Veranstaltungsprogramm

The INSIDE project (supported by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, BMWi) brings together two geothermal operators of the Munich area (Germany, Molasse Basin), Stadtwerke München (SWM) and Innovative Energy für Pullach (IEP) together with the research institute Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The goal is to improve our understanding of the dynamic processes induced by the exploitation of the Malm geothermal reservoir that could potentially lead to seismicity and ground deformation.

The Schäftlarnstraße geothermal field (Sendling) is one of the project sites under focus. Two fibre optic cables have been deployed at this location thanks to the Technical University of Munich (TUM)/ Geothermal Alliance of Bavaria (GAB) and SWM: one cemented behind the casing of the injection well Th3 and the other one in the production well Th4, which is coupled to a sucker rod deployed in the well until final depth. Hence, Distributed Acoustic Sensing (DAS) acquisition and processing are possible along the associated optical fibres.

The holding of long-term pumping and injection tests, starting in October 2021 and lasting for 6 months, is an opportunity to study the seismogenic response of the subsurface that could be induced by the operations. Indeed, this would be the first period of long-term fluid production, injection and circulation at the site. Benefiting from the fibre-optic cables in place, an acquisition and processing flow has been designed accordingly.

We first describe the methodologies implemented during the long-term pump tests for the seismic and production monitoring and report on the design of the measurement network. As DAS acquisitions generate a tremendous amount of data, a data-management infrastructure has been developed for the storage and for the analysis of the recordings. This will be presented to illustrate how such an amount of data can be handled.

Um Erkenntnisse zum hydraulischen und thermischen Langzeitverhalten von Geothermiebohrungen während des Betriebs zu erhalten, wurde 2019 im Rahmen der Geothermie Allianz Bayern ein Glasfaserkabel- (GFK) Monitoring System in zwei Bohrungen des Geothermie Projektes „Geothermie Schäftlarnstraße“ der Stadtwerke München (SWM), im bayerischen Molassebecken verwirklicht. Die permanent eingebauten, faseroptischen Kabel ermöglichen dort, in der oberen Sektion einer Injektionsbohrung (GFK zementiert hinter der Ankerrohrtour), sowie über die gesamte Bohrlochlänge einer Produktionsbohrung (GFK in der Bohrlochmitte entlang eines Pumpengestänges abgehängt) eine kontinuierliche, zeitlich hoch aufgelöste und ortsverteilte Messung von Temperatur über Distributed Temperature Sensing (DTS) und von Akustik/Vibration über Distributed Acoustic Sensing (DAS). Zusätzlich liefert eine faseroptische Sonde punktuell Druck- und Temperaturwerte in hoher zeitlicher Auflösung vom Top des Reservoirs der Produktionsbohrung.

Zur Charakterisierung des geothermalen Reservoirs wurden nach Abteufen der Bohrungen am Ende des Kurzzeitpumpversuchs Flowmeter Messungen durchgeführt. Diese zeigten während der Einspeisung von Wasser permeable Injektionszonen auf, die sich im oberen Teil der Reservoir Sektion befinden. Auch können wiederholte kontinuierliche Temperaturmessungen (z.B. Wireline Temperaturlog oder DTS) nach einer Kaltwasserinjektion Aufschluss über hydraulisch aktive Zonen geben. Zwei Kaltwasserinjektionen wurden 2020 durchgeführt, um das GFK-Monitoring System zu testen und aktive Zonen mittels DTS zu untersuchen. Während die aufgezeichneten DAS Daten mögliche thermisch-mechanische Dynamiken entlang der GFK-Konstruktion zeigten, konnten die DTS Daten genutzt werden, um die aus dem Flowmeter interpretierten hydraulisch aktiven Zonen zu verifizieren. Zusätzlich wiesen die DTS Daten potentiell hydraulisch aktive Zonen im Bohrlochtieferen auf, die aus dem Flowmeter nicht ersichtlich waren.

Es wird angenommen, dass interpretierte Injektionszonen aus Flowmeter Messungen oder Kaltwasserinjektionen in der späteren Produktion Zuflusszonen darstellen. Die Überprüfung dieser Annahme durch ein in-situ Monitoring von hydraulisch aktiven Zonen während des Betriebs ist in konventionellen Bohrungen nicht möglich. Das permanent eingebrachte GFK am Standort Schäftlarnstraße ermöglicht dies erstmals im bayerischen Molassebecken. Im Sommer 2021 erfolgt die erstmalige warme Inbetriebnahme der mit Glasfaserkabel ausgestatteten Produktionsbohrung. Erste Messwerte des faseroptischen Monitoringsystems während dieser Testphase zeigen die Temperatursignatur an den aus Flowmeter und Kaltwasserinjektion bekannten hydraulisch aktiven Zonen. Die Ergebnisse sollen die Wichtigkeit eines permanenten Monitorings unterstreichen, das für eine nachhaltige Reservoir Bewirtschaftung unerlässlich ist.

Für die bestmögliche lokale und regionale Charakterisierung eines tiefengeothermischen Reservoirs und um dessen Verhalten in einem Langzeitbetrieb untersuchen und beurteilen zu können, ist die Datenerfassung bereits während der Bohrphase einer Geothermiebohrung von entscheidender Bedeutung. Daher werden bei der Erschließung tiefengeothermischer Reservoire während und nach der Bohrphase geophysikalische Messmethoden (Logging) eingesetzt, die Erkenntnisse und Interpretationen über die Lithologie, die petrophysikalischen und hydraulischen sowie die geomechanischen Gesteinseigenschaften ermöglichen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und/oder Risikominimierung beschränken sich Geothermieprojekte im Bayerischen Molassebecken (BMB) bisher meist auf ein reduziertes Messprogramm. Eine Abteufung von Explorationsbohrungen zur reinen geothermischen Erkundung wird im BMB trotz der lokal begrenzten Datengrundlage nur sehr selten realisiert. Im Rahmen der Geothermie-Allianz-Bayern wurde eine umfassende Analyse der bisher durchgeführten Logging-Kampagnen im BMB durchgeführt. Diese reichen von minimalen bis hin zu erweiterten Messprogrammen mit dem Einsatz von hochspezialisierten bohrlochgeophysikalischen Messverfahren. Ein allgemeines Standard-Logging-Programm lässt sich dabei nicht feststellen. Die Zusammenstellung des Messprogramms, die Auswahl und der Einsatz der Logging Tools müssen generell an die erwarteten Gesteinstypen und die Beschaffenheit des Reservoirs (z.B. geklüftet, verkarstet, heterogen), die verwendete Bohrspülung und das geplante Bohrlochdesign (z.B. Durchmesser, Verrohrungsschema, Bohrpfadverlauf) angepasst werden. Zusätzlich können die prognostizierten Bohrlochbedingungen (z.B. Temperatur, Druck) ein einschränkender Faktor für einige Logging Tools sein. Als ein Ergebnis der Analyse wird eine, aus wissenschaftlicher Sicht, exemplarische optimale Logging-Suite für eine geothermische Tiefenbohrung im BMB vorgestellt und das Einsatzgebiet und die Vorteile der jeweiligen Messungen den möglichen Risiken schematisch gegenübergestellt. Das Ziel der vorgestellten Studie ist eine Empfehlung für die Optimierung von Bohrlochmesskampagnen für neu geplante Geothermiebohrungen im BMB und in vergleichbaren Regionen dieses geothermischen Play-Types, mit dem Hintergrund eine maximale Datenausbeute einzelner Bohrprojekte zur Schaffung einer regionalen Informationsbasis für die zukünftige Exploration und ein notwendiges Reservoirmanagement sicher zu stellen.

Für das geothermale Grundwasser im Oberjura des oberbayerischen/niederösterreichischen Molassebecken wurden bei mehreren Brunnen auffallende Schwankungen einzelner Ionenkonzentrationen sowie der Gesamtmineralisierung festgestellt. Gleichzeitig besteht für dieses tiefe Grundwasser kein Monitoring- und/oder Qualitätssicherungssystem, welches der Wasserrahmenrichtlinie für oberflächennahe Grundwasservorkommen entspricht. Die Wasserrahmenrichtlinie eignet sich nicht für tiefe Grundwasser, da diese anderen Prozesse unterliegen als oberflächennahe Grundwasservorkommen. Tiefes Grundwasser kann zum Beispiel aufgrund seiner Interaktionen mit der Gesteinsmatrix und anderen Geofluiden, wie Mineralölen oder salinaren Intrusionen, ohne jeglichen anthropogenen Einfluss einen laut Wasserrahmenrichtlinie „schlechten“ Zustand annehmen.

Vor dem Hintergrund des Problems, dass für eine auf menschlichen Zeitskalen nicht erneuerbare Ressource kein fundiertes Monitoringsystem besteht, wird in dieser Arbeit ein System vorgestellt, welches aufgrund statistischer Analysen den natürlichen Zustand individueller Quellen im Untersuchungsgebiet definiert, und darüber hinaus zwei Korridore für die Konzentrationen vorgibt, welche in einen Warn- und einen Handlungsbereich unterteilt sind.

Mittels zweier Clusteranalysen (DIANA und kmeans) werden die Brunnen auf Basis ihrer Hauptionen in drei Gruppen (natürlicher, erhöhter und verringerter Konzentrationszustand) unterteilt. Für den Cluster mit den meisten Messwerten kann angenommen werden, dass er den natürlichen Zustand der Quelle repräsentiert. Für die Werte innerhalb dieses Clusters werden der Mittelwert, die Standardabweichung sowie die 20 % Marke errechnet. Durch Addieren bzw. Subtrahieren dieser letzten zwei Werte vom Mittelwert ergeben sich die Warn- bzw. Maßnahmenkorridore. Für Geothermiewerke kann diese Methode außerdem auch nur auf Basis von Temperaturwerten durchgeführt werden. Als Frühwarnsystem kann sie Schwankungen in der Mineralisierung bereits auf Basis von mindestens fünf jährlichen Untersuchungsergebnissen erkennen.

Dieses System wird den Betreibern von Quellen im niederbayerischen/oberösterreichischen Molassebecken die Grundlage für ein nachhaltigeres Aquifermanagement bieten, da nun der natürliche Zustand der Quellen statistisch belegt eruiert werden kann. Des Weiteren dient das hier vorgeschlagene Vorgehen dazu, verlässlichere Prognosen für die zukünftigen Auswirkungen der Nutzung dieses Aquifers auf die Wasserquantität- und qualität zu treffen.

Eine genauere Kenntnis des Untergrunds ist zur stärkeren Nutzung der Geothermie in Bayern notwendig. Für eine weitere Förderung dieser erneuerbaren Energieerzeugung soll neben der hydrothermalen Geothermie im Bayerischen Molassebecken auch die petrothermale Geothermie in Zukunft genutzt werden. Erhöhte petrothermale Potentiale sind in NO Bayern nachweislich vorhanden. Diese sollen umfassend erkundet werden, damit auch die petrothermale Geothermie als zukunftsträchtige Technologie in Bayern entwickelt und erschlossen werden kann. Um dies zu erreichen wurde der Forschungsverbund „Geothermie-Allianz Bayern“ (GAB) gegründet. Die erneuerbare Energieressource Geothermie für den heimischen Energiemarkt zu installieren ist ein übergeordnetes Ziel der GAB. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die potentiellen granitischen Reservoire in Nordbayern geomechanisch untersucht.

Da für NO Bayern keine ausreichend tiefen Bohrungen existieren, welche die möglichen Granitreservoire erbohrt haben, konnten folglich keine Bohrkerne beprobt werden. Deswegen wurde dem Reservoirgestein ähnliches Probenmaterial (Analogproben) aus zwölf naheliegenden Granitsteinbrüchen im Fichtelgebirge für eine Parameterstudie entnommen. Um die geotechnischen Parameter zu ermitteln wurde ein umfangreiches felsmechanisches Laborprogramm (zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren) an den Analogproben durchgeführt.

Dabei wurde anhand der Analogproben festgestellt, dass gegebenfalls vorhandene Granite unter dem Fränkischen Becken sehr homogene geomechanischen Eigenschaften aufweisen. Diese ermittelten Kennwerte dienten als Eingangsparameter für eine numerische Simulation von Bohrlochstabilitäten. Dabei wurde eine Spannungsverteilung im Nahfeld eines möglichen Bohrlochs in NO Bayern durchgeführt und die Auflockerungszone um ein mögliches Bohrloch berechnet. In Zukunft können die ermittelten Parameterbereiche dazu verwendet werden, bestehende geotechnische Modelle zu überprüfen sowie neue geotechnische Modelle zu erstellen.

Diese Arbeit wird im Rahmen der Geothermie-Allianz Bayern vom Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultur, Wissenschaft und Kunst gefördert.