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Tiefbohrungen für Tiefengeothermie-Projekte müssen über ihren gesamten Lebenszyklus integer sein, die darin befindlichen Fluide dürfen also nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen. So fordert es das deutsche Recht und auch die breite Öffentlichkeit. Ereignisse haben nicht nur schwerwiegende Konsequenzen für die Betreiber, sondern schädigen die Reputation der gesamten Branche. Deshalb müssen die Risiken frühzeitig und umfassend gemanagt werden.

Um Bohrungsintegrität zu erreichen, sind vielfältige Maßnahmen (wie in der ABBergV gefordert) nach Stand der Technik umzusetzen – von den Auslegungsgrundlagen und die Auslegung selbst über Herstellung und Betrieb der Bohrung bis hin zur Verfüllung viele Jahre später. Hierfür ist es wichtig, diese Regeln zu kennen und anzuwenden. Der Stand der Technik bezüglich Bohrungsintegrität für Tiefbohrungen für die deutschen Rahmenbedingungen ist in der „Technischen Regel Bohrungsintegrität“ des Bundesverbands Erdgas, Erdöl und Geoenergie e.V. (BVEG) definiert. Experten verschiedener Unternehmen haben diesen in Anlehnung an internationale Standards wie die ISO 16530 und die NORSOK D-010 erarbeitet und 2017 und für Deutschland veröffentlicht – zunächst mit Fokus auf Tiefbohrungen der E&P- und Speicher-Industrie. Dabei wurden chronologisch entlang der Projektphasen gemeinsame Vorgehensweisen für alle Bohrungstypen definiert und darüber hinaus weitere individuelle Vorgehensweisen entsprechend der spezifischen Anforderungen einzelner Bohrungstypen.

Auch für geothermische Tiefbohrungen gibt es diese Anforderungen. Deshalb hat ein Experten-Gremium, das nicht nur aus Mitgliedern des BVEG, sondern auch des BVG sowie weiteren Stakeholdern besteht, die „Technische Regel Bohrungsintegrität“ auf die Tiefe Geothermie erweitert und erstmals den Stand der Technik dafür definiert. In einem umfangreichen Prozess wurden die Bergbehörden und weitere Stakeholder eingebunden und Stellungnahmen berücksichtigt. Das Ergebnis ist eine erweiterte Technische Regel, die im Juli 2021 als „Leitfaden Bohrungsintegrität“ auf der Verbandswebseite www.bveg.de veröffentlicht wurde.

Der neue „Leitfaden Bohrungsintegrität“ beschreibt – neben E&P- und Speicher-Bohrungen auch hydrothermale Produktions- und Injektionsbohrungen sowie Tiefe Erdwärmesonden. Petrothermale Bohrungen werden derzeit ausgeklammert, weil dafür noch keine hinreichenden Erfahrungen in Deutschland bestehen.

Der Leitfaden Bohrungsintegrität fordert in der Regel zwei umhüllende Barrieren um das im Bohrloch befindliche Medium. Zur Sicherstellung der Integrität dieser Barrieren werden Akzeptanzkriterien der einzelnen Barriereelemente für die Planung und Herstellung, den Erst-Nachweis und die Überwachung und Überprüfung definiert. Ausnahmen zur Zwei-Barriereregel gibt es für Bohrungen ohne technisches Open-Flow Potential. Neben Akzeptanzkriterien werden auch Vorgehensweisen für die einzelnen Schritte beschrieben sowie Beispiel-Barrierediagramme für acht Bohrungstypen gegeben. Die Integrität von Barriereelementen wird durch vielfältige Praktiken entlang des Projektzyklus gewährleistet, von ihrer Auslegung über die Umsetzung/Einbau mit initialer Prüfung sowie mit wiederkehrenden Prüfungen. Für die Tiefengeothermie wird z.B. speziell auf die höheren Temperaturen und thermischen Wechselspannungen eingegangen, sowie auf Ausfällungen.

Auf 106 Seiten beschreibt der „Leitfaden Bohrungsintegrität“ den Stand der Technik, der für Neubohrungen anzuwenden ist. Da Bestandsbohrungen per Definition nicht dem aktuellen Stand der Technik entsprechen können, werden für diese Ausnahmeregelungen definiert, wie ein sicherer Betrieb zu gewährleisten ist.

Der Leitfaden definiert einheitliche Regeln, die als Hilfestellung für Geothermiebetreiber sowie für andere Stakeholder wie z.B. Versicherer und Ingenieurdienstleister geeignet sind. Mit der Etablierung und Anwendung des Leitfadens können Bohrungsintegritätsvorfälle vermieden werden. Damit leistet der Leitfaden einen wichtigen Beitrag zu Umweltschutz und Akzeptanz der Tiefengeothermie.

Tiefbohrungen für Tiefengeothermie-Projekte müssen über ihren gesamten Lebenszyklus integer sein und bleiben. Die in den Bohrungen befindlichen Fluide und Gase dürfen nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Die Formationswässer, die in den für die tiefe Geothermie relevanten geologischen Formationen im Oberrheingraben und im Norddeutschen Becken angetroffenen werden, sind von Natur aus stark mineralisiert und zeigen erhöhte Spurenelementkonzentrationen. Bei geothermischen Nutzungen werden diese Wässer im Kreislauf gefahren. Sie stellen hohe Anforderungen an die Integrität von Bohrungen und Rohrleitungen. In Deutschland sind in der Regel zwei unabhängige Barrieren um das im Bohrloch befindliche Medium gefordert. Ausnahmen zu dieser Regel gibt es für Bohrungen ohne technisches Open (Out)-Flow Potential.

Bohrungsintegritätsmanagement für geothermische Bohrungen in Deutschland basierte bis dato auf den Standards und Verfahren der Öl- und Gasindustrie. In vielen Fällen bedingen thermisch induzierte Spannungen und hohe Produktions- sowie Injektionsanforderungen an geothermische Bohrungen die Notwendigkeit von speziellen Lösungen nicht nur aber auch im Bereich der Erhaltung der Bohrungsintegrität. Oft handelt es sich bei Geothermiebohrungen um großkalibrige, tiefe und abgelenkte Bauwerke mit einem Integritätsfokus auf Grundwasserschutz.

Der neue BVEG Leitfaden „Technische Regel Bohrungsintegrität“ erweitert die Anforderungen an die Integrität in Deutschland insbesondere auf die Tiefe Geothermie. Die Richtlinie für die Tiefengeothermie geht speziell auf die höheren Temperaturen und thermisch induzierte Lastfälle sowie auf etwaige Ausfällungen ein. Die neue Richtlinie versucht die speziellen Bedingungen in der Tiefengeothermie in ein gesamtgültiges Regelwerk zu integrieren um dabei Bohrungsintegritätsvorfälle zu minimieren oder zu vermeiden.

Diese Präsentation interpretiert die neue Richtlinie aus Sicht des Betriebsführers oder Designers, diskutiert die Herausforderungen und zeigt nötige Lösungen zum Design und Betrieb am Beispiel von Hochtemperatur-Geothermie-Anlagen unter besonderer Berücksichtigung von thermisch induzierten Herausforderungen auf.

In dem Verbundvorhaben QEWSplus „Qualitätssteigerung oberflächennaher Geothermiesysteme“ (FKZ: 03EE4020A-H, www.qewsplus.de) werden wichtige Aspekte der Qualitätssicherung und -steigerung oberflächennaher geothermischer Systeme von der Auslegung und Planung über die Ausführung bis hin zur Inbetriebnahme untersucht und Lösungen entwickelt, aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Vorgängerprojekt, dem Forschungsverbundprojekt „QEWS II: Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden II“ (FKZ: 03ET1386A-G, www.qews2.de). In diesem Beitrag wird erstmals das Verbundvorhaben in seiner Gesamtheit vorgestellt.

Zu den Arbeitsinhalten zählen u. a. die Entwicklung eines In-situ-Mess- und Auswerteverfahrens am Beispiel von Erdwärmesonden, welches die Überprüfung und Ermittlung der thermisch-energetischen Eigenschaften des gesamten geothermischen Quellensystems innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Das Verfahren überprüft Neuanlagen bei der Inbetriebnahme mit den Auslegungsbedingungen. Weiterhin wird das für Erdwärmesonden (EWS) etablierte Verfahren des Thermal-Response-Tests (TRT) auf andere Quellensysteme erweitert und beispielhaft am plattenförmigen Grabenkollektor herausgearbeitet, um so dessen thermisches Verhalten im Untergrund zu charakterisieren und die Auslegungsberechnungen zu verbessern. Ebenso werden sogenannte Kurzzeit-Verfüll-Analyse-TRTs an Erdwärmesonden durchgeführt und quantifiziert, um deren Aussagekraft zur Qualitätskontrolle überprüfen zu können. Hierfür wird auf die bereits in QEWS II (www.qews2.de) untersuchte Glasfasertemperaturmesstechnik und auf in der Strömung im Sondenrohr mitschwimmende, autarke Messfühler sowie Ultraschallmessungen zurückgegriffen. Mit der Kombination aus TRT-Testequipment und Messtechnik (Temperatur, Sondenverlauf) sowie experimentellen Untersuchungen der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit wird eine aktive thermische Tomografie von Erdwärmesonden ermöglicht.

Um die Qualität kommerzieller TRT-Geräte zu überprüfen und damit die Auslegung und Effizienz geothermischer Anlagen sicherzustellen, soll der im Vorgängerprojekt entwickelte und aufgebaute TRT-Prüfstand weiterentwickelt werden. Diese Weiterentwicklung soll in die Erstellung von Zertifizierungsregeln für TRT-Geräte münden.

Das Verhalten von EWS-Verfüllmaterialien in Interaktion mit dem umgebenden Gestein soll weiter untersucht werden. Der bereits aufgedeckte Einfluss der Anmischung und des Filtrationsverhaltens auf die Eigenschaften des Baustoffs werden nun in Systemtriaxialzellen, in Großversuchsständen und an realen Testsonden untersucht und deren Ergebnisse verglichen. Erstmals sollen in einem Steinbruch (Merdingen) verschieden hinterfüllte Testsonden installiert werden, die nach umfangreichen In-Situ Tests (TRT, etc.) nachträglich freigelegt werden, um eine reale Bewertung der Verfüllqualität und deren Zusammenhänge durchführen zu können. Außerdem werden die im Projekt entwickelten Messsonden validiert. Im Rahmen des Projektes wird zudem ein neues automatisches Verfüllmonitoring ausgearbeitet und getestet.

Des Weiteren wird die Entwicklung konsistenter Auslegungsmodelle für unterschiedliche oberflächennahe geothermische Quellensysteme weiter vorangetrieben. Neben Ergänzungen und Erweiterungen um zusätzliche Quellensysteme werden insbesondere Kombinationen gleichartiger und unterschiedlicher Quellensysteme abgebildet und in dafür weiter zu entwickelnde Softwarewerkzeuge integriert.

Das Forschungsprojekt soll zum Abbau von Risiken, zur Reduzierung von Energiegestehungskosten, zur Steigerung der Effizienz- und Anlagenverfügbarkeit sowie zu einer größeren Bekanntheit und öffentlichen Akzeptanz dieser Technologien beitragen.

Um den Wechsel von LSP-Pumpen zukünftig effizient und sicher zu gestalten, hat die MB Well Services im Auftrag der Pfalzwerke Geofuture sowie der Deutschen Erdwärme ein Arbeitsbühnen-Konzept entwickelt. Die Rigless Intervention gewährleistet unter der Beachtung der neusten bergrechtlichen und arbeitssicherheitstechnischen Vorgaben eine schnellstmögliche Verfügbarkeit sowie kostengünstige Lösung. Produktionsausfälle werden außerdem durch die schnelle Einsatzfähigkeit der Arbeitsbühne minimiert.