Veranstaltungsprogramm

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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).

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.

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Mit diesem Verbundvorhaben wird der Datenbestand des geothermischen Informationssystems GeotIS aktualisiert und mit Blick auf die mitteltiefe Geothermie und die Wärmwende hin erweitert. In Zukunft soll GeotIS mehr Gebiete abdecken, die bedeutend für die Umsetzung der Wärmewende in Deutschland sein werden. Dabei ist auch vorgesehen, die Benutzer­ober­fläche so zu verbessern, dass sie von jedem/r einfach und intuitiv zu bedienen ist. Mit der einfacheren Handhabung sollten auch Laien angesprochen werden, etwa aus dem kommunalen Energieversorgerbereich, dem für die flächenhafte Umsetzung der Wärmewende durch Geothermie eine Schlüsselrolle zukommt. Bislang wurde GeotIS insbesondere für die tiefe Geothermie entwickelt, da in den vergangenen 15 Jahren der Schwerpunkt auf Strom-Wärme-gekoppelte Energieerzeugung lag. Nun soll verstärkt der Fokus auf die direkte Wärmenutzung und -speicherung in mitteltiefen Gesteinsformationen gerichtet werden. Darüber hinaus soll GeotIS um eine neue Benutzerfunktion erweitert werden: Mit dem sogenannten Wärmewende-Steckbrief wird die wissenschaftlich fundierte Informationsquelle GeotIS einen breiteren Nutzerkreis, insbesondere die kommunalen Energieversorger, erreichen. Entscheider*innen aus Wirtschaft und Politik sollen bei der Umsetzung der Wärmewende durch die Geothermie zielgerichtet auf Basis wissenschaftlicher Ergebnisse durch GeotIS unterstützt werden.

Mit den Forschungsarbeiten werden standortspezifische Informationen aus Geologie und Geothermie des Untergrundes für Steckbriefregionen wissenschaftlich verifiziert und so aufbereitet, dass sie auch für einen Laien leicht verständlich sind. Diese Informationen sollen in Form von regionalisierten Kurzinformationen, dem Wärmewende-Steckbrief, bereitgestellt werden. Die Ergebnisse der Geothermieforschung sollen anhand von kurzen Texten und Bildern anschaulich dargelegt, um dadurch das Interesse bei kommunalen Energieversorgern für geo­­ther­mische Energienutzung zu stärken und die positive Wahrnehmung der Geothermie in der Bevölkerung zu unterstützen. Insgesamt sollen alle in Deutschland vorkommenden Fündigkeitstypen (play types) mit Steckbriefen abgedeckt werden, dabei wird auch der ländliche Raum für die verschiedenen geothermischen Nutzungstypen bearbeitet werden.

Ein weiterer, wichtiger Teil des Projekts umfasst die Erfassung und Anpassung verifizierter Methoden der künstlichen Intelligenz und des Deep Learning zur Bohrdatenerfassung und -analyse. Damit soll der Arbeitsaufwand bei der Erschließung von Bohrlochdaten zur Reservoirparametrisierung langfristig reduziert werden. Die mit diesen neuen Methoden erfassten und interpretierten Daten aus Logs und Bohrberichten werden in eine Datenbank übertragen.

Mit der Software COMSOL^® sollen generische, PlayType-spezifische Dubletten-Modelle für verschiedene Nutzungsarten berechnet werden. Hierzu werden hypothetische 3D-Untergrundmodelle generiert, die ein breites Spektrum geologischer Rahmenbedingungen abdecken. Die Ergebnisse dieser numerischen Simulationen werden anschließend mit analystischen Lösungen verglichen. Auf Basis dieser Modellergebnisse soll es möglich werden, mit GeotIS die geothermische Leistung einer Dublette innerhalb einer Region abzuschätzen.

Darüber hinaus soll im Projekt ArtemIS auch das eLearning-Portal von GeotIS ergänzt und verbessert werden. Insbesondere sollen Verknüpfungen den/die Nutzer*in aus der GeotIS-Anwendung heraus direkt zu ausgewählten Lerninhalten führen.

Stehen Bauherren und Planern an Ort und Stelle gewonnene Informationen und Daten zur geologischen und geothermisch¬en Situation zur Verfügung, kann dies eine Entscheidung für die Errichtung einer ober¬flächennahen geothermischen Anlage erheblich fördern. Durch die Berücksichtigung dieser Informationen und Daten können die Dimensionierung und Errichtung geothermischer Anlagen an die jeweilige standörtliche Situation angepasst und somit auch Erstellungskosten reduziert und die Anla­gen-Effizienz erhöht werden.

Zur Unterstützung privater und kommunaler Bauherren bei der Entscheidung für die Nutzung der oberflächennahen Geothermie mittels Erdwärmesonden haben das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie und das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen im Jahr 2019 ein Projekt zur Erhebung geologischer und geothermischer Informationen und Daten ausgewählter Baugebiete initiiert.

In einer ersten Kampagne wurden im Jahr 2019 in drei Baugebieten 100 m tiefe Bohrungen zur Erkundung der standörtlichen geologischen und geothermischen Situation durchgeführt. Die Bohrungen wurden zu Erdwärmesonden ausgebaut und hieran Thermal-Response-Tests durchgeführt. Seit Frühjahr 2021 wird das Projekt an 15 weiteren Standorten fortgesetzt.

Die Ergebnisse der Erhebungen werden in „Steckbriefen Oberflächennahe Geothermie“ zusammengefasst und um Hinweise zur Bemessung exemplarischer EWS-Anlagen zum Heizen (typisch für reine Wohngebäude) und zum Heizen und Kühlen (typisch für Gewerbeimmobilien) ergänzt. Es werden zudem Hinweise auf die unter Berücksichtigung der standörtlichen Situation voraussichtlichen behördlichen Anforderungen an die Errichtung und den Betrieb von EWS-Anlagen gegeben.

Erste Steckbriefe können eingesehen werden unter:

https://www.hlnug.de/themen/geologie/erdwaerme-geothermie/oberflaechennahe-geothermie/projekt-ong-in-baugebieten

Die Politik hat die Bedeutung der Tiefengeothermie für die Energiewende anerkannt. Vom Kohleausstiegsgesetz über das GEG bis zum EEG wurden wichtige rechtliche Grundlagen angepasst. Um die notwendigen Investitionen zu unterstützen wurde auch das BEG und das BEW (hoffentlich bis November 2021 veröffentlich) eingeführt.

Aber auch die Umsetzung von RED II und EED trifft die Tiefengeothermie, auch hierauf wird in dem Vortrag eingegangen.

Ob und wenn ja unter welchen Voraussetzungen die oberflächennahe Geothermie unter das Bergrecht fällt, wird seit langem in verschiedenen Bundesländern unterschiedlich beantwortet, obwohl mit dem Bundesberggesetz einheitliches Bundesrecht für ganz Deutschland gilt. Wenn die Wärmewende gelingen soll, wird diese Frage zunehmend relevant: Es werden mehr oberflächennahe Geothermieanlagen erforderlich werden, sie werden leistungsfähiger werden müssen und größere thermische Auswirkungen haben und es werden vermehrt kalte Nahwärmenetze errichtet werden, bei denen die Wärme aus einem Grundstück in Gebäuden auf anderen Grundstücken genutzt werden wird.

Nach der noch überwiegenden Meinung in den Ländern ist auch oberflächennahe Erdwärme ein bergfreier Bodenschatz im Anwendungsbereich des BBergG (weiter Erdwärmebegriff). Ist das Bergrecht anwendbar, führt dies zu einem wesentlich höheren und vielfach abschreckenden Verfahrensaufwand: Für eine Erdwärmesonde oder ein Sondenfeld ist dann nicht nur eine wasserrechtliche Erlaubnis, sondern darüber hinaus eine bergrechtliche Aufsuchungserlaubnis, ein Aufsuchungsbetriebsplan, eine Gewinnungsbewilligung und ein Gewinnungsbetriebsplan erforderlich; außerdem ist der Betreiber ein Bergbauunternehmer, für den besondere bergrechtliche Anforderungen an Zuverlässigkeit und Fachkunde gelten. Eine Ausnahme gilt nur dann, wenn die Erdwärme in einem Grundstück aus Anlass oder im Zusammenhang mit dessen baulicher oder sonstiger städtebaulicher Nutzung gewonnen wird (§ 4 Abs. 2 Nr. 1 BBergG). Die Reichweite dieser Ausnahme wird von den Bundesländern unterschiedlich ausgelegt. Allerdings legen immer mehr Bundesländer den Erdwärmebegriff des Bundesberggesetzes enger aus: In manchen Bundesländern sollen nur Anlagen mit einer Leistung ab 200 kW, Anlagen, in denen die Wärme direkt, also ohne Wärmepumpen genutzt wird, oder nur tiefe Geothermieanlagen dem Bergrecht unterfallen.

Rechtsanwalt Dr. Buchholz hat sich 2021 mit diesen Fragen zur Vorbereitung einer Stellungnahme des Bundesverbandes Geothermie zum Entwurf eines Gesetzes zur Änderung des Bundesberggesetzes und zur Umsetzung der EU-Erneuerbare-Energien-Richtlinie sowie im Rahmen eines Rechtsgutachtens für die Landesenergieagentur Hessen intensiv befasst. Im Ergebnis ist bei einer nicht nur am Wortlaut, sondern auch am Regelungszweck und der Entstehungsgeschichte des Bundesberggesetzes orientierten Auslegung des Bundesberggesetzes nur tiefe Geothermie als bergfreier Bodenschatz i. S. d. Bergrechts anzusehen. Für oberflächennahe Geothermie können deshalb keine Bergbauberechtigungen verlangt und erteilt werden. Die Nutzung oberflächennaher Geothermie ist durch das Wasserrecht und das zivile Nachbarrechts ausreichend geregelt. Soweit ein erhöhter Koordinierungsbedarf besteht, kann dem durch kommunale Wärmeplanung und daraus abgeleitete Festsetzungen in Bebauungsplänen oder Vereinbarungen in städtebaulichen Verträgen besser Rechnung getragen werden als durch die Anwendung des Bergrechts.

Nach den Ergebnissen des Rechtsgutachtens und der Gesetzesauslegung in Thüringen fällt die oberflächennahe Geothermie deshalb schon jetzt nicht unter den Anwendungsbereich des Bundesberggesetzes. Die Bundesländer, die bisher noch von einem weiten Erdwärmebegriff ausgehen, dürfen das Bergrecht also bereits jetzt nur auf tiefe Erdwärme anwenden.

Noch besser wäre eine klarstellende Änderung des Wortlauts des Bundesberggesetzes dahingehend, dass nur tiefe Geothermie, also z. B. Erdwärme, die durch Bohrungen mit einer Tiefe von mehr als 400 m gewonnen wird, als bergfreier Bodenschatz gilt. Der Wirtschaftsausschuss des Bundesrates hat eine entsprechende Änderung des Bundesberggesetzes kürzlich empfohlen, jedoch fand dieser Vorschlag bisher keine Mehrheit im Bundesrat und wurde vom Bundestag noch nicht beraten. Dennoch scheinen sowohl das Bundeswirtschaftsministerium als auch viele zuständige Landesministerien für eine baldige entsprechende Änderung des Bundesberggesetzes offen zu sein.

Diese Thematik, insbesondere die bisherige Praxis der Länder und die Konsequenzen einer Änderung des Bundesberggesetzes bzw. seiner Anwendung sollen im Rahmen eines Vortrages dargestellt und diskutiert werden.

Um die mittelfristigen Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen, müssen Wissenschaft, Politik, Kommunen und die Energiewirtschaft gemeinsam nachhaltige Lösungen für die Energiebereitstellung entwickeln. Die Mitglieder der GeoEnergie Allianz Berlin-Brandenburg (GEB²) sind überzeugt davon, dass dabei eine regionale Wertschöpfung basierend auf heimischen Ressourcen eine bedeutende Rolle spielen kann. Eine städtische Wärmeversorgung mit Geothermie ist machbar und die porösen Schichten des tiefen, geologischen Untergrundes im Raum Berlin-Brandenburg bieten ein großes Potential zur Speicherung von Wärme und gasförmiger Energieträger.

Die GEB² ist ein Innovations- und Kompetenznetzwerk der Region Berlin Brandenburg zu Geothermie, Rohstoffgewinnung aus geothermischen Fluiden und geologischer Speicherung. Kernpartner sind angewandte Forschungseinrichtungen und Universitäten aus der Region. Sie forschen gemeinsam zu Fragen der GeoEnergie, adressieren Lücken, Unsicherheiten und Hemmnisse und kommunizieren die Forschungsergebnisse in eine breite Öffentlichkeit. Assoziiert sind gewerbliche Unternehmen aus dem Sektor. Die GEB² soll so Ansprechpartner für Kommunen, Energieversorger, Politik und Verwaltung bei Fragen im Bereich GeoEnergie werden. Die Allianz bietet so eine Kommunikationsplattform für Mitglieder, Partner und Stakeholder und soll gemeinsame Implementierungsprojekte und Demonstrationsanlagen in der Region schaffen. Durch die bereits vorhandenen Forschungsplattformen und Kompetenzen in der Region können Methoden und Werkzeuge für nachhaltige und umweltfreundliche Reservoirbewirtschaftung in den Bereichen Erkundung, Reservoir-Erschließung, Produktion und Kopplung an die obertägige Energieversorgung/ Netze und Risikobewertung und Monitoring für unterschiedliche Anwendungen (Heizen und Kühlen mit Geothermie, Wärme- und Kältespeicherung im Aquifer, Gewinnung von Rohstoffen aus Tiefenwässern und Speicherung von Gasen im) entwickelt werden.

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Der Einsatz geothermischer Systeme in grossem Massstab erfordert die Zusammenarbeit von Akteuren aus verschiedenen Sektoren. Die entsprechende Wertschöpfungskette befindet sich in der Schweiz im Aufbau. Der Dialog an den Schnittstellen ist noch nicht eingespielt. Deshalb hat Geothermie-Schweiz ein Programm für Wissens- und Technologietransfer initiiert. Zusammenarbeit über die Grenzen der Schweiz sind erwünscht.

Geothermie kann in der Schweiz noch viel mehr genutzt werden. Die untiefe Geothermie hat sich in den letzten 30 Jahren am Markt etabliert, allen voran Erdwärmesonden. Ein Entwicklungspotential liegt in Agglomerationsgebieten mit Erdwärmesondenfelder. Der Skalierungseffekt von einzelnen Sonden auf ein Sondenfeld ist mit anderen Dimensionierungen von Temperaturausgleichen im Untergrund sowie mit der Notwendigkeit intelligenter Regulierungen von Gesamtenergiesystemen in Quartieren verbunden, ebenfalls mit Anergienetzen. Eine Vermittlung des entsprechenden Wissens bei allen betroffenen Berufsgattungen kann als Katalysator wirken und dieses Potential aktivieren. Das theoretische Potenzial für hydro- und petrothermale Systeme für die Wärme- und/oder Stromversorgung sowie für die Nutzung des Untergrundes als Wärmespeicher ist in der Schweiz enorm gross. Aus mangelnder Erfahrung mit realisierten Projekten stehen diesen theoretischen Potenzialen hemmende Faktoren gegenüber, wie zum Beispiel mangelnde Kenntnisse über den Untergrund, geringe Erfahrungen heimischer Betriebe im Bereich Tiefbohrungen, mangelnde Referenzprojekte für den Bau und Betrieb solcher Anlagen in der Schweiz, Unsicherheiten für die Initiierung und Führung von Geothermieprojekten bei potentiellen Projektträgern sowie oftmals fehlende Erfahrung hinsichtlich der Bewilligungsverfahren in den Behörden.
Die Akteure der Geothermie sind interdisziplinär und sowohl in öffentlichen Behörden, Hochschulen und der Privatwirtschaft zu Hause: Geologinnen und Geologen, Energiespezialisten, Umweltfachpersonen, Unternehmen für Untergrundbohrungen und Untertagebau, Ingenieurinnen und Planer, Betreiber von Energiedistributionsnetzen, Gemeinden und Kantone, Gewerbe- und Industriebetriebe mit höherem Wärmebedarf, Besitzer von Immobilien, Investoren, Forschende in Hochschulen und privaten Einrichtungen. Mit der Förderung des Austauschs an den Schnittstellen kann diese Wertschöpfungskette effektiver werden. In den «Teilbranchen» ist Wissen vorhanden. Es gilt, dieses Wissen an den Schnittstellen zwischen den Akteuren und Sektoren zu teilen und so der ganzen Branche verfügbar zu machen. Dies ist eine zentrale Aufgabe des Programms Transfer.
Das Programm Transfer bietet einen Beitrag, hemmende Faktoren zu beseitigen und die Weiterentwicklung der untiefen sowie die Etablierung der mitteltiefen und tiefen Geothermie zu beschleunigen. Dafür werden Projekte für den Austausch und die Verbreitung von Wissen, Erfahrung und Technologie zwischen den verschiedenen Anspruchsgruppen initiiert und koordiniert. Somit wird der gemeinsame Wissensstand vergrössert. Zusammenarbeit über die Grenze der Schweiz ist erwünscht, da in anderen Regionen teilweise ähnliche Problemstellungen und teilweise komplementäre Erfahrungen vorhanden sind.

Der Einsatz geothermischer Systeme in grossem Massstab erfordert die Zusammenarbeit der Akteuren dieser verschiedenen Bereiche und Regionen. Für einige Systeme besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Andere sind ausgereift und stehen an der Marktschwelle. Viele Produkte, Dienstleistungen und Technologien sind bereits weit verbreitet. Die Nutzung der verschiedenen geothermischen Systeme ist von Region zu Region unterschiedlich und die Kenntnisse über den Untergrund und die Gesetzgebung sind je nach Land und Region mehr oder weniger günstig. Daher wird der Erfahrungs- und Wissensaustausch zwischen den Regionen und zwischen den Akteuren der verschiedenen beteiligten Sektoren die Entwicklung der Wertschöpfungskette der Geothermie beschleunigen.
Die Erkenntnisse aus den ersten Projekten des Programmes sowie die Best Practices zu den Formaten für den Austausch werden in diesem Vortrag erläutert

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Das BVG-Positionspapier „Stand der Forschung und Forschungsbedarf in der Geothermie“ zeigt auf, welche Forschungsarbeiten erforderlich sind, um die Rolle der Geothermie als integraler Bestandteil der Energiewende weiter voranzubringen. Grundlage war ein Papier zum Forschungsbedarf in der Geothermie, das vom BVG 2017 herausgegeben wurde. Das Papier wurde 2020 vollständig überarbeitet und neu gegliedert (z. B. das Thema Wärmespeicher als eigenständiges Kapitel), und neue oder wieder aktuell gewordene Forschungsgebiete wurden aufgenommen.

Im Vortrag wird der aus Sicht des BVG notwendige Forschungsbedarf aufgezeigt und mit dem 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung abgeglichen. Insbesondere wird der Forschungsbedarf, der keine oder keine ausreihende Förderung erhält, hervorgehoben; dies sind:

─ in der Tiefen Geothermie: Überregionale Vorerkundung (Bohrprogramm, großräumige Seismik),

─ in der Oberflächennahe Geothermie: Schutz des Grundwassers, Langzeit-Monitoring,

─ bei den Netzen: Niedertemperatur- und Kalte Nahwärmenetze,

─ sowie: Hochtemperaturspeicher, Kältebereitstellung und Akzeptanz.

Eine Broschüre zum Forschungsbedarf wurde im Dezember 2020 veröffentlicht und ist online auf der Homepage des BVG abrufbar: Forschung_Papier_2020_A4_20201217_Final_interaktiv.pdf (geothermie.de)

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