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Grafik zeigt Begriffe tiefe Geothermie, Karbonatgestein, hydrothermal, verkarstet, Monitoring

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DGE-ROLLOUT – Fragen und Antworten

Hier beantworten wir spezifische Fragen zum Projekt DGE-ROLLOUT. Warum der tiefere Untergrund so energiereich ist und welche tiefengeothermischen Nutzungsformen es gibt, erfahren Sie unter Tiefe Geothermie.

Warum hydrothermale Geothermie?

Ihr Vorteil: Sie erschließt und nutzt im Untergrund natürlich vorhandenes warmes bis heißes Thermalwasser. Dieses befindet sich in Wasser führenden Gesteinsschichten, den Aquiferen. Die tiefengeothermische Nutzung des Thermalwassers ist an ergiebige Grundwasserleiter mit einer guten Wasserdurchlässigkeit gebunden. Eine gute Permeabilität, so der Fachausdruck, ist zum Beispiel bei verkarsteten und/oder dolomitisierten Karbonatgesteinen oder porösen Sandsteinen zu erwarten.

Wie funktioniert ein hydrothermales System?

Hierfür ist eine sogenannte geothermische Dublette erforderlich. Sie ist das Basiselement einer hydrothermalen Anlage und besteht aus mindestens zwei Bohrungen: In der Förderbohrung wird das heiße Wasser an die Erdoberfläche gepumpt. Dort entzieht ihm ein Wärmetauscher die Wärme und gibt sie an einen sekundären Kreislauf zur Erzeugung von Fernwärme oder Strom ab. Das abgekühlte Wasser wird über die Injektionsbohrung zurück in den Untergrund geführt, sodass es sich im Entnahmehorizont wieder ansammeln kann. So bleiben die stark mineralisierten Tiefenwässer in einem geschlossenen System und kommen nicht in Kontakt mit dem Grundwasser, welches für die Trinkwassergewinnung genutzt werden kann.

Um die Leistung der Anlage zu erhöhen, können mehrere Dubletten zu größeren Systemen zusammengeschlossen werden. Dabei muss die Anzahl der Förder- und Injektionsbohrungen nicht dieselbe sein.

Wie wird das Grundwasser geschützt?

Der Schutz des Grundwassers hat beim Einrichten des Bohrplatzes höchste Priorität. Dieser wird durch bauliche Maßnahmen so gesichert, dass durch den Bohrprozess keine Grundwasser gefährdenden Stoffe in den Untergrund eindringen können. Auch beim Durchbohren der verschiedenen Gesteinsschichten bis in das hydrothermale Reservoir sind vorhandene Grundwasserstockwerke zu schützen. Die Bohrungen werden daher mehrfach verrohrt, damit die höher liegenden, zur Gewinnung von Trinkwasser genutzten, Grundwasser-Stockwerke vor Verunreinigung geschützt sind und weiterhin voneinander getrennt bleiben.

Kommt Fracking zum Einsatz?

Aufgrund der Verkarstung – sprich der natürlich vorhandenen Hohlräume – im Karbonatgestein kann bei der hydrothermalen Geothermie das heiße Tiefenwasser in der Regel ohne hydraulische Stimulation aus dem Untergrund entnommen werden. Beim Fracking wird durch hydraulische Stimulation die Wasserwegsamkeit des Gesteins, in der Fachsprache Permeabilität, verbessert. Dabei wird Wasser mit hohem Druck über eine Bohrung in den Untergrund verpresst, um künstliche Risse im Gestein zu erzeugen.

Was sind verkarstete Karbonatgesteine?

Karbonatgesteine, dazu gehören Kalk- und Dolomitstein, sind Sedimentgesteine. Sie bestehen aus abgelagerten kalkproduzierenden Organismen wie Korallen, Muscheln, Schnecken und Mikroorganismen oder werden durch chemische Ausfällung gebildet. Da diese Gesteine lösungsfähig sind, haben sich durch den Einfluss von Wasser Hohlräume gebildet, durch die sich das Tiefenwasser bewegt. Diese verkarsteten Aquifere sind aufgrund ihrer Durchlässigkeit, also Wasserwegsamkeit, potenziell als hydrothermale Reservoire geeignet. Dabei sind die Bereiche des frei beweglichen Tiefenwassers von besonderem Interesse, da hier die Entnahme und Förderung des hochtemperierten Wassers ohne zusätzliche Maßnahmen wie hydraulische Stimulation gelingt.

Was bedeutet Dolomitisierung?

Bei diesem Prozess werden in einem Kalkstein Kalzium-Ionen durch Magnesium-Ionen ersetzt. Verantwortlich für diesen Ionenaustausch im Bereich des Rhenoherzynischen Beckens war magnesiumreiches Tiefenwasser. So bildeten sich dort verbreitet dolomitisierte Kalksteine bis hin zu reinen Dolomitsteinen.

Was ist Kohlenkalk?

Im Unterkarbon, vor 360 bis 330 Millionen Jahren, war der Sedimentationsraum des Projektgebietes, das sogenannte Rhenoherzynische Becken, weitestgehend zweigeteilt: in Kontinentalschelf und Meeresbecken.

Der kontinentale Schelfbereich war ein Flachwassergebiet mit einer reichen Meeresfauna. Moostierchen, so genannte Bryozoen, und Korallen bauten einen ausgedehnten Gürtel aus Kalkriffen auf. Vor den Riffen sammelte sich meerwärts Riffschutt an, während sich zwischen den Riffen dunkle, bituminöse Kalkschlämme ablagerten. Die daraus entstandenen Gesteine werden in der Kohlenkalk-Gruppe zusammengefasst und das Nebeneinander von Riffkalken, Schuttkalken und bituminösen Kalksteinen als Kohlenkalk-Fazies bezeichnet. In der Eifel ist die Kohlenkalk-Gruppe bis zu 300 m mächtig, rechtsrheinisch bei Ratingen bis zu 200 m.

Östlich von Wuppertal verschwinden die Gesteine der Kohlenkalk-Gruppe allmählich. Ohne klare Grenze schließt sich die Kulm-Fazies des tiefen Meeresbeckens an. Die dortigen Ablagerungen zeugen von einem wenig bewegten, schlecht durchlüfteten Meer: bitumenreiche Tonschiefer und Kieselschiefer – teilweise in Wechsellagerung mit turbiditischen Ablagerungen. Weniger verbreitet sind Schluff- und Sandsteine.

Warum liegt der Fokus auf dem Kohlenkalk?

In den Nachbarländern Belgien und den Niederlanden wird das hydrothermale Reservoir der karbonzeitlichen Kohlenkalk-Gruppe seit Jahrzehnten erfolgreich genutzt. Für NRW ist ein ähnlich hohes geothermisches Potenzial zu erwarten.

Was bedeutet turbiditisch?

Ein Sedimentgestein, das aus einer lawinenartigen Schüttung – einem sogenannten Turbidit- oder Suspensionsstrom – eines unverfestigten, wassergesättigten Gesteinsmaterials entsteht, heißt in der Fachsprache Turbidit. Durch diesen Suspensionsstrom wird weiteres abgelagertes Sediment aufgewirbelt und in die Schwebefracht des Wasser-Sedimentgemischs aufgenommen. Bei der Ablagerung werden die groben und schweren Bestandteile schneller abgelagert. Dadurch entsteht die für einen Turbidit typische Gradierung: unten grobkörnig, oben feinkörnig.

Während in Seen kleine Turbidite entstehen, können die Schuttfächer am Fuß submariner Hänge mehrere Kilometer Durchmesser und Mächtigkeit erreichen.

Was sind klastische Sedimente?

Kies und Sand, Sand- und Tonstein gehören dazu. Sie sind aus der mechanischen Zerkleinerung von Gesteinen entstanden und werden auch Trümmergestein genannt.

In welchem Zusammenhang stehen Geothermie und Induzierte Seismizität?

Werden durch Eingriffe des Menschen in den Untergrund Erschütterungen ausgelöst, handelt es sich um Induzierte Seismizität. Das Auftreten induzierter seismischer Ereignisse ist beispielsweise aus dem Bergbau und der Tiefengeothermie bekannt. In den meisten Fällen sind diese Ereignisse nicht oder kaum spürbar und können nur mit hochempfindlichen Messinstrumenten nachgewiesen werden.

Bei der hydrothermalen Geothermie wird heißes Tiefenwasser aus dem Untergrund zutage gefördert und dort dem Wasser die geothermische Energie entzogen. Bei der Förderung wie auch bei der Rückführung des Wassers in den Untergrund ändert sich vor allem der Druck des Porenwassers, wodurch sich Spannungsänderungen innerhalb des Gesteins oder zwischen unterschiedlichen Gesteinseinheiten ergeben können. Hierdurch können sich Klüfte oder Risse bilden oder erweitern. Dieser Prozess kann induzierte seismische Ereignisse auslösen.

Gibt es ein Monitoring der Induzierten Seismizität?

Es ist wichtig, die natürliche Seismizität zu kennen, da sie regional sehr unterschiedlich ist. Sie wird vor und während des Betriebs einer Geothermieanlage mithilfe eines seismischen Monitorings sehr genau untersucht. Das ist zwingend erforderlich, um genaue Angaben über die Induzierte Seismizität während des Betriebs von Geothermieanlagen machen zu können. Die Messergebnisse zeigen, ob die Entnahme und/oder Rückführung der Tiefenwässer in den Untergrund zu einem Anstieg der Seismizität führen. Ziel ist es, bei den ersten Anzeichen kritischer induzierter Ereignisse die Betriebsabläufe in einem Geothermiekraftwerk frühzeitig anzupassen, um stärkere Beben und mögliche Schäden zu verhindern.

Sind im Seismogramm Unterschiede zwischen natürlicher und Induzierter Seismizität erkennbar?

Bei der Induzierten Seismizität liegen die seismischen Quellen oft im oberflächennahen Bereich, meist in einem Tiefenbereich bis zu wenigen Kilometern. Ereignisse dieses Typs sind im Seismogramm häufig an deutlich ausgeprägten Oberflächenwellen erkennbar. Induzierte und natürliche Seismizität lassen sich jedoch nicht immer auf Grundlage der registrierten Daten eindeutig unterscheiden. Allerdings gibt es bei induzierten Ereignissen einen klaren räumlichen und zeitlichen Zusammenhang zwischen ihrem Auftreten und Einwirkungen des Menschen auf den Untergrund. Dieser Zusammenhang kann durch die Auswertung der Seismogramme und die Lokalisierung eines Ereignisses hergestellt werden. Die Unterscheidung zwischen natürlicher und Induzierter Seismizität ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.

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