Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach

Werbung
Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann
Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald
Geologische Ergebnisse zur geothermischen
Tiefbohrung Heubach/Odenwald
G1
G2
G4
Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann
Einleitung
Mitte 2012 wurden die im Januar 2012 begonnenen
Bohrarbeiten für die mitteltiefe Erdwärmesonde
Groß-Umstadt-Heubach nach erfolgreichem Einbau
der Verrohrung in das 775 m tiefe Bohrloch mit der
Zementierung der Verrohrung gegen das Gebirge beendet. Der Einbau eines GfK-Steigrohrs aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK) mit optischem Messkabel und Temperaturmesskette wurde im September
2012 abgeschlossen, ein Geothermal Res­ponse Test
fand im November 2012 statt.
Wie im Jahresbericht 2011 des HLUG beschrieben
(Fritsche & Kött 2012), wird das Forschungs- und
Ent­wicklungsprojekt der HEAG Südhessische Ener­gie
AG (HSE) vom Hessischen Ministerium für Umwelt,
Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
(HMUELV) über Mittel aus dem europäischen
Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Es soll Grundlagen erarbeiten und demonstrieren,
wie die Wärmeversorgung eines mittelständischen
Industriebetriebes (Fa. Frenger Systemen B. V.)
mit einer mitteltiefen koaxialen Erdwärmesonde
erfolgen kann. Zusätzlich sind die Gebäude in besonders energiesparender Bauweise ausgeführt worden.
Damit erfüllt das Projekt wichtige Vorgaben aus dem
Umsetzungskonzept der hessischen Landesregierung
zum hessischen Energie­gipfel. Das Hessische Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) ist vom
HMUELV mit der wissenschaftlich-geologischen Begleitung des Projekts beauftragt.
Das am 21.12.2010 mit ersten Vorbereitungen begonnene Pilotprojekt stellt jetzt nach Fertigstellung
die erste Nutzung der (mittel-) tiefen Geothermie
in Hessen dar. Neben der mitteltiefen Erdwärmesonde zum Heizen der Produktionsgebäude werden
auch 8 „herkömmliche“ Doppel-U-Erdwärmesonden
mit Tiefen von 90 bis 138 m zur Heizung und zur
Kühlung von Bürogebäuden verwendet. Die oberflächennahen Erdwärmesonden tragen zur Wärmeversorgung ca. 40 kW und die tiefe Erdwärmesonde ca.
90 kW bei.
Bei dem Projekt wurde auch getestet, ob der gegenüber einer Tiefbohranlage wesentlich kostengüns­
tigere Einsatz einer mobilen Brunnenbohranlage
mit nur ca. 40 t Hakenlast zu den gesetzten Zielen
führt. Die tiefe Bohrung wurde vom Projektpartner
Fa. Anger’s Söhne, Hessisch Lichtenau, abgeteuft
und als koaxiale Sonde, bestehend aus einem Innen- und Außenrohr (17,8 cm Ø) ausgebaut. Auch
hier zirkuliert das Wärmeträgermedium wie in einer
flachen Sonde in einem geschlossenen Kreislauf, allerdings zwischen einem Außenrohr aus Stahl, in dem
sich das Wärmeträgermedium auf dem Weg nach
unten erwärmt und einem davon thermisch isolierten
Innenrohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK),
in dem das warme Wasser hochsteigt.
111
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie – Jahresbericht 2012
Besonderheiten für die geologische Landesaufnahme und Bedeutung für die Entwicklung der Tiefen Geothermie in Hessen
Die Bohrung bietet eine einmalige Gelegenheit, Gesteine, die nicht nur für tiefe Erdwärmesonden in
0
Quartär
Betracht kommen, sondern auch für hydrothermale
Verwitterungszone
und petrothermale Nutzung, in großen Tiefen in
Hornblende-Biotitgneis
0
Quartär
frischem, unverwittertem Zustand zu untersuchen.
100
Verwitterungszone
Biotitgneis, z.T. mit Granat und Hornblende
Ab­hängigkeiten gesteinsphysikalischer Parameter von
Hornblende-Biotitgneis
granitoider Gneis
0
der Mäch­tigkeit der Überlagerung
können
erkannt
Quartär
Verwitterungszone
100 Stöwerden. Gesteinsgefüge und Tektonik (Klüfte,
Wechselfolge
von Biotitgneis, MuskowitBiotitgneis,
z.T. mit Granat
und Hornblende
200
Hornblende-Biotitgneis
gneis und Glimmerschiefer
rungen) im tiefen kristallinen Untergrund
können
granitoider Gneis
direkt beobachtet und vermessen
werden.Biotitgneis, z.T. mit Granat und Hornblendegranitoider Gneis
100
Wechselfolge von Biotitgneis,
MuskowitWechselfolge
von Biotitgneis, Muskowitgneis
gneis und Glimmerschiefer
300und Glimmerschiefer
Bei den kristallinen Gesteinen handelt es sich um
granitoider Gneis Nachfallzone
Wechselfolge
Muskowitmetamorphe, also im Verlauf
untervon Biotitgneis,
200der Erdgeschichte
Wechselfolge von Biotitgneis, Muskowitgneis und Glimmerschiefer
gneis und Glimmerschiefer
hohen Drücken und Temperaturen veränderte
(Chlorit-)Biotit-Schiefer und feinkörnige
300 Ge400
granitoider Gneis
Gneise, z.T. mit Granat
Nachfallzone
steine, hier v. a. um Gneise mit unterschiedlichen
AnWechselfolge von Biotitgneis, Muskowitteilen an typischen Mineralen
Glimmer,
gneis
und Glimmerschiefer
300 wie Quarz,
(Chlorit-)Biotit-Schiefer und feinkörnige
Nachfallzone
Feldspat sowie Hornblende und Granat (Abb.
1400und 2).
Gneise, z.T. mit Granat
Biotitgneis, z.T. mit Granat
200
granitoider Gneis
500
(Chlorit-)Biotit-Schiefer und feinkörnige
Durch das Projekt wurden
400wertvolle neue
Gneise,Daten
z.T. mit Granat
Biotitgneis, z.T. mit Granat
zur Geologie des Odenwaldes, zur tektonischen
500
Biotitgneis, z.T. mit quarzreichen Lagen
600
Beanspruchung und zu geothermischen ParameBiotitgneis,
z.T.
mit
Granat
tern des kristallinen Untergrundes
in Hessen und
500
Rhyolith
Biotitgneis, z.T. mit quarzreichen
Lagen
angrenzenden Bundesländern gewonnen 600
und es
700
bildet somit eine wichtige Grundlage für zukünfBiotitgneis, z.T. mit quarzreichen Lagen
Biotitgneis,
z.T.
mit
quarzreichen
Rhyolith Lagen und Biotit-(Glimmer-)Schiefer
tige Geothermie­projekte. Eine
besondere Bedeutung
600
haben die Bohrungsergebnisse außerdem, weil
das
granitoider Gneis
700
Pegmatit- und
800
Biotitgneis,
z.T. mit quarzreichen Lagen
kristalline Grundgebirge über eine sehr große
BohrRhyolith
Aplitgänge
und Biotit-(Glimmer-)Schiefer
länge erbohrt wurde, was sonst nur sehr selten in
700
Pegmatit- und
Mylonit
granitoider Gneis
Deutschland bzw. Mitteleuropa der Fall
ist
(BeiBiotitgneis,
z.T. mit quarzreichen Lagen
Aplitgänge
(Scherzone)
800
spiele: Windischeschenbach 1990–94, und
BadBiotit-(Glimmer-)Schiefer
Urach
Mylonit
granitoider
Gneis
2004, Soultz-sous-forêts 2002). Dadurch
kön(Scherzone)
800
Abb. 1: Profil der Bohrung
für die mitteltiefe Erdwärmesonde
nen Vergleiche zu anderen Tiefbohrungen in Kris­
Heubach.
tallingesteinen hinsichtlich der Entwicklung der
Durchlässigkeiten oder Porositäten und Wärme­
leitfähigkeiten von Gesteinen mit zunehmender
Tiefe gezogen und für die Planung weiterer Projekte
herangezogen werden. Dies betrifft nicht nur ErdDas HLUG hat umfangreiche geowissenschaftliche
wärmesondenprojekte, sondern auch hydrotherUntersuchungen des Bohrkleins und der insgesamt
male Projekte der tiefen Geothermie (mit Nutzung
7 m umfassenden Kernstrecken aus den unteren Benatürlichen Thermalwassers) und dies ist auch für
reichen ab 613 m Tiefe sowie an Gesteinen aus der
petrothermale Projekte (Erzeugung eines künstlichen
Umgebung der Bohrung im Böllsteiner Odenwald
Wärmetauschers durch Stimulation) gerade hinsichtdurchgeführt.
lich des Gebirgsverhaltens in größeren Tiefen im
Kris­tallin bedeutsam.
112
Pegmatit- und
Aplitgänge
Mylonit
(Scherzone)
Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann
Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald
den magmatische Gesteine unter hohen Drücken
und Temperaturen (Obere Amphibolitfazies bis untere Granulitfazies: P > 6–10 kbar, T > 700 °C) in
20–30 km Tiefe metamorph umgewandelt. Die
Gesteine sind mit 360–370 Millionen Jahren
(Gerdes, mündl. Mittlg.) unerwartet jung im Gegensatz zu den Gesteinen des südlicheren Böllsteiner Odenwalds, die Alter um 410 Millionen Jahre
aufweisen (Reischmann et al. 2001). Die spätere
Heraushebung des Gebirges lässt sich anhand von
Scherzonen und Myloniten nachvollziehen, in denen
sich geringer metamorphe Bedingungen anhand typischer Minerale der unteren Grünschieferfazies
(T: 350–400 °C, P: 2–3 kbar, Bildungstiefe 6–10 km)
ableiten lassen. Im Perm drangen schließlich rhyolitische Vulkanitgesteine in das Grundgebirge ein.
Abb. 2: Biotitgneis mit quarzitischen Lagen (Bohrkern aus ca.
613,5 m Tiefe, Länge ca. 20 cm).
Weitere spezielle Untersuchungen fanden durch die
Universitäten Frankfurt (Mikrogefüge, Altersbestimmung) und Potsdam (detaillierte Gesteinsbeschreibung
und -einstufung mit der Mikrosonde) statt. Zu Fragestellungen im Zusammenhang v. a. mit petro­thermalen
Erschließungen (Gebirgsspannungen, Schaffung künstlicher Durchlässigkeiten durch Fracken) wurden am
Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU
Darmstadt mit den Bohrkernen Versuche in einer
Thermo-Triax-Zelle durchgeführt.
Durch die geologisch-mineralogischen Untersuchungen zeigte sich, dass die erbohrten Gesteine
eine komplexe metamorphe Geschichte hinter sich
haben (Altenberger 2012, unveröff.): Zunächst wur-
Auch die Auswertung der geophysikalischen Bohr­
lochmessungen des Leibniz-Instituts für angewandte Geophysik (LIAG) und des HLUG erbringt
einen großen Erkenntnisgewinn. Aussagekraft und
Anwendungsmöglichkeiten sind auf andere Kristallingebiete übertragbar, z. B. auf das kristalline Grundgebirge im Oberrheingraben. So können Einzelheiten
der lithologischen Abfolge in Kristallingesteinen mit
den in der Bohrung Heubach gemachten Beobachtungen eine zukünftige Deutung von geophysikalischen Bohrlochmessungen in ähnlichen Gesteinen
erheblich erleichtern (Abb. 3).
Die gemessene Bohrlochabweichung ist mit mehr
als 100 m Abweichung in Richtung Südwesten beträchtlich. Dies liegt einerseits an der dominierenden
Einfallsrichtung der Schieferung der Gesteine nach
Nordosten. Der Bohrlochverlauf richtet sich senkrecht
zur Schieferung ein und ist damit auch ein Indiz für die
Schieferungsrichtung, die mit obertägigen Messungen
in diesem Gebiet übereinstimmt. Andererseits liegt
dies aber auch an bohrtechnischen Gegebenheiten,
die letztlich auf die im Projekt beabsichtigte Verwendung des „kleinen“ Bohrgeräts zurückzuführen sind.
Besonders interessant sind die Wärmeleitfähigkeitsmessungen an den Bohrkernen des unteren Tiefenabschnitts. Während in den oberen Bereichen die
113
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie – Jahresbericht 2012
Beobachtung an Spülproben
112m, 135 m, 148–152 m: Pegmatite
191–193 m: Cuttings sehr fein, hydrothermal alteriert
240–241 m: Starke Rotfärbung, Kluftbeläge
3211–326 m: Hydrothermal alteriert
416 m: Pegmatit, geringmächtig
432 m: Pegmatit
467–471 m: Aplit
539 m: Pegmatit
611 und 613 m: Aplit
634–679 m: Rhyolith
ab 762 m granitoider Gneis
Abb. 3: Vergleich zwischen γ-Log, Kaliber-Log, Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen des LIAG mit der lithologischen Bohrungs-
aufnahme des HLUG. Es zeigt sich, dass wasserführende Zonen hauptsächlich an Aplite, Pegmatite und Rhyolithe gebunden
sind, die den Gneis durchschlagen.
Wärmeleitfähigkeiten zwischen 2,5 und 3 W/(m · K)
betragen, sind sie in größeren Tiefen wegen des hohen
Quarzanteils höher als erwartet (3,5 bis 4 W/(m · K).
Der geothermische Gradient liegt im Bereich von
3,3 °C/100 m. Der geothermische Wärmestrom liegt,
abhängig von der durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes, zwischen 0,083 W/m² und
0,132 W/m² (auf etwa 1 000 m² Fläche strömt also
etwa eine Energie als Wärme nach oben, mit der man
eine 100 W-Glühbirne betreiben könnte). In der fertig ausgebauten Bohrung wurde im November 2012
über den durchgeführten „Geothermal Response
Test“ der endgültige Wert über die Gesamtstrecke der
Bohrung ermittelt. Die Ergebnisse stehen noch aus.
Insgesamt ist jetzt schon rechnerisch bewiesen, dass
die etwas geringere Endteufe gegenüber der Planung
von 800 m durch die hohen gemessenen Wärmeleit­
fähigkeiten hinsichtlich des möglichen Wärmeentzugs mehr als kompensiert wird. Auch für das Pro-
114
jekt „Hessen 3 D“ (Fritsche & Kracht 2012) sind die
gemessenen Variationen gesteinsphysikalischer Parameter in Abhängigkeit von der Tiefe wertvoll, da es
hierfür im Projekt bislang nur Annahmen bzw. Analogieschlüsse gab und diese nun durch Messwerte
verifiziert und in das Modell integriert werden können. So kann das geothermische Tiefenpotenzial von
Hessen zukünftig noch genauer abgeschätzt werden.
Eine Kamerabefahrung und ein Pumpversuch in einer
2011 auf 90 m niedergebrachten Kernbohrung für
eine der oberflächennahen Erdwärmesonden ergab
eine im Gneis nicht erwartete Grundwasserführung auf Klüften, die bis zu 2,5 cm weit geöffnet sind.
Dennoch sind die Durchlässigkeiten insgesamt gering,
der Kf-Wert liegt im Bereich von 10–7 m/s. In der
Tiefbohrung wurde nach Einbau der Verrohrung ein
langsamer Wasserspiegelanstieg aus dem zeitweise
offenen untersten Bohrlochabschnitt (772,8 bis
Anne Kött, Johann-Gerhard Fritsche, Matthias Kracht, Dieter Nesbor & Thomas Reischmann
Geologische Ergebnisse zur geothermischen Tiefbohrung Heubach/Odenwald
774,9 m) von 24 cm über 5 Tage festgestellt sowie
über geophysikalische Bohrlochmessungen das Vorhandensein wasserführender Klüfte nachgewiesen.
Die Mächtigkeit einer erbohrten hydrothermal veränderten Zone bei 320–326 m Tiefe, die Ursache für
einen erheblichen Nachfall war und eine Zwischenzementierung erforderte, ist mit ca. 6 m überraschend hoch. Aus dem Odenwald war dieses
Phänomen noch nicht bekannt, aus anderen Kristallin-Vorkommen, z. B. im Schwarzwald, gibt es entsprechende Hinweise in der Literatur.
Ausblick
Im Projektverlauf wurden wichtige Erfahrungen für
Planung, Genehmigungsverfahren und Abwicklung
und vor allem auch für die bohrtechnische Planung
und für die Kostenkalkulaktion gesammelt.
Umfangreiche weitere Untersuchungen werden noch
durchgeführt oder fanden bereits statt und warten auf
ihre Auswertung. Ein erheblicher weiterer Erkennt-
nisgewinn ist zu erwarten, dies betrifft vor allem die
detaillierten Untersuchungen der Bohrkerne. Der
Forschungscharakter des Projekts erfordert mehr
finanzielle Mittel als spätere „Routineprojekte“, da
viele zusätzliche, auch allgemeingültige und in andere Regionen übertragbare Untersuchungen vorgenommen werden, von denen kommende Projekte
auch kostenmäßig profitieren werden.
Literatur
Altenberger, Uwe (2012, unveröff.): Petrographische
und petrologische Untersuchung an den Bohrkernen der Bohrungen Heubach und Wiebelsbach (Odenwald). – Abschlussbericht, Juli 2012.
Fritsche, Johann-Gerhard & Kött, Anne (2012): Forschungs- und Entwicklungsprojekt mitteltiefe
Erdwärmesonde Groß-Umstadt-Heubach. – Jahresbericht 2011 des HLUG, S. 119–124. Wiesbaden.
Fritsche, Johann-Gerhard; Kött, Anne; Nesbor,
Heinz-Dieter & Reischmann, Thomas (2012):
Geologische und geothermische Ergebnisse aus
dem Projekt „Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach“. – Textfassung zum Vortrag auf dem 7.
Tiefengeothermieforum Hessen in Darmstadt am
08.10.2012, 5 S.; HessenEnergie.
Fritsche, Johann-Gerhard & Kracht, Matthias
(2012): Abschluss des Forschungs- und Entwicklungsprojekts „3 D-Modell der geothermi-
schen Tiefenpotenziale von Hessen“.– Jahresbericht 2011 des HLUG, S. 133–136. Wiesbaden.
Kött, Anne, Fritsche; Johann-Gerhard; Nesbor,
Dieter & Reischmann, Thomas: Erfahrungen und
erste geologische Ergebnisse aus dem Projekt
„Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach“ (Böllsteiner Odenwald). – Schriftenreihe der Deutschen
Gesellschaft für Geowissenschaften SDGG Heft
80, S. 213, E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung; Stuttgart.
Reischmann, Thomas; Anthes, Gerald; Jaeckel, Petra
& Altenberger, Uwe (2001): Age and origin of
the Böllsteiner Odenwald. – Mineral. Petrol., 72,
29–44.
Internetseite: www.hlug.de/start/geologie/erdwaermegeothermie/tiefe-geothermie/projekte-erdwaer
­me­sonde-heubach/mitteltiefe-erdwaermesondeheubach.html
115
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie – Jahresbericht 2012
116
Herunterladen