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Das potentielle Risiko induzierter Seismizität ist ein wesentlicher Faktor, der die Entwicklung tiefer Geothermie in einigen Regionen bremst. Bisher lag der Fokus seismischer Risikobetrachtungen meist auf Porendruckeffekten. Die Injektion von abgekühltem Reservoirfluid in geothermische Reservoire verändert jedoch ebenfalls die lokalen Spannungen und kann daher das Risiko der Aktivierung lokaler Störungszonen beeinflussen. Das durch Kaltwasserinjektion induzierte seismische Risiko muss daher besser verstanden werden, um Methoden und Rahmenbedingungen zu entwickeln, mit denen das Risiko größerer induzierter seismischer Ereignisse bewertet und gemindert werden kann.

In diesem Beitrag stellen wir erste Zwischenergebnisse des Forschungsprojekts KEM-15 vor. In diesem Projekt untersuchen wir mittels kalibrierter numerischer Modelle den Einfluss der Re-injektionstemperatur und anderer natürlicher und operativer Parameter auf das seismische Risiko in typischen geothermischen Dubletten in den Niederlanden mit Fokus auf der Slochteren Formation.

Wir modellieren die relevanten gekoppelten thermo-hydro-mechanischen Prozesse mit dem Finite Elemente Code GOLEM und untersuchen die seismische Gefährdung mittels „Slip Tendency“ (ST) Analyse, „Coulomb Failure Stress“ (CFS) Modellen und „Rate- and State Friction“ (RSF) Modellen. Die Ergebnisse gehen in eine seismische Gefährdungsanalyse ein, in der die natürliche seismische Intensität (EMS) ohne Geothermieprojekt mit der seismischen Intensität mit modelliertem Geothermieprojekt an bestimmten Standorten in den Niederlanden verglichen wird.

Erste Ergbnisse zeigen, dass Temperatureffekte zusätzlich zu Porendruckeffekten das seismische Risiko erhöhen. Porendruckeffekte sind besonders im ersten Jahr eines Geothermieprojektes vorhanden während Temperatureffekte erst später relevant werden und besonders in Langzeitbetrachtungen nicht vernachlässigt werden können. Insgesamt ist das Risiko thermisch-induzierter Seismizität stärker von den lokalen geologischen Bedingungen abhängig (z.B. Spannungsfeld, Störungszonen, Gesteinseigenschaften, Reservoirtemperatur) als von den operativen Parametern (z.B. Injektionsrate und Injektionstemperatur). Durch den Abstand von Injektionsbohrungen zu bekannten kritisch gespannten Störungszonen, Injektionsrate und Injektionstemperatur kann das seismische Risiko jedoch aktiv reduziert werden.

Für die Entwicklung der Geothermie im Sinne eines Ausbaus der erneuerbaren Energien ist es unabdingbar, eine im Vergleich zu bisherigen Verfahren deutlich verbesserte seismische Risikoanalyse im Vorfeld von geothermischen Projekten durchzuführen. In der jüngeren Vergangenheit war die öffentliche Wahrnehmung geothermischer Großprojekte durch zum Teil damit einhergehende, unerwünschte Seismizität dominiert (z.B. Landau in Deutschland und Straßburg in Frankreich). Die Realisierung der Projekte wurde vielfach nach eingetretenen seismischen Ereignissen beendet, weil die Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung möglicher Schäden durch Seismizität nicht mehr gegeben war, oder sich die Projekte massiven Bürgerprotesten ausgesetzt sahen. In dicht besiedelten Gebieten wie der Metropolregion Rhein-Ruhr, in denen der Bedarf an Wärme und Energie hoch und die Abnehmerstrukturen umfassend vorhanden sind, ist es daher von entscheidender Bedeutung für eine langfristige Nutzung geothermischer Systeme, das seismische Risiko auf ein Minimum zu reduzieren. Um im Sinne einer nachhaltigen Konversion der Fernwärmesysteme am Beispiel der Metropolregion Rhein-Ruhr zu verhindern, dass geothermische Projekte durch unzureichende Risikobewertung abgebrochen werden müssen und die öffentliche Wahrnehmung durch die seismischen Risiken dominiert wird, ist ein fortschrittlicher Ansatz zur seismischen Gefährdungsbeurteilung im Rahmen der Erschließung und Nutzung geothermischer Reservoire zwingend erforderlich.

Innerhalb des anwendungsbezogenen Forschungs- und Entwicklungsprojekts 3D-RuhrMarie konnte entsprechend eines neuartigen Ansatzes ein interaktives, modellgestütztes Anwendertool zur Risikoanalyse der intrinschen Erdbebengefähdung in der Metropolregion Rhein-Ruhr entwickelt werden. Im Gegensatz zu traditionellen eher deskriptiv-statistischen Ansätzen basiert das Anwendertool der 3D-RuhrMarie auf verfügbaren drei-dimensionalen strukturgeologischen sowie seismotektonischen Daten, die um neue geomechanische Untergrundmodellierungen, seismische Vorwärtssimulierungen und laborgestützten Messwerten der geothermisch relevanten Gesteinen ergänzt wurden. Das Anwendertool enthält somit geologische, experimentelle und modelltechnische Bewertungsinstrumente, die eine Risikoanalyse für durch die Nutzung geothermischer Energie induzierte Seismizität erleichtern. Projektentwicklern wird damit ein interaktives Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem sich Gebiete, die ein erhöhtes Risiko für die Reaktivierung von Störungen und damit verbundene Seismizität bieten, schnell identifizieren lassen. Im Umkehrschluss können auch seismisch stabilere Bereiche ermittelt und auch potentielle Nutzungsszenarien für geothermische Anwendungen in ausgewählten Regionen geomechanisch bewertet werden. Für eine Vielzahl von Unternehmen verschiedener Branchen stellt die 3D-RuhrMarie daher ein Anwendungstool dar, das die entscheidende Lücke zwischen Vorerkundung und Beginn der Projektphase im Sinne einer deutlichen Reduzierung des wirtschaftlichen Risikos schließt.

Scientific research is carried out in the framework of the INSIDE project (supported by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, BMWi) to better understand the processes involved during deep geothermal exploitation in the Munich area that could lead to induced seismicity and ground deformation of the subsurface. The research work focuses on three aspects: the monitoring, the modelling and the integration with operations.

With respect to the seismic monitoring, one objective is to combine “standard” surface set-up – a well-established measurement method – with new technologies and/or original layouts that are not yet widespread in the geothermal energy field. Hence, in addition to five seismological stations, a mini-array has been deployed in the area, as well as a monitoring well and surface loop dedicated to Distributed Acoustic Sensing (DAS). Their relative performances are intended to be compared in order to assess the quality and sensitivity of the observations, and to contribute to the optimization of seismic monitoring to specific goals.

The presentation focuses on the status of the seismic monitoring network, which has been implemented near the three geothermal sites of Schäftlarnstrasse, Pullach and Baierbrunn. We report on the deployment of the INSIDE seismic stations, including two measurement locations where various innovative technical solutions have been implemented and combined to standard ones. We show how these stations complement the existing seismic network in Munich and present their main characteristics, in particular the associated noise measurements. We additionally discuss the data-management system being developed to handle all these different types of recorded data.

In der Niederrheinischen Bucht befindet sich möglicherweise ein Teil des größten hydrothermalen Reservoirs in Europa: die Plattformkarbonate des Kohlenkalks aus dem Dinant (Unterkarbon) und die mitteldevonischen Riffkalke des Massenkalks. In Belgien und den Niederlanden wurden diese Gesteine bereits zur geothermischen Energieversorgung erbohrt. Am Standort des RWE-Braunkohlekraftwerks Weisweiler, ca. 15 km östlich von Aachen, wird daher im Rheinland ein Fraunhofer-Forschungskraftwerk zur Nutzung der tiefen Geothermie projektiert.

Weisweiler liegt nach DIN 4149 (2005) in der Erdbebenzone 3. Um das Risiko für induzierte oder getriggerte Seismizität zu reduzieren und das geologische und geomechanische Umfeld besser zu verstehen, sind umfangreiche Explorationsarbeiten geplant. Neben einer groß angelegten 3D-seismischen Explorationskampagne wird im Winter 2021 eine Explorationsbohrung mit einer Tiefe von bis zu 1500 m abgeteuft. Als weitere Maßnahme wurde im Sommer 2021 ein temporäres seismisches Netzwerk mit 40 Stationen für einen Zeitraum von zirka 11 Monaten installiert um die natürliche Seismizität in der Region zu bewerten. Hier berichten wir über das Messnetz und erste vorläufige Ergebnisse.

Mit der Novellierung des Bundesberggesetzes im Jahre 2018 unterliegt auch der Bohrlochbergbau der Einwirkungsbereichsbergverordnung (EinwirkBergV). Demnach sind die Betreiber u.a. dazu verpflichtet, seismische Ereignisse im Aufsuchungs- und Bewilligungsfeldern sowohl zu detektieren wie auch zu orten. Um dieser Auflage sachgerecht nachzukommen, wären in der Tiefengeothermie mindestens drei dislozierte, seismische Messtationen nötig. Gerade im mit geothermischen Tiefenbohrungen reich gesegneten Ballungsraum München, würde dies bei konkreter Umsetzung an jeder Bohrdublette bzw. in jedem Claim zu einer überhöhten Stationsdichte mit Mehrfachüberlappungen und zu entsprechend hohen und redundanten Analyse-, Betriebs- und Berichtskosten führen.

Die ortsansässigen Betreiber haben sich in 2019 in enger Abstimmung mit Behörden und wissenschaftlichen Institutionen zu einer gemeinschaftlichen Ausschreibung eines solchen Messnetzes entschieden, um mit einer zahlenmäßig deutlich reduzierten, dafür aber übergreifend vernetzten Anzahl von Messstationen eine flächige Abdeckung des Großraum Münchens zu erreichen, welche den Anforderung der EinwirkBergV entspricht. Gleichzeitig wird mit diesem Messnetz der Datengrundstein für umfangreiche wissenschaftliche Auswertungen zum seismisch induzierten Geschehen in der bayr. Molasse gelegt und ein nicht unwichtiger Beitrag zur Transparenz gegenüber der Öffentlichkeit gelegt.

Der Vortrag gibt Einblick in den gewählten technischen und wissenschaftlichen Lösungsansatz, den Projektablauf sowie die bis dato gewonnen Erkenntnisse.

Es berichten die Projektleiter Wolfgang Geisinger (Geothermie Unterhaching) und Franz Barenth (Stadtwerke München).