik (Durchführung und Auswertung 3D-Seismik, Kombination mit Altdaten aus der 2D-Seismik, Temperaturfeld, Seismizität), Geologie (Tektonik, Stratigraphie, Fazies, Diagenese, Verkarstung), Hydrogeologie (Hydraulik, Hydrochemie) und Bohrlochmessungen kompiliert und interpretiert mit dem Ziel, eine thermisch-hydraulische Modellierung als Entscheidungshilfe für eine nachhaltige Bewirtschaftung des tiefen Grundwasserleiters im Großraum München zu entwickeln.

Ein weiteres BMU-Projekt zum Einsatz von 3D-Seismik zur Reduzierung des Fündigkeitsrisikos bei Geothermieprojekten (BMU, FKZ 0327630) ist beendet worden. Entsprechende Veröffentlichungen (Buness et al. 2010,2011, v. Hartmann et al. 2010, Musmann et al. 2010) und der Abschlussbericht liegen vor (Schulz & Buness 2011).

Beim Aufbau und Betrieb des o.g. Geothermischen Informationssystems (GeotIS) konnte auf die Erfahrungen des vom Institut entwickelten Fachinformationssystems Geophysik (FIS GP) zurückgegriffen werden (Kühne & Gorling 2009). Neben dem Subsystem Seismik und der Temperaturdatenbank, die auch vom GeotIS genutzt wird, enthält das FIS GP ein Subsystem Gesteinsphysik, in dem petrophysikalische Daten für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

Literatur

Buness, H., von Hartmann, H., Beilecke, T. & Schulz, R. (2011): Sparse 3D acquisition and CRS processing for the imaging of a fault system: a case study. - Proceedings 73rd EAGE Conference & Exhibition, 4p, Vienna, Austria, 23-26 May 2011.

Buness, H., von Hartmann, H., Rumpel, H.-M., Beilecke, T., Musmann, P. & Schulz, R. (2010): Seismic Exploration of Deep Hydrogeothermal Reservoirs in Germany. - Proceedings World Geothermal Congress 2010, Paper 1346: 5p; Bali, Indonesia, 25.-29. April 2010.

Dussel, M., Lüschen, E., Thomas, R., Agemar, T., Fritzer, T., Sieblitz, S., Schulz, U., Huber, B., Bartels, J., Wolfgramm, M., Wenderoth, F. Schulz, R. (2011): Entwicklung einer thermisch-hydraulischen Grundwassermodellierung des Malm im Großraum München. -Tagungsband-CD: F9, Der Geothermiekongress 2011, Bochum, 15.-17. Nov. 2011, 11 S.

Frisch, H., Schulz, R. & Werner, J. (1992): Hydrogeothermische Energiebilanz und Grundwasserhaushalt des Malmkarstes im süddeutschen Molassebecken. ‑ In: Schulz, R.. et al. (Hrsg.): Geothermische Energie ‑ Forschung und Anwen­dung in Deutschland: 99‑118; Karlsruhe (C.F. Müller).

Goldbrunner, J., Gold, M., Heiss, H.P., Shirbaz, A., Huber, B., Kohl, T. & Baujard, C. (2008): Thermalwasservorkommen im niederbayerisch-oberösterreichischen Molassebecken – Grundsatzuntersuchung zu thermischen Auswirkungen von Thermalwassernutzungen. – Kurzbericht, 27 S.; Augsburg (Bayer. LfU).

Hänel, R. & Staroste, E. (Eds.) (1988): Atlas of geothermal resources in the European Community, Austria and Switzerland. - Hannover (Th. Schäfer).

von Hartmann, H., Rumpel, H.M., Musmann, P., Buness, H., Krawczyk, C. & Schulz, R. (2010): Enhancing Hydrogeothermal Reservoir Detection by Seismic Imaging and Attributes. - Proceedings World Geothermal Congress 2010, Paper 1348: 4p; Bali, Indonesia, 25-29 April 2010.

Jobmann, M. & Schulz, R. (1989): Hydrogeothermische Energiebilanz und Grundwasserhaushalt des Malmkarstes im süddeutschen Molassebecken, Teilgebiet: Hydrogeothermik. - Abschlußbericht (Band I: Text; Band II: Dokumentation), NLfB-Archiv-Nr. 105 040; Hannover.

Jung, R., Röhling, S., Ochmann, N., Rogge, S., Schellschmidt, R., Schulz, R. & Thielemann, T. (2002): Abschätzung des technischen Potenzials der geothermischen Stromerzeugung und der geothermischen Kraft-Wärmekopplung (KWK) in Deutschland. – Bericht für das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag; BGR/GGA, Archiv-Nr. 122 458; Hannover.

Kühne, K. & Gorling, L. (2009): Neues im und um das Fachinformationssystem Geophysik. - In: V. D. Boogaart, R. & Schaeben, H. (Hrsg.): GIS - Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen, 8. GIS-Kolloquium, 18.06.2009, Wiss. Mitteilungen des Instituts für Geologie, 40: 19-26, ISSN 1433-1284; Freiberg.

Musmann. P. & Buness, H. (2010): High-resolution seismic imaging of near-surface fault structures within the Upper Rhine Graben, Germany. – In: R. D. Miller, J. H. Bradford & K. Holliger (Eds.): Advances in near-surface seismology and ground-penetrating radar, Chapter 17, SEG Geophysical Developments Series No. 15: 281-296.

Paschen, H., Oertel, D. & Grünwald, R. (2003): Möglichkeiten der geothermischen Strom­erzeugung in Deutschland. - Sachstandsbericht, Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag, Arbeitsbericht 84: 129 S.; Berlin (TAB).

Schulz, R. (1987): Analytical model calculations for heat exchange in a confined aquifer. - J. Geophys., 61: 12-20.

Schulz, R. (2003): Bergrecht und Erdwärme – Gesichtspunkte zur Bemessung von Erlaubnis- und Bewilligungsfeldern. – Geothermische Energie 40: 9-16.

Schulz, R. & Buness, H. (2011): Einsatz von 3D-Seismik zur Reduzierung des Fündigkeitsrisikos bei Geothermieprojekten. - Endbericht, LIAG-Bericht; Hannover.

 

Projektleitung

bis 28.02.2015:
Dr. Rüdiger Schulz

seit 01.03.2015: Dr. Rüdiger Thomas

Projektgruppe

  • Dr. Michael Dussel
  • Dr. Adrián Ortiz

Laufzeit

01.06.2012 - 30.09.2015

Förderung