Informationen aus den Bund/Länder-Arbeitsgruppen der Staatlichen
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Informationen aus den Bund/Länder-Arbeitsgruppen der Staatlichen Geologischen Dienste PERSONENKREIS „NUTZUNG TIEFERER UNTERGRUND“ DER AD-HOC-ARBEITSGRUPPE GEOLOGIE Charakterisierung der Nutzungspotenziale des geologischen Untergrundes in Deutschland als Bewertungsgrundlage für unterirdische Raumnutzungen – Abschlussbericht – erarbeitet für den Bund/Länder-Ausschuss Bodenforschung (BLA-GEO) durch die Staatlichen Geologischen Dienste der Deutschen Bundesländer (SGD) und die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und mit Unterstützung des Bund/Länder-Ausschusses Bergbau (LAB) Güstrow, im Februar 2015 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung ........................................................................................................................ 3 2. Charakterisierung von Nutzungspotenzialen des tieferen Untergrundes .......................... 5 3. 2.1 Status Quo der Untergrundnutzungen in Deutschland .............................................. 5 2.2 Merkmale der einzelnen Untergrundnutzungen ........................................................ 8 Identifizierung von möglichen Nutzungskonkurrenzen ................................................... 13 3.1 Nutzungen in oberflächennahen Locker- und Festgesteinen .................................. 15 3.2 Nutzungen in Salzstrukturen ................................................................................... 21 3.3 Nutzungen in tiefen Aquiferen ................................................................................. 25 4. Zusammenfassung ........................................................................................................ 29 5. Literatur ......................................................................................................................... 31 Anlage 1: Nutzungen und Nutzungspotenziale des tieferen Untergrundes in Deutschland Anlage 2: Steckbriefe der tatsächlichen und potenziellen Untergrundnutzungen in Deutschland 2 1. Einleitung Die Anforderungen an den geologischen Untergrund in Deutschland zur Gewinnung von festen, flüssigen und gasförmigen Rohstoffen (z.B. Erze, Salz, Kohle, Erdöl und Erdgas), aber auch zur Nutzung seiner geothermischen und speichergeologischen Potenziale werden zunehmend vielfältiger und umfassen den Bereich von der Erdoberfläche bis in Tiefen von mehreren Tausend Metern. Die dadurch verstärkte öffentliche Diskussion zur Vermeidung möglicher Nutzungskonkurrenzen und nachteiliger Auswirkungen auf Schutzgüter, insbesondere auf das Grundwasser, veranlasste die Staatlichen Geologischen Dienste Deutschlands (SGD) in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und dem Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) bereits im Jahr 2012 zur Erstellung eines ersten Berichtes zum Thema „Geologische Informationen und Bewertungskriterien für eine Raumplanung im tieferen Untergrund“ (SGD/BGR/LIAG 2012). Im Jahr 2013 beauftragte der Bund/Länder-Ausschuss Bodenforschung (BLA-GEO) die Adhoc-AG Geologie, einen Personenkreis „Nutzung tieferer Untergrund“ (PK NtU) zu bilden, dem Vertreter der SGD und der BGR angehörten (Tab. 1). Zum Sprecher des PK wurde Dr. Karsten Obst (LUNG Mecklenburg-Vorpommern) gewählt, der die Arbeiten koordinierte und den vorliegenden Abschlussbericht endredaktionell erstellte. Im Verlauf verschiedener Arbeitstreffen wurden folgende thematische Schwerpunkte bearbeitet: (1) Zusammenstellung vorhandener und potenzieller Nutzungen des tieferen Untergrundes in Deutschland. (2) Geologische und technologische Charakterisierung der Nutzungen und Nutzungspotenziale. (3) Identifizierung von möglichen Nutzungskonkurrenzen. Dabei wurde Herr Thomas Bode (Vertreter des LAB) über den Sachstand informiert und die von ihm eingebrachten Hinweise zu bergbaufachlichen Aspekten berücksichtigt. Für drei ausgewählte geologische Gesteinsbereiche bzw. Strukturen mit großer Relevanz für diverse Untergrundnutzungen in Deutschland – (1) oberflächennahe Locker- und Festgesteine bis ca. 400 m Tiefe, (2) Salzstrukturen und (3) tiefe Aquifere – wurden zudem verschiedene Nutzungskonfliktszenarien erörtert und mit Beispielen aus den Ländern veranschaulicht. Zusammen mit weiteren Ergebnissen der Arbeiten des PK werden sie in dem Abschlussbericht vorgestellt. Ziel des Berichtes ist es, mit der geologischen und technologischen Charakterisierung unterschiedlicher Nutzungen fachliche Grundlagen für eine mögliche Raumplanung des Untergrundes zu schaffen. Eine Priorisierung von Einzelnutzungen obliegt den politischen Entscheidungsträgern. 3 Tab. 1: Mitglieder des PK NtU in alphabetischer Reihenfolge (*nachrichtlich) Herr Dr. Joachim Blankenburg* GDfB, Bremen Bremen (HB) Herr Dipl.-Geow. Stephan Bödecker LBEG, Hannover Niedersachsen (NI) Herr Dr. Rainer Brauer LfULG, Freiberg Sachsen (SN) Herr Dr. Thomas Fritzer LfU, Augsburg Bayern (BY) Herr Dipl.-Ing. Frank Garlipp LAGB, Halle Sachsen-Anhalt (ST) Herr Dr. Johannes Peter Gerling BGR, Hannover Deutschland (DE) Herr Dr. Friedrich Häfner* LGB, Mainz Rheinland-Pfalz (RP) Herr Dr. Jost Haneke* LGB, Mainz Rheinland-Pfalz (RP) Herr Dr. Klaus-Jörg Hartmann LAGB, Halle Sachsen-Anhalt (ST) Herr Dr. Heiner Heggemann HLUG, Wiesbaden Hessen (HE) Frau Dipl.-Geol Ulrike Hörmann* SenStadtUm, Berlin Berlin (BE) Herr Dr. Martin Hottenrott ( ) HLUG, Wiesbaden Hessen (HE) Herr Dr. Lutz Katzschmann TLUG, Weimar Thüringen (TH) Herr Dr. Alfred Langer LBEG, Hannover Niedersachsen (NI) Herr Dr. Thomas Liebsch-Dörschner LLUR, Flintbek Schleswig-Holstein (SH) Herr Dr. Johannes Müller LBEG, Hannover Niedersachsen (NI) Herr Dr. Karsten Obst LUNG, Güstrow Mecklenburg-Vorpommern (MV) Herr Dr. Björn Panteleit* GDfB, Bremen Bremen (HB) Frau Dipl.-Ing. Angelika Seidemann LBGR, Cottbus Brandenburg (BB) Herr Dipl.-Geol. Klaus Steuerwald* GD NRW, Krefeld Nordrhein-Westfalen (NW) Herr Dr. Roland Strauß GD NRW, Krefeld Nordrhein-Westfalen (NW) Frau Dr. Renate Taugs* BSU-GLA, Hamburg Hamburg (HH) Herr Dipl.-Geol. Thomas Walter* LfU, Saarbrücken Saarland (SL) Herr Dr. Gunther Wirsing LGRB, Freiburg Baden-Württemberg (BW) 4 2. Charakterisierung von Nutzungspotenzialen des tieferen Untergrundes Die geowissenschaftliche Charakterisierung von Nutzungen und Nutzungspotenzialen des tieferen Untergrundes erfordert fundierte Kenntnisse der geologischen Rahmenbedingungen und wesentlicher technologischer Faktoren. Dabei hängt der Kenntnisstand von der Verfügbarkeit aussagekräftiger Daten ab. Dies gilt sowohl für die Potenzialabschätzungen einzelner Nutzungen als auch für die Identifikation und Beurteilung möglicher Nutzungskonkurrenzen. 2.1 Status Quo der Untergrundnutzungen in Deutschland Neben einer traditionellen Gewinnung von Mineralen, Gesteinen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen sind immer größere Bereiche des Untergrundes für geothermische und speichergeologische Nutzungen auch zur Realisierung der klima- und energiepolitischen Ziele von Bund und Ländern im Rahmen der Energiewende von Interesse (vgl. ARL 2012, SGD/BGR/LIAG 2012). Entsprechend den regional variierenden geologischen Gegebenheiten sind die Nutzungspotenziale in den einzelnen Bundesländern sehr unterschiedlich. Der Status Quo der Untergrundnutzungen in den einzelnen Bundesländern wurde mit Stand 2014 abgefragt, um einen möglichst vollständigen Überblick zu erhalten und um die bundesweite Relevanz von einzelnen Nutzungen besser einschätzen zu können (vgl. Anlage 1). Der Begriff „Nutzung tieferer Untergrund“ beinhaltet hierbei sämtliche Nutzungen bzw. Nutzungsmöglichkeiten, die mittels Bergbau (nur Tiefbau) oder Bohrungen bereits erschlossen sind bzw. erschlossen werden könnten. Durch diese Definition entfällt die (willkürliche) Festlegung eines Tiefenbereiches (z.B. ab 100 m Bohrstrecke als Kriterium für die Anzeigepflicht von Bohrungen nach Bergrecht oder ab 400 m Tiefe analog der definitionsgemäßen Trennung der oberflächennahen von der tiefen Geothermie) oder einer physikalisch-chemischen Grenze (z.B. Süß-/ Salzwassergrenze), deren Tiefenlage regional deutlich variieren kann. Die Potenziale der Grundwassergewinnung zur Trink- und Brauchwasserbereitstellung sowie die Einsatzmöglichkeiten der oberflächennahen Geothermie werden bei dieser Definition ebenfalls erfasst. Dabei ist aber hervorzuheben, dass oberflächennahe Grundwasservorkommen nicht nur hinsichtlich ihrer Nutzungspotenziale zu beurteilen sind, sondern gleichzeitig ein sehr wichtiges Schutzgut darstellen. Neben dem Durchteufen von oberflächennahen Grundwasservorkommen sind mögliche Auswirkungen von Nutzungen im tiefen Untergrund auf das Grundwasser, insbesondere bei der Entnahme und Injektion von Fluiden und/oder Gasen in tiefen Reservoiren, zwingend zu berücksichtigen. 5 Weiterhin wurden Tunnel und andere Infrastrukturbauwerke, die ggf. einen Einfluss auf andere Nutzungen haben können, berücksichtigt. Eine Gewinnung von Bodenschätzen im Tagebau wurde entsprechend der o.g. Definition der Untergrundnutzungen nicht betrachtet, obwohl tiefe Tagebaue, wie z.B. Garzweiler und Hambach (NW), durchaus wasserwirtschaftliche Auswirkungen (Stichwort: Grundwasserabsenkung) haben. Außerdem können sich lateral weitreichende Anforderungen hinsichtlich der Standsicherheit (Rutschungen, Setzungen) sowie für nachfolgende Rekultivierungsmaßnahmen ergeben. In den meisten Bundesländern sind aber oberflächennahe, d.h. im Tagebau gewinnbare Rohstoffvorkommen bereits in bestehenden Raumordnungsplänen berücksichtigt bzw. entsprechende Rohstoffsicherungsflächen ausgewiesen. Untergrundnutzungen lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren. Diese können die Art und Weise der Rohstoffgewinnung bzw. Ressourcenerschließung, die Nutzungsdauer oder die Auswirkungen auf den Untergrund oder diverse Schutzgüter (Boden, Oberflächengewässer, Grundwasser, Pflanzen, Tiere und Menschen etc.) berücksichtigen. In der vom PK NtU erarbeiteten Tabelle der Untergrundnutzungen (Anlage 1) wurden diese vereinfachend in drei Gruppen unterteilt: Entnahme von Stoffen, Einlagerung von Stoffen sowie in situ-Nutzung bzw. Infrastrukturbauten. Der Status der Nutzungen (aktiv, Potenzial vorhanden, nicht betrachtet und nicht vorhanden bzw. Nutzung untersagt) wurde für die jeweiligen Bundesländer durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet. Die erste Gruppe umfasst Nutzungen, bei denen es zu einer Entnahme von Stoffen im Untergrund kommt. Infolge bergmännischer Gewinnung oder bei Aussolungen entstehen künstliche Hohlräume und/oder Auflockerungszonen im überlagernden Gebirge (z.B. infolge des Bruchbaus bei der Steinkohleförderung). Dadurch können Senkungen an der Tagesoberfläche auftreten. Ferner kann die Grundwassersituation durch eine ggf. erforderliche Wasserhaltung beeinflusst werden. Durch die Förderung von Flüssigkeiten und Gasen kommt es lokal sowie ggf. regional zu Druckverringerungen bzw. zu Änderungen im Strömungsregime. Zu dieser Gruppe gehören die Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau (Erze und Industrieminerale), der Kohle- und Salzbergbau, die Salzgewinnung mittels Laugung (Bohrlochbergbau), die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas) aus permeablen Reservoirgesteinen, die Gewinnung von Erdgas aus dichten Sandsteinen (Tight Gas) bzw. aus dichten Tongesteinen (Shale Gas), die Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwas- 6 ser sowie Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole), die CO2-Gewinnung in jungen Vulkangebieten und die Grubengas- bzw. Flözgas-Gewinnung aus Steinkohle. Zur zweiten Gruppe von Untergrundnutzungen gehören Einlagerungen von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen in den Untergrund. Dabei ist im Detail zwischen den Optionen für eine zeitlich befristete Speicherung von Energierohstoffen oder chemischen Produkten und einer dauerhaften Einlagerung (Deponierung) von Stoffen jeglicher Art zu unterscheiden. Auswirkungen können sowohl zyklische als auch dauerhafte Änderungen des lokalen oder regionalen Druck- bzw. Fließregimes, der chemischen Zusammensetzung, der Temperaturverteilung und der Fluidbeschaffenheit sein. Diese Gruppe umfasst folgende Nutzungen: die Untergrundspeicherung von Erdgas oder synthetisch aus erneuerbaren Energien hergestelltem Methan (E-Methan) in tiefen Aquiferen, in ehemaligen KW-Lagerstätten, in Salzkavernen und in ehemaligen Bergwerken sowie die Untergrundspeicherung von Rohöl, Mineralölprodukten und Flüssiggas in Salzkavernen und in ehemaligen Bergwerken. In Salzkavernen ist auch die Untergrundspeicherung von Druckluft und Wasserstoff möglich. Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen kann in (ehemaligen) Bergwerken oder in Salzkavernen erfolgen. Weitere dauerhafte Einlagerungen umfassen die Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern, die KohlendioxidVerpressung in ehemalige KW-Lagerstätten und in tiefe, salinare Aquifere sowie in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze (möglicherweise bei gleichzeitiger Gasgewinnung). Auch die Endlagerung schwach-/mittelradioaktiver bzw. hochradioaktiver Abfälle fällt in diese Gruppe. In der dritten Gruppe sind in-situ-Nutzungen bzw. Infrastrukturbauten zusammengefasst. Die ersteren können mit einer Stoffzufuhr oder Stoffentnahme und anschließender Rückführung (Kreislauf) verbunden sein. Dadurch sind zyklische aber dauerhafte Änderungen im Druck- bzw. Fließregime möglich. Wärmeentzug bzw. -zufuhr kann lokal zu Änderungen in der Temperaturverteilung führen. Teilweise handelt es sich auch um Nachnutzungen von künstlich geschaffenen Hohlräumen (vgl. Gruppe 1). Unter Infrastrukturbauten werden beispielsweise Tunnelbauwerke oder Bunkeranlagen eingeordnet, die unter Umständen Überlagerungen von mehreren hundert Metern mächtigen Gesteinsabfolgen aufweisen. An der Erdoberfläche können Senkungen bzw. Änderungen der Grundwassersituation auftreten. In dieser Gruppe wurden die verschiedenen Anwendungen der oberflächennahen Geothermie (Erdwärmesonden = EWS und Grundwasserbrunnen) und der tiefen Geothermie (Dubletten, tiefe EWS, Enhanced Geothermal Systems = EGS, Hot-Dry-Rock-Verfahren = HDR) sowie die Nutzung von Aquiferen als Kälte-/Wärmespeicher und energetische Nutzungen in 7 ehemaligen Bergwerken zusammengefasst, obwohl insbesondere die Gewinnung von Erdwärme bergrechtlich als Entnahme anzusehen ist – zumindest wenn die Nutzung nicht grundstücksbezogen erfolgt. Auch die touristische Nachnutzung bergbaulicher Hohlräume, die Errichtung von unterirdischen Pumpspeicherwerken sowie von Tunneln und anderen unterirdischen Infrastrukturbauwerken sind der Gruppe zugeordnet. Einige Nutzungen des Untergrundes kommen in mehreren Bundesländern vor (z.B. Förderung von Erdöl und Erdgas aus permeablen Reservoirgesteinen), während andere Nutzungsmöglichkeiten aufgrund geologischer oder bergbauhistorischer Gegebenheiten regional beschränkt sind (z.B. Gasgewinnung aus Steinkohle). In einigen Bundesländern gibt es fast 20 tatsächliche Untergrundnutzungen (z.B. in Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen), in anderen Ländern sind es weniger als 10 (z.B. in den Stadtstaaten und im Saarland). Ebenso gibt es Nutzungsmöglichkeiten, deren Potenziale zwar erkundet wurden, die aber derzeit nicht wirtschaftlich nutzbar sind, oder bei denen noch keine praktischen Erfahrungen in Deutschland vorliegen (z.B. die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen, die Gewinnung von Erdgas aus dichten Tongesteinen). Rechtsverbindliche Kriterien zur Standortbewertung für die Endlagerung radioaktiver Abfälle werden derzeit im Rahmen des Standortauswahlgesetzes von der Kommission „Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe" (Endlagerkommission) erarbeitet. Daher hat der PK NtU diese Nutzungsmöglichkeit und ihre geowissenschaftlichen Merkmale nicht betrachtet. 2.2 Merkmale der einzelnen Untergrundnutzungen Die zunehmende Inanspruchnahme des Untergrundes kann zu Nutzungskonflikten führen. Teilweise haben Untergrundnutzungen irreversible Auswirkungen zur Folge, die spätere Nutzungen beeinträchtigen oder verhindern. Dies kann in bestimmten Regionen die gesamträumliche bzw. raumordnerische Koordination der verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten erfordern. Für eine Abwägung von Flächennutzungsinteressen an der Erdoberfläche stehen die Instrumente der (oberirdischen) Raumplanung zur Verfügung. Diese wären im Fall eines Planungserfordernisses auf den Untergrund zu übertragen (HEIDEMANN 2012, SCHILLING 2013, AGG 2014, HELLRIEGEL 2014). Voraussetzung für ihre Anwendung ist zunächst die Identifikation unterschiedlicher Nutzungsansprüche. 8 Die für eine kriterienbasierte geowissenschaftliche Bewertung von Nutzungspotenzialen erforderlichen Daten und Kompetenzen sind behördlicherseits ausschließlich in den SGD und in der BGR vorhanden. Es ist festzustellen, dass die Datendichte und -qualität, und damit der Kenntnisstand über den Untergrund, regional sowie in Abhängigkeit von der Tiefe variieren. Zur Charakterisierung der Nutzungen bzw. Identifizierung von Nutzungspotenzialen sind verschiedene Merkmale bzw. Faktoren zu berücksichtigen. Für die vorliegende geowissenschaftliche Bestandsaufnahme wurden folgende Kategorien herangezogen: (A) Geologische Merkmale Dazu gehören z.B. die Kenntnis der Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit der für eine Nutzung in Frage kommenden geologischen Schicht bzw. Struktur sowie ggf. die Ausbildung notwendiger Deckschichten (Abb. 1). Je nach Nutzung sind darüber hinaus Kenntnisse mineralogischer, physikalischer, chemischer und/oder mikrobiologischer Eigenschaften der zu nutzenden Einheiten sowie belastbare petrophysikalische und/oder geohydraulische Parameter zur Identifikation, Klassifizierung und räumlichen Abgrenzung von Potenzialgebieten erforderlich. Zur Klassifizierung von Potenzialgebieten sind Qualitätsmerkmale zu definieren. (B) Technologische Faktoren Hierzu zählen insbesondere Angaben zur Technologie der Erschließung sowie zum unterirdischen Raum- und oberirdischen Flächenbedarf für die jeweiligen Nutzungen. (C) Auswirkungen einer Nutzung Bei den Auswirkungen einer Nutzung oder den Wechselwirkungen bei verschiedenen Nutzungen auf die Umgebung ist zwischen denen bei der Einrichtung, während des Betriebes und in der Nachbetriebsphase zu unterscheiden. In Bezug auf die Auswirkungen der Nutzungen wird davon ausgegangen, dass bei allen durchzuführenden Arbeiten die Regeln der guten fachlichen Praxis eingehalten werden. Unvorhergesehene Auswirkungen mit geringer Eintrittswahrscheinlichkeit (z.B. Havarien, Unfälle) auf Grund einer Nichteinhaltung von technischen Qualitätsnormen, wie sie vereinzelt bei Anwendungen mit hohen Fallzahlen (z.B. EWS-Anlagen) vorliegen, werden nicht betrachtet. Eine Auflistung dieser Sonderfälle würde zu einer Verzerrung des Gesamtbildes führen. Daher werden nur Auswirkungen berücksichtigt, die bei einem Regelbetrieb zu erwarten sind. 9 Zu den Auswirkungen gehören u.a. die Entstehung von Hohlräumen, der Stoffaustausch, Druck- und Temperaturänderungen, Hebungen oder Senkungen an der Erdoberfläche sowie induzierte Seismizität. Außerdem ist zu unterscheiden, ob die Auswirkungen reversibel oder irreversibel bzw. kurz- oder langfristig sind und welche Relevanz sie für anderweitige Untergrundnutzungen haben. Je nach Nutzung ist zwischen einem abgrenzbaren Nutzungsraum (z.B. Schächte und Stollen eines Bergwerkes) und einem wenige Meter bis mehrere Kilometer in das umgebende Gestein (sowohl lateral als auch vertikal) reichenden Wirkungsraum zu unterscheiden. Abb. 1: Schematische Darstellung verschiedener Untergrundnutzungen. 10 Für sämtliche betrachtete unterirdische Nutzungen wurden die geologischen Merkmale und technologischen Faktoren, Auswirkungen im Untergrund und an der Oberfläche sowie die Nutzungsdauer, potenzielle Nutzungskonflikte und Nachnutzungsmöglichkeiten in Form einheitlich strukturierter Steckbriefe zusammengestellt (vgl. Anlage 2). Entsprechend der Gliederung in drei Gruppen wurden – mit Ausnahme der Endlagerung radioaktiver Abfälle – Steckbriefe zu folgenden Nutzungen erstellt: (1) Entnahme von Stoffen • Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau (Erze und Industrieminerale) • Kohlebergbau • Salzbergbau • Salzgewinnung mittels Laugung (Bohrlochbergbau) • Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas) aus permeablen Reservoirgesteinen • Gewinnung von Erdgas aus dichten Sandsteinen (Tight Gas) • Gewinnung von Erdgas aus dichten Tongesteinen (Shale Gas) • Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser) • Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole) • CO2-Gewinnung • Gasgewinnung aus Steinkohle (2) Einlagerung (zeitlich befristet oder dauerhaft) • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in tiefen Aquiferen • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen KW-Lagerstätten • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Salzkavernen • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen Bergwerken • Untergrundspeicherung von Rohöl, Mineralölprodukten und Flüssiggas in Salzkavernen • Untergrundspeicherung von Rohöl und Mineralölprodukten in ehemaligen Bergwerken • Untergrundspeicherung von Druckluft in Salzkavernen • Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Salzkavernen • Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in (ehemaligen) Bergwerken • Untertagedeponierung/-versatz von Abfällen in Salzkavernen 11 • Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern • Kohlendioxid-Verpressung in ehemalige KW-Lagerstätten • Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, salinare Aquifere • Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze (inkl. Gasgewinnung) • Endlagerung schwach-/mittelradioaktiver Abfälle • Endlagerung hochradioaktiver Abfälle (3) In-situ-Nutzungen (stationär oder im Kreislauf)/Infrastrukturbauwerke • Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Erdwärmesonde • Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Grundwasserbrunnen • Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe) Hydrothermale Nutzungen (Dublette) • Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe) Petrothermale Nutzungen (Tiefe EWS) • Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe) Petrothermale Nutzungen mit Stimulation (EGS, HDR) • Nutzung von Aquiferen als Kälte-/Wärmespeicher • Energetische Nutzungen in ehemaligen Bergwerken • Tourismus in stillgelegten Bergwerken oder Objekten des Altbergbaus • Unterirdische Pumpspeicherwerke • Tunnel (und andere unterirdische Infrastrukturbauwerke). 12 3. Identifizierung von möglichen Nutzungskonkurrenzen Eine originäre Aufgabe der SGD ist es, Daten über den Untergrund zu sammeln, aufzubereiten und qualitätsgesichert bereit zu stellen. Auf Grundlage der für die jeweilige Nutzung relevanten Parameter können dann nach abgestimmten und anerkannten Kriterien Nutzungspotenziale identifiziert bzw. Potenzialgebiete abgegrenzt werden. Hierfür sind geologische 3D-Modelle des Untergrundes in einem der Fragestellung angepassten Bearbeitungsmaßstab Stand der Technik. Für die geowissenschaftliche Bewertung von Nutzungspotenzialen sind Aussagen zur Datenqualität und zum möglichen Detaillierungsgrad unbedingt erforderlich. Die länderbezogenen Informationen können bei Bedarf – insbesondere zum Vollzug nationaler bzw. europäischer Rechtsnormen sowie zur Erfüllung von Vereinbarungen – von der BGR bundesweit zusammengeführt und erforderlichenfalls harmonisiert werden. Bei der Identifizierung von möglichen Nutzungskonkurrenzen ist zu beachten, dass es in Abhängigkeit von den geologischen Gegebenheiten Nutzungen geben kann, die sich grundsätzlich ausschließen. Andere Nutzungen können gleichzeitig oder zeitlich nacheinander, aber auch räumlich übereinander und/oder nebeneinander stattfinden. Erfordert ein Raumplanungsprozess im Untergrund die Bereitstellung von fachlichen Grundlagen durch Analyse und Bewertung von Nutzungskonkurrenzen aufgrund geologischer Gegebenheiten, sind die SGD die dafür kompetenten und neutralen Fachbehörden. Dies gilt sowohl für den oberflächennahen Bereich als auch für den tieferen Untergrund. Die SGD verfügen neben den Bergverwaltungen vielfach über detaillierte Kenntnisse zu bestehenden, aber auch früheren, teilweise mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte zurückliegenden Nutzungen des tieferen Untergrundes (Stichwort: Altbergbau). Dies ermöglicht ihnen frühzeitig, auf Verhinderungsgründe bzw. Einschränkungen für zukünftige Nutzungen oder auf alternative Standorte hinzuweisen. Nutzungskonkurrenzen sind vor allem zu erwarten, wenn Nutzungen denselben Raum im Untergrund beanspruchen oder auf dieselbe Ressource abzielen. Daher ist bereits durch den Vergleich der (optimalen) Tiefenbereiche der verschiedenen Nutzungen ersichtlich, ob ein größeres Konfliktpotenzial vorhanden sein könnte (Abb. 2). Aber auch bestimmte Gesteine (z.B. poröse Sandsteine) bzw. geologische Strukturen (z.B. Salzstöcke), die aufgrund ihrer Eigenschaften und Ausbildung für verschiedene Nutzungen in Frage kommen, stehen im Fokus von Konkurrenzbetrachtungen. 13 Abb. 2: Tiefenabhängigkeit unterirdischer Nutzungen in Deutschland. 14 Am Beispiel von drei unterschiedlichen geologischen Nutzungsräumen bzw. -strukturen werden nachfolgend mögliche Nutzungskonkurrenzen aufgezeigt, Rahmenbedingungen erläutert und anhand konkreter Fallbeispiele aus den Bundesländern Lösungsmöglichkeiten diskutiert. Dabei ist festzuhalten, dass bereits mit den aktuell verfügbaren gesetzlichen Grundlagen des Wasser- und Bergrechts verschiedene Untergrundnutzungen gegeneinander abgewogen werden können und sich Grenzbedingungen festlegen lassen, unter denen Nutzungen nebeneinander oder übereinander bzw. nacheinander möglich sind oder in welchen konkreten Fällen sich Einschränkungen ergeben. 3.1 Nutzungen in oberflächennahen Locker- und Festgesteinen Der geologische Bau Deutschlands ist komplex und regional sehr unterschiedlich. Dementsprechend sind auch die Nutzungsmöglichkeiten des Untergrundes nicht überall gleich. Die konkreten geologischen Verhältnisse bedingen nicht nur die Nutzungsmöglichkeiten, sondern auch die Art und Weise der jeweiligen technischen Umsetzung. Dies gilt sowohl für Locker- als auch für Festgesteine. Aufgrund natürlicher Bedingungen (z.B. nutzbare Grundwasserleiter für die Trinkwassergewinnung befinden sich überwiegend in den geologischen Formationen nahe der Erdoberfläche) und einer kostengünstigeren Erschließung (Stichwort: Bohrkosten) erfolgt im oberflächennahen Bereich bis etwa 400 m Tiefe eine intensivere Nutzung der unterirdischen Ressourcen. Nutzungsmöglichkeiten In oberflächennahen Locker- und Festgesteinen können folgende Nutzungen möglich sein: • Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau (Industrieminerale, z.T. auch Erze) • Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser) • Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole) • Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Erdwärmesonden • Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Grundwasserbrunnen • Energetische Nutzungen in ehemaligen Bergwerken • Tourismus in stillgelegten Bergwerken oder Objekten des Altbergbaus • Pumpspeicherwerke • Tunnel und andere Infrastrukturbauwerke Die Nutzungsmöglichkeiten bestehen überwiegend in einer Stoff- bzw. Energieentnahme, ggf. auch in einer Energiezufuhr (Wärmespeicherung) oder der Energiespeicherung (Pumpspeicherwerke). Der unterirdische Raumbedarf ist überwiegend gering (meistens <0,5 km3) 15 und die Auswirkungen der Nutzungen im Untergrund beschränken sich überwiegend auf einen deutlich abgrenzbaren Nutzungsraum (z.B. Schächte und Stollen eines Bergwerkes) bzw. gehen nur wenige Meter bis Zehnermeter in das umgebende Gestein hinein (= Wirkungsraum). Eine Ausnahme bildet die Grundwassernutzung, deren Wirkungsraum (unterirdisches, ggf. oberirdisches Einzugsgebiet) ein Vielfaches des Nutzungsraumes (Brunnenbohrung mit Ausbau) umfasst. Auswirkungen an der Oberfläche sind dementsprechend ebenfalls häufig an das oberhalb des Nutzungsraumes liegende Areal gebunden. Anforderungen an den Nutzungsraum Mächtige, Grundwasser führende Kies-Sandfolgen sind in Deutschland in nahezu allen großen Beckenregionen und Senken (Alpenvorland, Oberrheingraben, Niederrheinische Bucht, Norddeutsches Tiefland) weit verbreitet. Sie werden hier sowohl zur Trink- bzw. Brauchwassergewinnung als auch für geothermische Vorhaben intensiv genutzt. Möglichkeiten für den Erz- und Spatbergbau bestehen vor allem im kristallinen Grundgebirge Süd- und Ostdeutschlands. Im Schwarzwald, Bayerischen Wald und Erzgebirge sind bereits verschiedene Lagerstätten erschlossen. Im Abbau befindliche Lagerstätten bzw. nutzbare Vorkommen sind auch in den Mittelgebirgen mit ihren paläozoischen Sediment- und Vulkanitgesteinen vorhanden, wie z.B. dem Rheinischen Schiefergebirge und dem Harz. Untertägiger Steine- und Erden-Bergbau ist derzeit ebenfalls im Grundgebirge Sachsens aktiv, findet in anderen Teilen Deutschlands lokal aber auch in mesozoischen Sedimenten statt. Der Abbau mineralischer Rohstoffe im Tiefbau ist immer standortgebunden und setzt den Nachweis einer Lagerstätte sowie die technisch umsetzbare und wirtschaftlich mögliche Erschließung bzw. Gewinnung des betreffenden Rohstoffes voraus. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass die Lagerstätten in ihren Abmessungen definiert werden können und in ihren Raumansprüchen über einen gewissen Mindestzeitraum planbar bleiben. Da es sich um untertägige Vorhaben handelt, ist hierfür ein bergrechtliches Verfahren erforderlich. Derzeit sind in Deutschland relativ wenige oberflächennahe Bergwerke aktiv. Beispiele hierfür sind die Gewinnung hochreiner Kalksteine im Raum Ulm/Donau oder die Flussspatgrube Niederschlag im Erzgebirge. Die Gewinnung von Eisenerz und Kalkstein erfolgt im Bergwerk Wohlverwahrt-Nammen im Wesergebirge. Bei Lengefeld und Hermsdorf im Erzgebirge wird Dolomitmarmor gewonnen. Auch bei Caaschwitz in Thüringen wird Dolomit untertägig abgebaut. 16 Prioritäten: Grundwasserschutz, Rohstoffsicherung Die Grundwassergewinnung für Trink- und Brauchwasser sowie für Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole etc. setzen Grundwasserleiter mit einem ausreichenden Grundwasserdargebot sowie einer für die jeweilige Nutzung geeigneten Mineralisation des Grundwassers voraus. Diese Nutzungsarten konzentrieren sich auf poröse Lockergesteine (Kiese und Sande), geklüftete und z.T. verkarstete Sedimentgesteine (Sandsteine, Karbonate) und das geklüftete bzw. oberflächennah aufgelockerte kristalline Grundgebirge. Bei der geothermischen Nutzung des Grundwassers selbst muss darüber hinaus eine ausreichende Durchlässigkeit des Grundwasserleiters vorliegen, da grundsätzlich die Rückführung des abgekühlten Grundwassers in denselben Grundwasserleiter angestrebt wird. Bei der Grundwasserentnahme muss – unabhängig von der Nutzungsart des entnommenen Grundwassers – sichergestellt sein, dass die Entnahme das langfristige natürliche Dargebot (Grundwasserneubildung) nicht übersteigt. Die geothermische Nutzung des Untergrundes bis ca. 400 m Tiefe mit Erdwärmesonden ist aus geologischer Sicht weitgehend standortunabhängig. Die Effizienz des Systems wird im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine bestimmt und kann durch konvektiven Wärmetransport über den Grundwasserfluss in porösen oder klüftigen Gesteinen erhöht sein. Beim Bau und Betrieb von Erdwärmesondenanlagen sowie dem Wärmeentzug über Grundwasserbrunnen sind die hydrogeologischen und geotechnischen Standortbedingungen zu berücksichtigen. Hinweise hierzu finden sich in den entsprechenden Leitfäden bzw. Leitlinien der zuständigen Behörden. Rahmenbedingungen bei Konkurrenzsituationen Die Nutzung der flachen Geothermie (Grundwasserbrunnen und Erdwärmesonden) kann mit den Belangen des Grundwasserschutzes bzw. mit bestehenden oder zukünftig möglichen Grundwassernutzungen konkurrieren. Zum Schutz genutzter Grundwasservorkommen vor Beeinträchtigungen durch Erdwärmesonden ist ihr Bau und Betrieb insbesondere in Wasserund Quellschutzgebieten verboten bzw. mit Einschränkungen belegt. Daneben können z.B. artesisch gespannte Grundwasserverhältnisse oder ein hydrogeologischer Stockwerksbau mit Grundwasservorkommen, die unterschiedliche Druckpotenziale aufweisen, zu Einschränkungen bei der geothermischen Nutzung führen, die über technische Nebenbestimmungen geregelt werden. 17 Die untertägige Gewinnung von Erzen, Spaten oder sonstigen mineralischen Rohstoffen, wie z.B. Kalkstein oder Kali- und Steinsalz, kann in Teufen, die auch von oberflächennahen Geothermiebohrungen gewöhnlich erreicht werden, entweder zum Ausschluss, zumindest aber zu Einschränkungen in der Nutzung letzterer führen. Um unkontrollierte Wasserzuflüsse in ein Grubengebäude zu vermeiden, sind zwischen den Geothermiebohrungen und den Grubengebäuden Sicherheitsabstände einzuhalten, die durch die zuständigen Behörden in Abhängigkeit von der geologischen Situation festgelegt werden. Sollte der Tiefbau mit seiner Firste zu nahe an die Erdoberfläche reichen bzw. das überlagernde Gebirge nur noch wenige Zehnermeter mächtig sein, dann dürfte dies i.d.R. Bohrungen zur Gewinnung von Erdwärme oder auch zur Grundwassergewinnung oberhalb des Grubengebäudes ausschließen. Bei Altbergbau und sonstigen Hohlräumen erfolgt durch die Bergbehörde bei Geothermievorhaben ein Hinweis, ggf. werden Tiefenbegrenzungen gefordert. Untertagebergbau ist häufig mit einer Wasserhaltung verbunden. Um das Grubengebäude trocken zu halten, muss das eindringende Grundwasser entweder abgepumpt oder über Wasserlösestollen abgeführt werden. Folge davon ist eine Absenkung des Grundwasserspiegels im Umfeld der Bergbautätigkeit. Dies wiederum kann ggf. zu einer negativen Beeinflussung von Brunnen und Quellen führen. Altbergbau, d.h. Grubenbaue und damit Bergwerke, in denen kein Abbau mehr stattfindet, können ggf. auf unterschiedliche Weise nachgenutzt werden. Bekannte Beispiele hierfür sind Besucherbergwerke, die in nahezu allen (ehemaligen) Bergbauregionen Deutschlands zu finden sind. Daneben können aufgelassene Bergwerke in Abhängigkeit von der geologischhydrogeologischen Untergrundsituation auch zur Gewinnung geothermischer Energie, zumeist über die Nutzung des Grundwassers/Grubenwassers dienen. Geeignete geologische und sonstige Rahmenbedingungen vorausgesetzt, lassen sich stillgelegte Bergwerke auch zur Einlagerung diverser Abfallstoffe verwenden. Vorhaben zur geothermischen Nutzung von Grubenwasser sind abhängig von diversen geochemischen und mikrobiologischen Prozessen und hydraulischen Kenngrößen. Beim Betrieb sind v.a. Ausfällungen von Stoffen aufgrund von Änderungen der Umgebungsparameter zu vermeiden. Pumpspeicherwerke dienen der Erzeugung und Speicherung von Energie. Einige Pumpspeicherwerke besitzen untertägige Maschinenkavernen mit Pumpe/Motor und Turbine. Vollständig untertage angelegte Pumpspeicherwerke sind derzeit noch nicht realisiert. Bei der Nachnutzung eines stillgelegten Bergwerkes als Pumpspeicherwerk sind verschiedene 18 Konfliktsituationen mit anderen Nutzungsmöglichkeiten denkbar, die aber im Einzelfall zu prüfen sind. Tunnel sind Untergrundbauwerke und dienen effizienten oder zwingend notwendigen Trassenführungen, wie z.B. der Verkürzung von Eisenbahnstrecken, der Optimierung von Straßenverläufen und der Umgehung diverser Schutzgebiete. Da Tunnel meistens relativ flach in das Gebirge hinein- und auch herausführen, wird ihr Gradient durch den Höhenunterschied zwischen den Tunnelportalen bestimmt. Nur in speziellen Fällen, wie bei Untertunnelungen von Flüssen (z.B. Elbtunnel) und innerstädtischen Bereichen haben die Tunnelstrecken zumindest teilweise eine tieferliegende Tunnelsohle. Einschränkungen für andere Untergrundnutzungen infolge der Errichtung von Tunneln sind, über die oben für den oberflächennahen (Alt)-Bergbau genannten hinausgehend, bisher aus der Praxis nicht bekannt. Aufgrund der zahlreichen, variablen und konkurrierenden Nutzungen im Tiefenbereich bis ca. 400 m, ergeben sich zahlreiche Konfliktsituationen und Risiken für das Schutzgut Grundwasser, wie Beispiele aus der Praxis belegen. Beispiele Sachsen: Geothermische Nutzung vs. Thermalwassernutzung Im Bereich des Thermalbades Wiesenbad (Erzgebirgskreis) waren vor einigen Jahren vier jeweils 129 m tiefe Erdwärmesondenbohrungen in einem Gebiet mit komplizierten geologisch-tektonischen, hydrogeologischen und geohydraulischen Verhältnissen geplant. Durch die Bohrungen in den Kluftaquifer des Wiesenbader Störungssystems war ein Eingriff in das hydraulische System der Thermalquellen nicht auszuschließen. Es bestand die Besorgnis, dass: • mit den Bohrungen wasserwegsame Kluft- und/oder Störungszonen angebohrt werden, die in Verbindung mit dem von den Thermalquellen erfassten Kluftgrundwasser stehen, • beim Verpressen der Bohrungen entweder Suspensionsverluste infolge Abtransport des Materials durch das auf den Störungszonen zirkulierende Grundwasser eintreten würden oder Wasserwegsamkeiten auf dem Trennflächengefüge unterbrochen bzw. verschlossen und so das Fließsystem der Heilquelle, die Ergiebigkeit des Kluftgrundwasserleiters und somit auch der Thermalquelle nachhaltig gestört werden können und 19 • es im Zuge der Bohrarbeiten zu unerwünschten Druckentlastungen bzw. zu nicht kalkulierbaren Veränderungen der Grundwasserdruckverhältnisse und somit auch hier zu nachhaltigen Veränderungen im hydraulischen System kommen könnte. Die fachtechnische Prüfung hat zur Versagung des Erdwärmevorhabens (trotz Widerspruch des Antragstellers) geführt und veranlasste die zuständige untere Wasserbehörde seitdem bei Geothermievorhaben im Einzugsgebiet von potenziellen Heil- und Thermalwässern äußerst sensibel und restriktiv zu reagieren. Sachsen: Steine- und Erden-Bergbau vs. Grundwassernutzung Die Dolomitmarmore im Erzgebirge werden derzeit an zwei (zukünftig drei) Stellen untertägig gewonnen. Der Grenzkontakt zum Hangenden ist bereichsweise intensiv verkarstet. Das Deckgebirge und die Karstfüllungen sind häufig grundwassererfüllt. In den 1970er Jahren führte ein Grundwassereinbruch beim Anfahren einer Randstörung nicht nur zur Überschwemmung der damals gesamten 4. Sohle sondern auch zum Versiegen eines ca. 500 m entfernt liegenden Trinkwasserbrunnens. Thüringen: Sanierungsbergbau vs. Geothermie Im Rahmen der Sanierung des ehemaligen Uranbergbaugebietes um Ronneburg werden die ehemaligen Tiefbaue gezielt geflutet. Die anstehenden Flutungswässer zeichnen sich durch eine hohe Mineralisation (Schwermetalle, Radionuklide) aus. Um Kurzschlüsse mit darüber liegenden Grundwasserleitern und/oder Übertritte ins Oberflächenwasser zu vermeiden, werden – unter Berücksichtigung der vorbergbaulich rekonstruierten Grundwassergleichen – Tiefenbegrenzungen oder Versagungen für Geothermievorhaben ausgesprochen. Baden-Württemberg, Bayern, Berlin, Brandenburg, Hessen, MecklenburgVorpommern und Sachsen: Grundwassernutzung vs. Geothermie Zur Vermeidung des Kurzschlusses übereinander liegender Grundwasserleiter bestehen im Tertiär und Quartär Nordsachsens für Geothermievorhaben Tiefenbegrenzungen. Ähnliche Einschränkungen existieren auch in Bayern und im Hessischen Ried (Oberrheingraben). Im Berlin-Brandenburger Raum sowie im benachbarten Mecklenburg-Vorpommern wird insbesondere darauf geachtet, dass der in Norddeutschland weit verbreitete Rupelton, der eine hydraulisch wirksame Sperrschicht zwischen Süß- und Salzwasseraquiferen darstellt, von 20 Geothermiebohrungen nicht durchteuft wird. In Berlin ist z.B. grundsätzlich nur eine maximale Bohrtiefe bis 100 m wasserrechtlich zugelassen. Im Raum Dresden ist das Anbohren des Grundwasserleiters in den oberflächennah anstehenden Kreidesedimenten verboten, um potenzielle Kurzschlüsse zu vermeiden. Erdwärmesonden, die aus Wärmebilanzgründen die grundwasserführenden Kreidesedimente anbohren müssten, sind nicht genehmigungsfähig. Zum Schutz nutzungswürdiger tiefer Grundwasservorkommen gibt es in Baden-Württemberg Bohrtiefenbegrenzungen. 3.2 Nutzungen in Salzstrukturen Salze des Perm, sowohl im Rotliegenden als auch im Zechstein, bilden die mächtigsten Salzvorkommen in Nord- und Mitteldeutschland. Die größte räumliche Verbreitung besitzt dabei das Zechsteinsalinar. Daneben kommen geringer mächtige Salzvorkommen in den Formationen der Trias (insbesondere im Muschelkalk Süd- und Mitteldeutschlands), des Jura und des Tertiär vor. Die akkumulierten Salzvorkommen bilden lokal begrenzte geologische Salzstrukturen (Salzsättel, Salzstöcke und Salzkissen) oder treten in Form einer flachen Lagerung (stratiforme Lager) in ausgedehnten Salzschichten auf, die sich über mehrere 100 km2 erstrecken können. Nutzungsmöglichkeiten In Salzstrukturen bzw. -vorkommen können folgende Nutzungen möglich sein: • Salzbergbau (Tiefbau) ggf. mit Untertageversatz (UTV) • Salzgewinnung (Bohrlochbergbau) ggf. mit Untertageversatz (UTV) • Kavernenspeicherung (Erdgas/E-Methan) • Kavernenspeicherung (Druckluft) • Kavernenspeicherung (Wasserstoff) • Kavernenspeicherung (Rohöl, Mineralölprodukte und Flüssiggas) • Untertagedeponierung (UTD) • Besucherbergwerk Eine zusätzliche Nutzungsmöglichkeit im Salz stellen Pumpspeicherwerke dar. Für diese Art der Nutzung existieren derzeit nur Studien. Theoretisch ist auch eine geothermische Nutzung (Tiefe Erdwärmesonde) innerhalb von Salzvorkommen möglich. 21 Anforderungen an den Nutzungsraum Wichtige geologische Kriterien für die Nutzung in einer Salzformation sind die Tiefenlage, Verbreitung, Mächtigkeit und Qualität des Salzes. Darüber hinaus ist die interne Struktur (Faltenbau und Faltungsgrad), insbesondere im Hinblick auf die räumliche Verteilung von löslichem Steinsalz zu leicht löslichen Kalisalzen bzw. schwer löslichen oder unlöslichen Komponenten (Anhydrit, Salzton etc.) von Bedeutung, da diese u.a. starken Einfluss auf das Solverhalten und auf das gebirgsmechanische Verhalten haben können. Die tatsächliche Nutzung hängt nicht nur von den lokalen geologischen Bedingungen, sondern auch von den betrieblichen Erfordernissen der jeweiligen Nutzungsmöglichkeiten ab. Nutzungen im Salz erfolgen meistens in Tiefen zwischen 400 m und 2000 m. Salzbergwerke erreichen derzeit eine maximale Tiefe von ca. 1600 m. Die Tiefenlage von Kavernenspeichern orientiert sich an den zu speichernden Medien. Dabei liegt die Tiefenspanne der derzeitigen Kavernenspeicher für Erdgas/E-Methan, Rohöl, Mineralölprodukte und Flüssiggas überwiegend zwischen 600 m und 1700 m. Das Speicheroptimum für Druckluftspeicher befindet sich in Tiefen von 750 m bis 1300 m, das für Wasserstoff reicht von ca. 1000 m bis 2000 m. Der unterirdische Raumbedarf von aktuellen bzw. möglichen Nutzungen im Salz, z.B. für Grubengebäude, gesolte Hohlräume bzw. Kavernen oder Kavernenfelder, erreicht bis mehrere 10er km3. Der oberirdische Flächenbedarf orientiert sich neben den eigentlichen Schachtanlagen oder Bohrplätzen an der Größe der weiterverarbeitenden Industrieanlagen einschließlich der Nebengebäude und Halden. Dementsprechend können Tagesanlagen durchschnittlich 0,1 bis 1 km2 umfassen. Grundsätzlich ist immer der Einzelfall der jeweiligen Nutzung maßgebend. Die bergmännische Erschließung von Salzvorkommen erfolgt durch das Abteufen von Schächten und Auffahren von Strecken. Der eigentliche Abbau wird mittels verschiedener bergmännischer Methoden (in Deutschland häufig Kammer-Pfeiler- bzw. SchwebenStrossenbau) durchgeführt, wodurch Abbauhohlräume entstehen. Der Bohrlochbergbau und das Solen von Salzkavernen erfolgt über eine oder mehrere in die Salzstruktur abgeteufte Bohrungen, in die Wasser injiziert wird, welches das Salzgestein löst. Über zwei Bohrlöcher oder zwei in ein Bohrloch eingebaute Rohrstränge wird der Hohlraum ausgesolt, indem durch den einen Strang das Wasser injiziert und über den anderen Strang das im Wasser gelöste Salz als Sole wieder herausgefördert wird. Unlösliche Bestandteile sinken in den unteren Teil des Hohlraums (Sumpf). 22 Grundsätzlich ist bei Aussolvorgängen darauf zu achten, dass die anfallende gesättigte Sole zu nutzen oder unter umweltrechtlichen Vorgaben zu verbringen ist. Prioritäten: Stabilität, Gebirgsmechanik Die Stabilität der Grubenbaue (Salzbergbau) wird zwischen den Abbaukammern größtenteils über ein ausreichend dimensioniertes Tragsystem aus Pfeilern und Schweben (= das nicht abgebaute Salzgestein um die Abbaukammern), die den Druck des umgebenden Gebirges aufnehmen, gewährleistet. Die Abstände und Abmessungen richten sich jeweils nach dem geplanten Grubenbau. Bei der Auslegung von Hohlräumen bzw. Kavernen sind die Zusammensetzung der Salinargesteine, die Temperaturen, Gebirgsdrücke bzw. die Druckvariationen besonders im Speicherbetrieb zu beachten. Bei mehreren Kavernen (Mehrfachkavernenstandorte, Kavernenfelder) dürfen gebirgsmechanisch begründete Mindestabstände zwischen den Einzelkavernen nicht unterschritten werden. Für alle genannten Nutzungen sind die gebirgsmechanischen Auswirkungen in Hinblick auf die Stabilität und Integrität der aufgefahrenen Hohlräume zu betrachten. Mit zunehmender Tiefe nehmen die Gebirgstemperatur und der Überlagerungsdruck zu. Auch steigt die Konvergenz des Salzgebirges mit zunehmender Tiefe. Rahmenbedingungen bei Konkurrenzsituationen Am Beispiel von Salzstrukturen, insbesondere bei Salzstöcken oder Salzsätteln kann man zeigen, dass mehrere Nutzungen innerhalb derselben Formation konfliktfrei realisierbar sind. Unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsabstände sind verschiedene Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur nebeneinander und ggf. auch in verschiedenen Tiefenbereichen möglich und z.T. auch bereits gängige Praxis. Zudem können in der Umgebung der Struktur verschiedene Nutzungen stattfinden (Grundwassergewinnung, Geothermie, KW-Förderung/-Speicherung), ohne einen Konflikt für die Nutzungen innerhalb der Salzstruktur darzustellen. Ausnahmen stellen Nutzungen dar, die die Salzstruktur z.B. mittels Bohrungen durchörtern, um die ein entsprechender Sicherheitspfeiler zu belassen ist. Generell ist im Zweifelsfall immer die detaillierte Einzelfallprüfung an einem konkreten Standort nötig, bevor eine Eignungsaussage getroffen werden kann. 23 Beispiele Niedersachsen: Salzbergbau vs. Untergrundspeicherung Die Anlage mehrerer Kavernen zur Speicherung unterschiedlicher Medien nebeneinander innerhalb einer Struktur befindet sich bereits seit mehreren Jahrzehnten in Umsetzung (z.B. Kavernenspeicher Etzel: Erdgasspeicherung neben Erdölspeicherung). Darüber hinaus sind Kavernen zur Speicherung verschiedener Medien neben Tiefsolung im Bohrlochbergbau möglich (z.B. im Salzstock Harsefeld). Die Anlage von Speicherkavernen neben bereits bestehendem Salzbergbau/Altbergbau ist im Salzstock Benthe bei Hannover realisiert. Salzbergbau kann innerhalb einer Salzstruktur auch in unterschiedlichen Bereichen mit unterschiedlichen Bergwerken stattfinden, z.B. aktiver Salzbergbau neben stillgelegtem Altbergbau (vgl. Salzstruktur Allertal, aktives Bergwerk Braunschweig-Lüneburg neben abgesoffenem Bergwerk Walbeck-Buchberg in Sachsen-Anhalt). Sachsen-Anhalt: Salzbergbau (mit Untertageversatz) vs. Untergrundspeicherung Aufgrund der zumeist großräumigen Salzstrukturen gibt es bisher keine Beispiele für Konkurrenzsituationen zwischen Salzbergbau (mit Untertageversatz) sowie Untertagedeponierung und Untergrundspeicherung. Vielmehr ist bei der Einhaltung der bergrechtlich (Abstand zur Markscheide) oder technisch (geomechanisch begründet) erforderlichen Mindestabstände eine Nutzung nebeneinander und unter Umständen sogar im gleichen Grubengebäude möglich. Beispiel für dieses Mit- und Nebeneinander ist die Salzlagerstätte Bernburg. Auf einer Sattelstruktur in Tiefen zwischen ca. 320 m und 750 m erfolgen auf einer Fläche von 48,8 km2 folgende Nutzungen: • Salzbergbau im Tiefbau (mit Untertageversatz in älteren Teilfeldern mit zu gering dimensionierten Pfeilern), • Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Solkavernen) durch vier verschiedene Unternehmen, z.T. unter Berücksichtigung einer Folgenutzung dieser Kavernen für die Gasspeicherung, • Erdgasspeicherung bei teilweiser Nutzung der für die Salzgewinnung gesolten Kavernen, • Flüssiggasspeicherung. 24 Im Sol- und Speicherfeld betreiben vier Unternehmen gemeinsam die Solung von Kavernen. Dabei wird entsprechend der betrieblichen Planungen in den meisten Fällen die jeweilige Kaverne so gesolt, dass eine Folgenutzung als Gasspeicherkaverne möglich ist. 3.3 Nutzungen in tiefen Aquiferen Unter tiefen Aquiferen versteht man Gesteinsschichten oder -körper im tieferen Untergrund, deren Porenräume hinreichend groß und verknüpft sind, um Wasser speichern, leiten und darin gelöste Stoffe transportieren zu können. Die Porenräume enthalten meistens – abhängig von der Tiefenlage – unterschiedlich temperierte und unterschiedlich mineralisierte Thermalwässer (z.B. Molasse-Becken) bzw. Thermalsolen (insbesondere im Norddeutschen Becken). Teilweise werden tiefe Aquifere auch für die Entsorgung von Prozess- und Lagerstättenwässern genutzt. Unter besonderen geologischen Bedingungen können Kohlenwasserstoffe (Erdöl- und/oder Erdgas) in Fallenstrukturen angereichert sein. In solchen durch natürliche Barrieren abgedichteten Strukturen können auch Erdgas/E-Methan eingespeichert oder Kohlendioxid dauerhaft eingelagert werden. Nutzungsmöglichkeiten In tiefen Aquiferen bzw. Aquiferkomplexen sind folgende Nutzungen möglich oder werden derzeit diskutiert: • Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas) aus permeablen Reservoirgesteinen, • Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole), • CO2-Gewinnung, • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Aquiferen, • Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen KW-Lagerstätten, • Versenkung von Prozess- und Produktionswässern, • Kohlendioxid-Verpressung in ehemalige KW-Lagerstätten, • Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, salinare Aquifere, • Tiefe Geothermie (>400 m) Hydrothermale Nutzung (Dublette), • Nutzung von tiefen Aquiferen als Kälte-/Wärmespeicher. Die Nutzungsformen bestehen entweder in einer Entnahme oder einer Zufuhr von Stoffen oder Energie. Die Auswirkungen der Nutzungsformen im Untergrund können kleinräumig (z.B. CO2-Gewinnung) sein oder größere Areale umfassen (z.B. CO2-Verpressung). Die 25 Auswirkungen an der Erdoberfläche sind – bei den bisher durchgeführten Nutzungen im Regelbetrieb – gering. Anforderungen an den Nutzungsraum Regional bedeutsame Aquifere treten in Deutschland in allen großen Sedimentbecken in permokarbonischen bis tertiären Ablagerungen auf. Sie erstrecken sich meistens in Tiefen von einigen 100 m bis über 3000 m. Daneben sind Aquifere auch in jüngeren Gesteinsschichten vorhanden, allerdings überwiegend nur in geringeren Tiefen (bis 400 m; vgl. auch Kap. 3.3.1). Tiefe und oberflächennahe Aquifere können miteinander hydraulisch verbunden sein. Ein tiefer Aquifer wird häufig erst durch die Überlagerung eines Barrieregesteins mit ausreichender Mächtigkeit zu einem wirtschaftlich interessanten Reservoir oder Speicherraum. Die langzeitig wirksame Barriere ermöglichte beispielsweise die Akkumulation und das Einschließen von Erdöl oder Erdgas in Fallenstrukturen. Ausgeförderte Erdöl- und ErdgasLagerstätten oder primär nicht mit Kohlenwasserstoffen gefüllte Fallenstrukturen sind bei nachgewiesener Barrierefunktion der überlagernden Schicht prinzipiell als Speicher oder zur Deponierung (Verpressung) nutzbar. In Abhängigkeit von der Tiefenlage und der damit verbundenen Reservoirtemperatur (geothermischer Gradient) sowie der Mineralisation (Salzgehalt) enthält ein tiefer Aquifer Thermalwasser oder -sole, die zur geothermischen Energiegewinnung, aber auch für balneologische Anwendungen nutzbar sein können. Durch die Abfuhr von Energie (Nutzung des Wassers zur Kühlung von Gebäuden und Anlagen) oder Zufuhr von Energie in Form von eingespeicherter Wärme (z.B. Abwärme aus einem GuD-Kraftwerk) lässt sich ein Aquifer als Kälte- oder Wärmespeicher nutzen. Rahmenbedingungen bei Konkurrenzsituationen Da tiefe Aquifere meistens sowohl oberhalb als auch unterhalb durch Barrieregesteine begrenzt werden, ist grundsätzlich eine stockwerksweise Nutzung des Untergrundes möglich. Dabei ist zu gewährleisten, dass eine Nutzung des tieferen Stockwerks die darüber befindliche Ressource bzw. den Speicherraum weder durch die Produktions-/Speichereinrichtungen noch durch den Betrieb beeinträchtigt wird. Sowohl bei einer Entnahme von Stoffen aus dem Porenraum eines Aquifers als auch bei der Injektion von Flüssigkeiten oder Gasen treten immer Druckveränderungen auf, die weder Ressourcen im gleichen Aquifer noch in anderen Stockwerken des Untergrundes negativ 26 beeinflussen dürfen. Da beispielsweise mit der Entnahme von Kohlenwasserstoffen eine nachteilige Reduktion des Lagerstättendrucks zu verzeichnen ist, wird häufig der Reservoirdruck durch Reinjektion von Lagerstättenwasser erhalten. Im Falle der Injektion eines Fluides treten – abhängig von den Gesteinseigenschaften (Porosität, Permeabilität) sowie der Injektionsrate und verpressten Gesamtmenge – im Nahfeld der Injektionsbohrung große und mit der Distanz abnehmende Druckerhöhungen auf. Nach Beendigung der Injektion gleichen sich die Drücke im Aquifer auf erhöhtem Niveau an. Je nach Menge des Speichergutes sind mögliche Auswirkungen auch auf große Entfernung und dort ggf. auftretende potenzielle Wegsamkeiten, z.B. Störungen, Kluftzonen oder Salzstockränder, zu beurteilen bzw. bei der Realisierung des Vorhabens durch angepasstes Monitoring zu überwachen. Bei der Gewinnung geothermischer Energie und der Nutzung von Aquiferen als Kälte/Wärmespeicher im Dublettensystem mit Förder- und Injektionsbohrung ist induzierte Seismizität infolge von Druckänderungen nicht grundsätzlich auszuschließen. Auftretende Temperaturveränderungen betreffen das jeweilige Nahfeld beider Bohrungen sowie den Aquiferraum zwischen diesen. Bei der dauerhaften Einlagerung von Stoffen in einen Aquifer (z.B. Kohlendioxid-Verpressung) steht dieser nicht mehr als Speicherraum (z.B. als Energiespeicher) zur Verfügung und auch eine nachträgliche geothermische Nutzung desselben Aquifers ist möglicherweise eingeschränkt. Beispiele Bayern: Tiefe Geothermie vs. Untergrundspeicherung In Bayern überlagern sich in mehreren Fällen Erlaubnisfelder zur Aufsuchung von Erdwärme mit Erlaubnis- bzw. Bewilligungsfeldern zur Aufsuchung bzw. Gewinnung von Kohlenwasserstoffen. Einige dieser Bewilligungen beziehen sich auch auf nicht vollständig ausgeförderte Gaslagerstätten, die als untertägiger Gasspeicher nachgenutzt werden. Eine derartige Nutzungskonkurrenz wird am Beispiel des Gasspeichers Wolfersberg im östlichen Molassebecken dargestellt. Der Zielhorizont der tiefen geothermischen Nutzung umfasst teilweise verkarstete Kalk- und Dolomitsteine des Oberjura. Der im Speicher Wolfersberg genutzte Horizont ist der tertiäre Lithothamnienkalk, ein sowohl vertikal als auch lateral faziell stark differenzierter Kalkstein27 komplex. Zwischen den beiden Horizonten liegt im Bereich des Erdgasspeichers Wolfersberg ein max. 250 m mächtiges Sedimentpaket, das sich vorwiegend aus Schichten der Oberkreide zusammensetzt. Mehrere Zehnermeter mächtige Tonmergel des Turon bilden die wahrscheinlich effektivste vertikale Abdichtung zwischen Malm und Lithothamnienkalk. Grundsätzlich kann diese lithologische Dichtheit aber durch Wegsamkeiten entlang tektonischer Inhomogenitäten, wie z.B. Störungen, Klüfte und Spalten, aufgehoben werden. Die Absenkung des Molassebeckens führte zur Entstehung bzw. Reaktivierung vorwiegend beckenparallel streichender Dehnungsbrüche. Neben diesen ENE–WSW streichenden Störungssystemen gibt es im Bereich Wolfersberg auch eine größere NNW–SSE verlaufende Aufschiebung. Letztere begrenzt auch die gasführende Fläche von Wolfersberg im Westen, die ansonsten durch eine Spillpoint-Situation im Norden (Spillpoint = Punkt, unterhalb das gespeicherte Gas entweicht), dem Gas-Wasser-Kontakt im Süden und einer Erosionsrinne im Osten umrahmt wird. Die im Lithothamnienkalk vorhandenen Störungssysteme erstrecken sich in Teufen bis unterhalb des Malm, d.h. hier ist grundsätzlich die Möglichkeit einer hydraulischen Verbindung gegeben. Gegen eine hydraulische Verbindung sprechen einige Indizien, z.B. die unterschiedliche Salinität der Formationswässer im Lithothamnienkalk und im Malm. Ein weiterer Hinweis auf eine zumindest kleinräumig funktionierende Abdichtung zwischen beiden Formationen ergibt sich aus der Druckdifferenz von etwa 200 bar zwischen dem deutlich abgesenkten Druck in der ehemaligen Gaslagerstätte Wolfersberg nach der Förderung im Vergleich zum hydrostatischen Druck im Malm-Aquifer. Auch gegen Ende der Ausspeicherphase können sich nach Ausförderung des gesamten Arbeitsgasvolumens ähnlich hohe Druckdifferenzen ergeben. Da jedoch anhand der vorliegenden Daten nicht mit Sicherheit auszuschließen ist, dass durch die Erdwärmegewinnung (Bohren, Wasserförderung und -injektion) eine hydraulische Verbindung zwischen beiden Nutzhorizonten erzeugt werden könnte, sollen folgende Maßnahmen das Risiko einer Beeinträchtigung des Erdgasspeichers minimieren: • Keine Bohrtätigkeiten zur Aufsuchung oder Gewinnung von Erdwärme im Bewilligungsfeld Wolfersberg (Feldumriss umschreibt in etwa die gasführenden Bereiche), • Ausweisung einer erweiterten Pufferzone um den Erdgasspeicher, innerhalb derer keine geothermische Förder- oder Injektionsbohrung betrieben werden darf, • Monitoring der Drücke in den Geothermiebohrungen, Festlegung von Grenzwerten, • Nachweis der Dichtigkeit der Zementationen der Geothermiebohrungen. 28 4. Zusammenfassung Mit dem vorliegenden Abschlussbericht haben die Mitglieder des PK „NtU“ erstmalig eine bundesweite Übersicht nahezu aller tatsächlichen und potenziellen Untergrundnutzungen in Deutschland erarbeitet. Auf Grundlage eines intensiven Informationsaustausches konnten die verschiedenen Untergrundnutzungen in Deutschland fachlich fundiert charakterisiert werden. Die Beschreibungen der Nutzungen und Nutzungspotenziale in Form von abgestimmten Steckbriefen können den Entscheidungsträgern in Behörden und Ministerien sowie auch einer breiten interessierten Öffentlichkeit als Basis und Nachschlagewerk zum besseren Verständnis relevanter geologischer Merkmale und technologischer Faktoren dienen. Insbesondere die räumlichen und zeitlichen Aspekte der einzelnen Untergrundnutzungen sind Grundlage für eine sachliche Diskussion zur unterirdischen Raumplanung auf der politischplanerischen Ebene. Für die einzelnen Nutzungen wurden zudem mögliche Auswirkungen und potenzielle Nutzungskonkurrenzen identifiziert, aber auch Nachnutzungsmöglichkeiten erläutert. Ergänzend wurden an regionalen Beispielen konkurrierende Untergrundnutzungen vorgestellt und Konfliktlösungsmöglichkeiten diskutiert. Auf Grundlage der Erkenntnisse aus den Arbeiten des PK lässt sich zusammenfassend feststellen, dass (1) Untergrundnutzungen überwiegend von den geologischen Verhältnissen und damit standortabhängig sind, (2) der Wirkungsbereich der Nutzungen in vielen Fällen kleinräumig ist, (3) mögliche Auswirkungen im Regelbetrieb bekannt sind, (4) trotz potenzieller Nutzungskonkurrenzen (insbesondere im oberflächennahen Bereich bis ca. 400 m Tiefe), die Anzahl tatsächlicher Konfliktsituationen bisher gering ist und (5) für einige potenzielle Nutzungen bisher in Deutschland keine Erfahrungen vorliegen. Generalisierte Bewertungsverfahren zur unterirdischen Raumnutzung von Teilräumen des Untergrundes, z.B. Lagerstätten oder Strukturen, sind derzeit noch nicht verfügbar. Zudem erschwert die teilweise eingeschränkte und heterogene Datenlage eine umfassende Charakterisierung regionaler/lokaler Nutzungsmöglichkeiten. Gleichwohl ist die systematische Erarbeitung geowissenschaftlicher Grundlagen die Voraussetzung für eine zukünftige 29 unterirdische Raumordnung. Diese Aufgabe kann aufgrund ihres rechtlichen Mandats und ihrer Fachkompetenz insbesondere von den Staatlichen Geologischen Diensten übernommen werden. Mit diesen Voraussetzungen sind die Staatlichen Geologischen Dienste die Fachbehörden in den Ländern, die sachgerechte Auskünfte zu Planungsvorhaben geben und entsprechende Planungsgrundlagen erstellen können. Lassen sich Nutzungsräume, Potenzialgebiete oder Einzelstrukturen aufgrund unzureichender Datenlage nicht hinreichend charakterisieren, sind die Dienste in der Lage, geeignete Maßnahmen zur systematischen Erhöhung des Kenntnisstandes aufzuzeigen (z.B. Akquisition zusätzlicher Industriedaten, 3D-Seismik im Bereich von Antiklinalstrukturen zur Bestimmung der Integrität von Barrierehorizonten etc.). 30 5. Literatur AKADEMIE FÜR GEOWISSENSCHAFTEN UND GEOTECHNOLOGIEN [Hrsg.] (2014): Geoforum 2013, Raumordnung für den tiefen Untergrund Deutschlands. – AGG Veröffentlichungen Heft 30: 1-95; Hannover. AKADEMIE FÜR RAUMFORSCHUNG UND LANDESPLANUNG [Hrsg.] (2012): Nutzungen im Untergrund vorsorgend steuern - für eine Raumordnung des Untergrundes. – ARL Positionspapier 91: 1-13; Hannover. HEIDEMANN, C. (2012): Raumordnung im Untergrund – Raumordnerische Möglichkeiten zur Steuerung unterirdischer Nutzungskonflikte. – 126 S.; Saarbrücken (AV Akademikerverlag GmbH & Co. KG; Reihe Realwissenschaften). HELLRIEGEL, M. (2014): Konkurrenzkampf unter der Erde - Rechtsrahmen für eine Raumordnung zur Steuerung unterirdischer Nutzungen. – Schriftenreihe der DGMB 36: 9-21; Clausthal-Zellerfeld. SCHILLING, J. (2013): Planerische Steuerung von unterirdischen Raum- und Grundstücksnutzungen. – Kommunalwirtschaftliche Forschung und Praxis 23: 1-328; Frankfurt am Main. SGD/BGR/LIAG (2012): Geologische Informationen und Bewertungskriterien für eine Raumplanung im tieferen Untergrund. – Bericht, 8 S.; Wittenberg. 31 Anlage 1: Nutzungen und Nutzungspotenziale des tieferen Untergrundes in Deutschland (1) Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau (Erze und Industrieminerale) Der untertägige Abbau mineralischer Rohstoffe erfolgt derzeit in 9 Bundesländern. Dazu gehört neben dem klassischen Erz- und Spatbergbau auch die unterirdische Gewinnung von Natursteinen. In weiteren 3 Bundesländern bestehen diesbezügliche Nutzungspotenziale. (2) Kohlebergbau Die bergmännische Gewinnung von Kohle im Tiefbau erfolgt nur noch in NW. Kohle führende Schichten sind in weiteren 9 Bundesländern potenziell abbaubar. (3) Salzbergbau Der untertägige Abbau von Stein- und Kalisalz erfolgt in 7 Bundesländern. Zusätzlich sind in 3 Bundesländern potenziell abbauwürdige Vorkommen vorhanden. (4) Salzgewinnung mittels Laugung (Bohrlochbergbau) Bohrlochbergbau zur Gewinnung von Salz wird gegenwärtig in 8 Bundesländern betrieben. In weiteren 3 Bundesländern sind Potenziale vorhanden. (5) Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas) aus permeablen Reservoirgesteinen Die Förderung von Erdöl und Erdgas aus permeablen Gesteinen ist in Deutschland weit verbreitet. Sie erfolgt in 9 Bundesländern. Zudem sind in 4 Bundesländern potenzielle Vorkommen vorhanden. (6) Gewinnung von Erdgas aus dichten Sandsteinen (Tight Gas) Die Förderung von Tight Gas erfolgt derzeit nur in NI. In ST sind potenzielle Vorkommen vorhanden. (7) Gewinnung von Erdgas aus dichten Tongesteinen (Shale Gas) Vorkommen von dunklen Tongesteinen mit hohem Gehalt an organischen Kohlenstoff sind in 9 Bundesländern vorhanden, aber die Potenziale für eine wirtschaftliche Shale Gas-Gewinnung sind häufig nur unzureichend erkundet. Eine Förderung erfolgt bisher in Deutschland nicht. (8) Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser) Grundwasser führende Schichten werden in allen Bundesländern zur Trink- und Brauchwassergewinnung genutzt. Dabei erfolgt die Nutzung bevorzugt aus oberflächennahen Grundwasserleitern, so dass es in einigen Bundesländern nicht als Nutzung des tieferen Untergrundes i.e.S. betrachtet wird. (9) Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser/-sole) Grundwässer mit Anreicherungen gelöster Minerale bzw. mit erhöhten Temperaturen sind in Grundwasserleitern verschiedener Tiefenlage vorhanden. Sie werden bundesweit genutzt. (10) CO2-Gewinnung Kohlendioxid aus natürlichen Quellen wird in 3 Bundesländern gewonnen. Zudem sind in 3 Bundesländern Potenziale vorhanden. (11) Gasgewinnung aus Steinkohle Grubengas wird im Bereich abgebauter Steinkohlenlagerstätten in NW und dem SL an zahlreichen Stellen gewonnen. Die Möglichkeiten der Flözgas-Gewinnung aus unverritzten Steinkohlevorkommen werden derzeit in NW im Rahmen zahlreicher Aufsuchungsprojekte erkundet. (12) Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in tiefen Aquiferen Aquiferspeicher für Erdgas zur Energieversorgung werden in 7 Bundesländern genutzt. In weiteren 5 Bundesländern bestehen Speicherpotenziale. (13) Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen KW-Lagerstätten Die Speicherung von Erdgas in ausgeförderten KW-Lagerstätten erfolgt in 7 Bundesländern. In 3 weiteren Bundesländern bestehen hierfür Potenziale bzw. sind diese zu prüfen. (14) Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Salzkavernen Kavernenspeicher für Erdgas bzw. E-Methan bestehen in 8 Bundesländern. Potenziale werden auch noch in TH gesehen. (15) Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen Bergwerken Erdgasspeicherung in ehemaligen Bergwerken wird bisher nur in ST betrieben. In NW scheinen derartige Nachnutzungen ebenfalls möglich. (16) Untergrundspeicherung von Rohöl, Mineralölprodukten und Flüssiggas in Salzkavernen Erdöl oder chemische Produkte werden in 5 Bundesländern in Salzkavernen gelagert. Zudem sind in 4 Bundesländern dafür Potenziale vorhanden. (17) Untergrundspeicherung von Rohöl und Mineralölprodukten in ehemaligen Bergwerken Eine unterirdische Speicherung von Erdöl bzw. chemischen Produkten in ehemaligen Bergwerken erfolgt derzeit nicht in Deutschland. Potenziale bestehen theoretisch in NI und NW. (18) Untergrundspeicherung von Druckluft in Salzkavernen Ein Druckluft-Kavernenspeicher ist in NI in Betrieb. Potenziale bestehen zusätzlich in 8 Bundesländern. (19) Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Salzkavernen Die Kavernenspeicherung von Wasserstoff wird in 8 Bundesländern als eine potenzielle Untergrundnutzung angesehen. Eine Speicherung von Wasserstoff in Porenspeichern wird dagegen bisher in sämtlichen SGD als nicht realistisch eingestuft und daher nicht explizit betrachtet. (20) Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in (ehemaligen) Bergwerken Die Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in ehemaligen oder noch in Betrieb befindlichen Bergwerken erfolgt in 7 Bundesländern. Potenziale in weiteren Bundesländern sind nicht vorhanden. (21) Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in Kavernen Die Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in Kavernen erfolgt in ST und TH. In weiteren 4 Bundeländern sind dafür Potenziale vorhanden. (22) Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern Prozess- und Lagerstättenwässer werden gegenwärtig in 9 Bundesländern versenkt. Potenziale bestehen zudem in NW. (23) Kohlendioxid-Verpressung in ehemalige KW-Lagerstätten Potenziale zur Verpressung von CO2 in ehemalige KW-Lagerstätten sind in 8 Bundesländern vorhanden. (24) Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, salinare Aquifere Im brandenburgischen Ketzin bei Potsdam wird die CO2-Speicherung zu Testzwecken durchgeführt. Potenziale für die Kohlendioxid-Verpressung in salinare Aquifere bestehen in weiteren 7 Bundesländern, wobei die Speicherung von Kohlendioxid in SH aufgrund eines Landesgesetzes ausgeschlossen ist. (25) Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze (inkl. Gasgewinnung) Die Verpressung von CO2 in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze wird in NW im Rahmen eines Forschungsvorhabens untersucht und somit als mögliche Option für eine Untergrundnutzung bewertet. Potenziale bestehen ebenfalls im SL. (26) Endlagerung schwach-/mittelradioaktiver Abfälle In NI und ST existieren auf der Basis früherer Erkundungen bereits Endlager für schwach-/mittelradioaktive Abfälle bzw. sind in Bau. Im Rahmen der Arbeiten des PK NtU wurden keine weiteren Potenziale für diese Nutzungsmöglichkeit betrachtet. (27) Endlagerung hochradioaktiver Abfälle Mit Inkrafttreten des Standortauswahlgesetzes (StandAG 2013) werden die einzelnen Verfahrensschritte für eine ergebnisoffene Suche und Auswahl eines Standortes für insbesondere Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle in Deutschland neu geregelt. Bis Mitte 2016 soll die „Kommission Lagerung hochradioaktiver Abfallstoffe“ das Gesetz evaluieren und Grundlagen und Kriterien für den Suchprozess erarbeiten. Daher erfolgten im Rahmen der Arbeiten des PK NtU keine Potenzialbetrachtungen. (28) Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe): Erdwärmesonde (EWS) Erdwärmesonden werden zur Nutzung der oberflächennahen geothermischen Energie in allen Bundesländern betrieben. (29) Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe): Grundwasserbrunnen In sämtlichen Bundesländern existieren Grundwasserbrunnen zur Nutzung des oberflächennahen geothermischen Potenzials. (30) Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe): Hydrothermale Nutzungen (Dublette) Geothermische Heizzentralen im Dublettenbetrieb existieren in 5 Bundesländern. In allen übrigen Bundesländern bestehen Potenziale für diese Nutzungsart der tiefen Geothermie. (31) Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe): Petrothermale Nutzungen (Tiefe EWS) Tiefe EWS werden in 3 Bundesländern betrieben. Diese Nutzungsform der tiefen Geothermie ist auch in allen anderen Ländern anwendbar. (32) Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe): Petrothermale Nutzungen mit Stimulation (EGS, HDR) Die GFZ-Pilotanlage Groß-Schönebeck (BB) ist zur Zeit das einzige petrothermale Vorhaben in Deutschland. In allen anderen Bundesländern sind EGS- und HDR-Anwendungen potenziell einsetzbar. (33) Nutzung von Aquiferen als Kälte-/Wärmespeicher In 10 Bundesländern werden Aquifere in verschiedenen Tiefenlagen als Kälte- bzw. Wärmespeicher genutzt. In den übrigen Bundesländern ist diese Untergrundnutzung ebenfalls möglich. (34) Energetische Nutzungen in ehemaligen Bergwerken In NW und SN werden ehemalige Bergwerke energetisch genutzt. In weiteren 3 Bundesländern bestehen dafür Potenziale. (35) Tourismus in stillgelegten Bergwerken oder Objekten des Altbergbaus In 10 Bundesländern werden ehemalige Bergwerke touristisch genutzt. In den übrigen Bundesländern sind keine derartigen Potenziale vorhanden. (36) Unterirdische Pumpspeicherwerke Unterirdische Pumpspeicherwerke sind in 3 Bundesländern in Betrieb. Weiterhin sind in 5 Bundesländern Potenziale vorhanden. (37) Tunnel (und andere unterirdische Infrastrukturbauwerke) Straßen- bzw. Eisenbahntunnel, die nicht im Absenkverfahren erbaut wurden, sind in 14 Bundesländern vorhanden. Auch in den Bundesländern BB und MV ist die zukünftige Projektierung von Tunneln denkbar. Tunnelbauten im Zusammenhang mit dem Bau von Leitungstrassen wurden bei der Abfrage nicht berücksichtigt. Anlage 2: Steckbriefe der tatsächlichen und potenziellen Untergrundnutzungen in Deutschland PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 01 Stand: Februar 2015 Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau (Erze und Industrieminerale) Definition Der untertägige Bergbau auf mineralische Rohstoffe umfasst ihre Aufsuchung, Erschließung, untertägige Gewinnung und Aufbereitung unter Nutzung von technischen Anlagen und Hilfsmitteln. Hierbei werden sämtliche Erze, Spate, Steine und Erden, Gips und Anhydrit sowie die sonstigen Industrieminerale unter dem Begriff mineralische Rohstoffe zusammengefasst. Der Abbau unterirdischer Salzvorkommen wird gesondert betrachtet (s. Steckbriefe 03 und 04). Geologische Merkmale Verbreitung Mineralische Rohstoffe sind häufig nur lokal vorhanden. Schichtgebundene Lagerstätten können sich aber auch über einige km2 erstrecken. Geometrie Erze und Spate sind bevorzugt an tektonisch vorgezeichnete Gangstrukturen gebunden, können aber auch in Sedimentschichten angereichert sein (z.B. Kupfer). Untertage gewinnbare Steine, Erden und Industrieminerale bilden i.d.R. Schichten oder mächtigere Linsen mit wechselnder Verbreitung. Tiefenlage Mineralische Rohstoffvorkommen treten nahe der Erdoberfläche auf, können aber auch bis in einige 1000 m Tiefe vorkommen. Mächtigkeit Horizontgebundene Rohstoffvorkommen erreichen einige 10er m Mächtigkeit. Erz- und Spatgänge sind dagegen meistens nur wenige Meter mächtig. Weitere Merkmale Die verschiedenen Gesteine besitzen unterschiedliche Eigenschaften (z.B. Erzgehalt, Reinheit, Druckfestigkeit, Quellvermögen), die ihren Verwendungszweck bestimmen. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Dabei wird aus wirtschaftlichen Gründen nach Möglichkeit nur das nutzbare Wertmineral abgebaut. Erschließung Die untertägige Gewinnung mineralischer Rohstoffe erfolgt über ein Bergwerk mit verschiedenen Abbauverfahren. Über Schächte, Rampen und Stollen wird die Verbindung zwischen der Lagerstätte und der Erdoberfläche hergestellt. Tiefenbegrenzung Die bergmännische Gewinnung der mineralischen Rohstoffe stößt mit zunehmender Tiefe schnell an wirtschaftliche und auch technische Grenzen. Werden Steine- und Erden-Rohstoffe daher nur bis einige 100 m Tiefe gewonnen, kann der Erzbergbau auch bis in Tiefen >1000 m reichen. Raumbedarf Rohstoffvorkommen, bei denen das gesamte Gestein als gewinnbarer Rohstoff abgebaut wird, haben meistens einen nur geringen untertägigen Raumbedarf. Wird auch Nebengestein mitgefördert, kann sich ein Raumbedarf bis maximal 0,5 km³ ergeben. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen (u.a. Betriebs- und Fördergebäude, Verarbeitungsanlagen) beträgt meistens <1 km2. Auswirkungen Im Untergrund Durch die Massenentnahme im Untergrund entstehen bei der Gewinnung mineralischer Rohstoffe Hohlräume, die je nach Abbaumethode unterschiedliche Form und Größe haben. Durch die das Grubengebäude stabilisierenden Pfeiler bzw. Festen werden die Abbauhohlräume voneinander getrennt. PK Nutzung tieferer Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 Der Abbau mineralischer Rohstoffe untertage ist meistens mit einer Wasserhaltung verbunden, die in das Grubengebäude eindringendes Grundwasser auffängt und ggf. übertage oder über Wasserlösungsstollen ableitet. Dies kann zu Grundwasserabsenkungen im unmittelbaren Umfeld um das Grubengebäude führen. Wird während und nach der Betriebsphase nicht für ausreichende Stabilisierung des Grubengebäudes gesorgt, z.B. durch Untertageversatz (UTV; s. Steckbrief 20), kann es durch einen Verbruch zu Senkungen an der Oberfläche kommen. Bei besonders ungünstigen Standortgegebenheiten ist auch ein Tagesbruch nicht auszuschließen. Nutzungsdauer Bei der untertägigen Gewinnung mineralischer Rohstoffe ist davon auszugehen, dass ein Bergwerk aus wirtschaftlichen Gründen über mehrere Jahrzehnte betrieben wird. In Abhängigkeit von der Ergiebigkeit der Lagerstätte kann sich ein Abbau in einzelnen Fällen auch über Jahrhunderte hinziehen. Nutzungskonflikte Oberflächennahe Tiefbaue (z.B. Steine und Erden) können die Nutzung des Grundwassers (Trink-, Brauch-, Mineral-, Heil- und Thermalwasser) beeinträchtigen. Auch eine Beeinflussung geothermischer Nutzungen ist möglich. Bei tiefreichenden Bergwerken, wie beim Erzund Spatabbau, hat die erforderliche Wasserhaltung Auswirkungen auf den umgebenden Grundwasserkörper. Konkurrenzsituationen zu anderen unterirdischen Nutzungen wie z.B. Salz- und Kohlegewinnung, Förderung von Erdöl und Erdgas oder die Untergrundspeicherung bestehen i.d.R. nicht. Nachnutzungen Die durch den Bergbau auf mineralische Rohstoffe entstandenen Hohlräume lassen sich in Abhängigkeit vom Zustand des umgebenden Gebirges unterschiedlich nutzen. Sie können z.B. der dauerhaften Einlagerung von Stoffen dienen und dadurch verfüllt werden. Andererseits werden die entstandenen Hohlräume auch unverändert genutzt. Dies geschieht u.a. durch die Installation von geothermischen Anlagen oder als touristisches Anschauungs- und Lehrobjekt. Weiterhin werden Grubenbaue für medizinische Anwendungen (z.B. Asthmatherapie) oder als Archiv genutzt. Beispiele Derzeit werden in 9 Bundesländern mineralische Rohstoffe im Tiefbau gewonnen. Diese ist allerdings auf relativ wenige Rohstoffgruppen beschränkt. Eisenerz (NW), Karbonate: Calcit/Dolomit bzw. Marmor (BW, RP, SL, SN, TH), Ton/Kaolin (RP, SN), Schiefer (BY, RP), Gips bzw. Anhydrit (BY, BW, HE, NI, RP, TH), Fluss- und Schwerspat (BW, SN), Graphit (BY). Literatur BÖRNER, A., BORNHÖFT, E., HÄFNER, F. et al. (2012): Steine- und Erden-Rohstoffe in der Bundesrepublik Deutschland.- Geol. Jb. Reihe D, SD 10: 356 S., 212 Abb. 54 Tab.; Hannover. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 02 Stand: Februar 2015 Kohlebergbau Definition Unter Kohlebergbau wird in Deutschland der untertägige Abbau von Braun- und Steinkohle verstanden. Derzeit wird nur noch Steinkohle in Nordrhein-Westfalen im Tiefbau gefördert. Geologische Merkmale Verbreitung Die einzige in Abbau stehende Lagerstätte ist auf das flözführende Oberkarbon des Ruhrgebietes und des Osnabrücker Berglandes beschränkt. Die räumliche Erstreckung beträgt viele 100 km². Geometrie Die Flöze sind schichtgebunden. Sie können horizontal oder geneigt lagern sowie an Störungsflächen versetzt sein. Tiefenlage Die Vorkommen reichen von der Erdoberfläche bis in mehrere 1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Flöze beträgt wenige Zentimeter bis mehrere Meter. Weitere Merkmale Die Qualität der Kohle hängt von der stofflichen Zusammensetzung (z.B. Schwefelgehalt) und vom Inkohlungsgrad ab. Sie bestimmen zusammen mit der Gewinnungstechnologie, ob ein Flöz abbauwürdig ist. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Derzeit wird die Steinkohle in Bergwerken abgebaut. Die Möglichkeiten des Bohrlochbergbaus oder eine in-situ Verschwelung werden untersucht. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Abbautechnologie werden Tiefen bis 1600 m erreicht. Raumbedarf Der Raumbedarf unter Tage beträgt mehrere (bis einige 10er) km³ (bei teilweise übereinander liegenden Abbaufeldern). Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen (Schachtanlagen, Aufbereitung und Halden) liegt bei wenigen km2 pro Anlage. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund werden Hohlräume in Form von bergmännisch gesicherten Schächten und Strecken erstellt, die für Standzeiten von mehreren Jahrzehnten ausgelegt sind. Die Kohle wird derzeit im Bruchbau hereingewonnen, d.h. direkt im Anschluss an den Abbau verschließt sich der Abbauhohlraum durch das Hereinbrechen der überlagernden Gebirgsschichten. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Abbautechnologie Senkungen auf. Empirischen Erfahrungen zufolge erreichen die Senkungsbeträge an der Geländeoberfläche bis zu 80 % der abgebauten Mächtigkeit. Nutzungsdauer Die Tagesanlagen sind teilweise seit mehr als 100 Jahren in Betrieb. Die Nutzungsdauer ist nach derzeitigem Stand bis 2018 beschränkt. Nutzungskonflikte Die Nutzung von Grundwasser kann infolge des Kohlebergbaus eingeschränkt sein, sobald keine hydraulisch wirksame Trennschicht (z.B. Emscher Mergel) vorhanden und eine Wasserhaltung erforderlich ist. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nachnutzungen Als Nachnutzungen kommen die energetische Nutzung von Grubengas, geothermische Nutzungen sowie unterirdische Pumpspeicherwerke in Betracht. Beispiele Derzeit sind noch drei Schachtanlagen im Bundesland NW in Betrieb: Prosper-Haniel, Auguste-Viktoria und Ibbenbüren. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 03 Stand: Februar 2015 Salzbergbau Definition Salzbergbau bezeichnet die Förderung von Salzgesteinen über Schächte und Strecken eines Bergwerkes. Das häufigste Salzmineral ist Halit (Steinsalz). Für die Herstellung von Düngemitteln werden Kalisalzgesteine, insbesondere Sylvinit, Hartsalz und Carnallitit abgebaut. Geologische Merkmale Verbreitung Salze des Perm, insbesondere des Zechstein sind in Nord- und Mitteldeutschland verbreitet. Daneben kommen geringmächtigere Salzlager in den Formationen der Trias – insbesondere im Muschelkalk Süd- und Mitteldeutschlands – des Jura und des Tertiär vor. Geometrie Die Vorkommen befinden sich in lokal abgegrenzten geologischen Salzstrukturen (Salzsättel, Salzstöcke und Salzkissen) bzw. bei flacher Lagerung in ausgedehnten Salzschichten, die sich über mehrere 100 km2 erstrecken können. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Die mineralogische und chemische Zusammensetzung der einzelnen Salzgesteine bestimmen ihre Abbauwürdigkeit und Verwendung. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Die untertägige Gewinnung von Salzen erfolgt über ein Bergwerk mit verschiedenen Abbauverfahren. Tiefenbegrenzung Technisch werden heute je nach Standort Abbautiefen bis 1600 m realisiert. Raumbedarf Der untertägige Raumbedarf kann bis einige 10er km3 betragen. Im Werra-Kaligebiet wird z.B. untertage eine Fläche in Größe des Stadtgebiets von München (ca. 320 km²) beansprucht. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen (Schachtanlagen, Aufbereitung und Halden) liegt bei wenigen km2 pro Anlage. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Beim Salzbergbau entstehen Hohlräume, die teilweise geflutet oder versetzt werden. Aufgrund der Konvergenz des Grubengebäudes können Senkungen auftreten. An der Oberfläche werden Rückstandshalden aufgeschüttet. Weiterhin fallen Prozess- und Haldenabwässer an, deren Entsorgung Auswirkungen auf Grund- und Oberflächenwasser haben kann. Nutzungsdauer Bei der untertägigen Gewinnung von Salzen ist davon auszugehen, dass ein Bergwerk aus wirtschaftlichen Gründen über mehrere Jahrzehnte betrieben wird. Im Werra-Kaligebiet ist z.B. von einer Gesamtnutzungsdauer seit Beginn des 20. Jahrhunderts von ca. 150 Jahren auszugehen. Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert der Salzbergbau (Bergwerk) mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von Gasen und Flüssigkeiten sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 EWS). Eine stockweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Salzbergwerke können als Untertagedeponie (UTD) genutzt werden. Einige Bergwerke werden zudem als Besucherbergwerke für touristische Zwecke, zumeist in den nicht mehr in Abbau stehenden Grubenbereichen, genutzt. Beispiele Insgesamt wird in Deutschland derzeit an 12 Standorten in 7 Bundesländern Salzbergbau betrieben. Dazu gehören u.a. die Bergwerke im Werra-Fulda-Revier (HE/TH), in Zielitz (ST), bei Wunstorf (NI), bei Heilbronn (BW) und in Borth (NW). PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 04 Stand: Februar 2015 Salzgewinnung (Bohrlochbergbau) Definition Zur Gewinnung von Stein- aber auch Kalisalzen werden über Bohrungen von Übertage bzw. Untertage Salzgesteine gelöst und die entstehende Salzlösung abgeführt. Die Weiterverarbeitung der Sole erfolgt durch Eindampfung und Rekristallisation oder durch Elektrolyse. Das gewonnene Salz findet hauptsächlich in der chemischen und pharmazeutischen Industrie sowie als Speise- oder Auftausalz Verwendung. Geologische Merkmale Verbreitung Zur Gewinnung von Salzen mittels Laugung eignen sich insbesondere Salzvorkommen des Zechstein, die in Nord- und Mitteldeutschland verbreitet sind. Im Alpenraum werden auch permotriassische Salzvorkommen (Haselgebirge = Gemisch aus Salz und Ton) mit dieser Methode abgebaut. Geometrie Die Vorkommen befinden sich in lokal abgegrenzten geologischen Salzstrukturen (Salzsättel, Salzstöcke und Salzkissen) bzw. bei flacher Lagerung in mächtigen Salzschichten, die sich über mehrere 100 km2 erstrecken können. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Die mineralogische und chemische Zusammensetzung sowie die Löslichkeit der einzelnen Salzgesteine bestimmen ihre Abbauwürdigkeit und Verwendung. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Über eine Bohrung oder mehrere Bohrungen wird Wasser in eine Salzlagerstätte eingebracht. Die dabei entstehende gesättigte Sole wird anschließend abgezogen. Tiefenbegrenzung Die Solung erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen meistens in 400 m bis 2000 m Tiefe. Raumbedarf Das geometrische Volumen eines gesolten Hohlraumes beträgt derzeit maximal 5 Mio. m3. Diese mit Sole gefüllten Kavernen sind meistens zylinderförmig mit Durchmessern bis ca. 100 m. Ihre Höhe kann einige 100 m erreichen. Der Raumbedarf eines Kavernenfeldes kann mehrere km3 umfassen. Flächenbedarf Der übertägige Flächenbedarf beschränkt sich meistens auf die Errichtung eines Bohrplatzes mit einer Größe <0,01 km2. In Ausnahmefällen erfolgt auch die Weiterverarbeitung der Sole vor Ort. Auswirkungen im Untergrund an der Oberfläche Im Untergrund entstehen Hohlräume in Form von annähernd zylindrischen Kavernen. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Konvergenz langfristig Senkungen auf. Bei großen Kavernenfeldern kann die großräumige Absenkung der Geländeoberfläche im Meterbereich liegen. Nutzungsdauer Die Solung von Kavernenfeldern kann mehrere Jahrzehnte andauern. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren) mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen der Salzbergbau (Bergwerk), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von Gasen und Flüssigkeiten sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe EWS). Eine stockwerksweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Die gesolten Kavernen können zur unterirdischen behälterlosen Speicherung von Gasen und Flüssigkeiten genutzt werden. Eine Nachnutzung als UTD ist vorstellbar. Die Möglichkeiten zur Errichtung unterirdischer Pumpspeicherwerke werden derzeit geprüft. Beispiele In Deutschland wird in 8 Bundesländern Salz im Bohrlochbergbau gewonnen. Dazu gehören u.a. das Solfeld Bernburg (ST), das Bergwerk Berchtesgaden (BY), das Solfeld Kehmstedt (TH), der Aussolungsbetrieb Ohrensen (NI) und das Kavernenfeld Gronau-Epe (NW). In BW findet Solegewinnung nur noch in geringem Umfang zu medizinischen und balneologischen Zwecken statt (z.B. Bad Wimpfen). PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 05 Stand: Februar 2015 Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas) aus permeablen Reservoirgesteinen Definition Erdöl und Erdgas sind Kohlenwasserstoffe (KW), die aus organisch reichen Muttergesteinen bei ausreichender thermischer Reife in Reservoire (poröse Sandsteine oder poröse bis klüftige Karbonatgesteine) migrierten und in Fallenstrukturen eingeschlossen wurden. Die Gewinnung erfolgt über eine oder mehrere Bohrungen bzw. gerichtete Ablenkungen aus einer Bohrung. Geologische Merkmale Verbreitung In Deutschland treten Erdöl und Erdgas im Norddeutschen Becken (inkl. deutsches Nordseegebiet), im Thüringer Becken, im Oberrheingraben und im Molassebecken (Alpenvorland) auf. Die Vorkommen befinden sich überwiegend in Kalk-, Dolomit- und Sandsteinen des Oberkarbon bis Tertiär. Geometrie Erdöl und Erdgas sind in geologischen Fallenstrukturen (z.B. Antiklinale, Salzstockflanke, Caprock/Scheitel, Transgressions- und Bruchstruktur, Faziesfalle) gespeichert. Dabei ist das Reservoirgestein durch ein darüber liegendes Barrieregestein abgedichtet. Tiefenlage Die Vorkommen können geologisch grundsätzlich über einen großen Tiefenbereich zwischen 400 m und >5000 m auftreten. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Reservoirhorizonte schwankt zwischen einigen 10er m und einigen 100 m. Weitere Merkmale Chemisch-physikalische Zusammensetzung der KW sowie lithologische Zusammensetzung und petrophysikalische Eigenschaften des Reservoirs. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Erdöl- und Erdgaslagerstätten werden mittels Bohrungen erkundet und gefördert. Hydraulische Stimulationen können ggf. die Fließfähigkeit erhöhen. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Abbautechnologie werden Tiefen bis >5000 m erreicht. Raumbedarf Der Raumbedarf unter Tage beträgt meistens <1 km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Durch die Gewinnung ändern sich die Druckverhältnisse in der Lagerstätte und in den hydraulisch angeschlossenen Reservoiren. Eine durch die Förderung bedingte Druckentlastung, insbesondere in Erdgaslagerstätten, kann zu seismischen Ereignissen führen. Die Reinjektion von beigeförderten Lagerstättenwässern kann ggf. zur Druckerhaltung dienen. Sofern eine hydraulische Stimulation durchgeführt wird, kommt es zusätzlich zu einer stofflichen Veränderung des Lagerstättenwassers durch Beimischung der eingesetzten Flüssigkeiten. Bei größeren Lagerstätten können durch eine produktionsbedingte Druckentlastung und die resultierende Kompaktion des Reservoirs messbare Senkungen an der Oberfläche auftreten. Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer ist auf den Zeitpunkt der unter wirtschaftlichen Bedingungen definierten Ausförderung der Lagerstätte begrenzt und kann einige Jahrzehnte umfassen. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Die Gewinnung von KW wirkt sich in der Regel nicht auf andere Nutzungsarten aus. In Einzelfällen können sich räumliche Einschränkungen für tiefengeothermische Nutzungen oder Untergrundspeicher ergeben. Nachnutzungen Grundsätzlich sind Nachnutzungen, z.B. Gasspeicherung, tiefe Geothermie und Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern etc. denkbar. Allerdings sind die spezifischen geologischen Verhältnisse inkl. des Integritätsnachweises der geologischen Barrieren sowie der Dichtheit vorhandener Bohrungen und das Vorhandensein von nicht ausgeförderten Kohlenwasserstoffanteilen in der Lagerstätte in Bezug auf die Nachnutzungsart im Vorwege zu beurteilen. Beispiele Eine jährliche aktuelle Übersicht der Gewinnung von Erdöl und Erdgas in Deutschland wird als Jahresbericht vom LBEG Niedersachsen herausgegeben: http://www.lbeg.niedersachsen.de/portal/live.php?navigation_id=655&article_id=936&_psma nd=4. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 06 Stand: Februar 2015 Gewinnung von Erdgas aus dichten Sandsteinen (Tight Gas) Definition Tight Gas ist Erdgas, das sich in kleinen, nur schlecht miteinander verbundenen Porenräumen im Gestein (meistens Sandstein) gesammelt hat. Diese Erdgasvorkommen sind wie die Erdgaslagerstätten in porösen Reservoirgesteinen (s. Steckbrief 05) an Fallenstrukturen gebunden. Allerdings weisen die Speichergesteine deutlich geringere Permabilitäten auf und müssen hydraulisch stimuliert werden. Geologische Merkmale Verbreitung Tight Gas-Vorkommen treten in Deutschland insbesondere in Oberkarbon- und Rotliegend-Sandsteinen im Westteil des Norddeutschen Beckens auf. Geometrie Tight Gas ist prinzipiell in geologischen Fallenstrukturen (z.B. Faziesfallen) gespeichert. Dabei waren die Speichergesteine ursprünglich porös und permeabel genug, dass Erdgas dort hinein migrieren konnte. Tiefenlage Die Formationen liegen oft in sehr großen Tiefen, überwiegend zwischen 3000 m und >5000 m. Mächtigkeit Die Speichergesteine können mehrere 100 m Mächtigkeit aufweisen. Weitere Merkmale In Abhängigkeit von der Tiefe können die Lagerstätten hohe Drücke (>60 MPa) und Temperaturen (>150°C) aufweisen. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Zur Erschließung der Reservoire wird die Kombination von Horizontalbohrung und multipler Stimulation eingesetzt. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Abbautechnologie werden Tiefen bis 5000 m erreicht. Raumbedarf Der Raumbedarf unter Tage beträgt wenige km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Das Gebirge wird mit Bohrungen durchteuft und mittels hydraulischer Stimulation die Permeabilität der Zielformation erhöht. Durch Beimischung der zur Stimulation eingesetzten Flüssigkeiten verändert sich die chemische Zusammensetzung des Lagerstättenwassers. keine Nutzungsdauer Die wirtschaftliche Nutzung der Bohrungen ist i.d.R. über viele Jahre gewährleistet. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte sind derzeit nicht bekannt. Nachnutzungen Nachnutzungen sind derzeit nicht bekannt. Beispiele Bekannte Tight-Gas-Projekte in Norddeutschland sind z.B. Söhlingen und Leer (NI). PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 07 Stand: Februar 2015 Gewinnung von Erdgas aus dichten Tongesteinen (Shale Gas) Definition Shale Gas (Schiefergas) bezeichnet Erdgas in dunklen, bituminösen Tonsteinen. In der Regel migrieren aus diesen Muttergesteinen Erdöl und Erdgas in ein Speichergestein. Dort können sie sich in Fallenstrukturen anreichern (s. Steckbrief 05). Shale Gas stellt den Anteil der gebildeten Kohlenwasserstoffe dar, der in den Tonsteinen verblieben ist. Da diese Gesteine nur äußerst geringe Durchlässigkeiten aufweisen, kann das Gas nur mittels des FracVerfahrens („hydraulic fracturing“) gewonnen werden. Geologische Merkmale Verbreitung Shale Gas-Vorkommen befinden sich vor allem in Tonsteinen des Karbon Nordwest-Deutschlands. Aber auch der Posidonienschiefer des Unterjura in Nordwest- und Süddeutschland ist potenziell für eine Schiefergasgewinnung geeignet. Geometrie Die Vorkommen sind schichtgebunden und können sich über größere Gebiete im Untergrund erstrecken. „Sweet Spots“ kennzeichnen darin Bereiche mit höheren Gas-Konzentrationen. Tiefenlage Die Vorkommen können über einen großen Tiefenbereich von einigen 100 m bis >5000 m auftreten. Mächtigkeit Die bisherigen Ressourcenbetrachtungen gehen von mindestens 20 m Schichtmächtigkeit aus. Weitere Merkmale Es muss ein ausreichender Sicherheitsabstand mit wirksamen geologischen Barrieren hin zu nutzbaren Grundwasserleitern bestehen. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Zur Erschließung der Vorkommen sind im Zielhorizont horizontal geführte Bohrungen mit mehreren 1000 m Länge und mehrfacher, abschnittsweiser Erzeugung künstlicher Risse mittels des Frac-Verfahrens („hydraulic fracturing)“ üblich. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Abbautechnologie werden Tiefen bis 5000 m erreicht. Raumbedarf Die Feldesentwicklung eines Vorkommens führt zu einem großen, mehrere km3 umfassenden untertägigen Raumbedarf. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Die Permeabilität der Zielformation wird erhöht. Durch das Einbringen eines Wasser-Sand-Gemisches einschließlich spezieller Zusatzstoffe (i.d.R. <2 %) kommt es zu Veränderungen der stofflichen Zusammensetzung in der Zielformation und angeschlossenen Reservoiren. Bei der hydraulischen Stimulation kann es zur induzierten Seismizität kommen. Nutzungsdauer Die Förderdauer ist begrenzt. Es wird mit mehreren Jahrzehnten Betriebsdauer für einzelne Bohrungen und Felder gerechnet. In Deutschland liegen bisher keine Erfahrungen vor. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte sind derzeit nicht bekannt. Nachnutzungen Nachnutzungen sind derzeit nicht bekannt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Beispiele In Deutschland steht die Exploration dieser Vorkommen am Anfang. Eine Gewinnung von Schiefergas findet bislang nicht statt. Regionen mit Schiefergaspotenzial befinden sich im Westteil des Norddeutschen Beckens, im Molassebecken und im Oberrheingraben. Literatur BGR (2012): Abschätzung des Erdgaspotenzials aus dichten Tongesteinen (Schiefergas) in Deutschland. - 56 S.; Hannover. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 08 Stand: Februar 2015 Grundwassergewinnung: Trink- und Brauchwasser Definitionen Grundwasser ist als unterirdisches Wasser durch die DIN 4049-3, WHG (§3 Nr. 3) und EUWasserrahmenrichtlinie (Art. 2 Nr. 2 Richtlinie 2000/60/EG) definiert. Trinkwasser ist Wasser, das für den menschlichen Genuss und unmittelbaren Gebrauch geeignet ist und dessen Qualität den geltenden rechtlichen Bestimmungen entsprechen muss. Die Anforderungen an die Trinkwasserqualität sind in Deutschland gesetzlich definiert (Trinkwasserverordnung = TrinkwV 2001, in der Neufassung vom 2. August 2013). Trinkwasser muss farblos, geruchlos und geschmacklich einwandfrei sowie frei von Krankheitserregern sein und darf keine gesundheitsschädlichen Konzentrationen chemischer oder radioaktiver Stoffe enthalten. Brauchwasser (oft auch als Betriebs- oder als Nutzwasser bezeichnet) ist Wasser, das einer spezifischen technischen, gewerblichen, landwirtschaftlichen oder hauswirtschaftlichen Anwendung dient. Es ist anders als Trinkwasser nicht grundsätzlich für den menschlichen Genuss vorgesehen und muss den Anforderungen der jeweiligen Nutzung – auch hinsichtlich einer gewissen Mindesthygiene – entsprechen. Geologische Merkmale Verbreitung Grundwasser führende Gesteine sind in ganz Deutschland als lokale oder regionale Vorkommen verbreitet. Geometrie Die räumliche Erstreckung von Grundwasserleitern ist sehr unterschiedlich. Grundwasserleiter werden unterschieden in Porengrundwasserleiter (Locker- oder Festgestein, dessen durchflusswirksamer Hohlraumanteil von Poren gebildet wird), Kluftgrundwasserleiter (Festgestein, dessen durchflusswirksamer Hohlraumanteil aus Klüften und anderen Trennfugen gebildet wird) und Karstgrundwasserleiter (verkarstetes Festgestein). Tiefenlage Die Vorkommen von Trink- und Brauchwasser reichen von der Geländeoberkante bis in mehrere 100 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Grundwasserleiter kann einige Meter bis einige 100 m umfassen. Weitere Merkmale Die wichtigsten Eigenschaften der Grundwasserleiter resultieren aus ihrer lithologischen Beschaffenheit: Porenanteil bzw. Trennflächengefüge, Durchlässigkeit, Speichervermögen. Das nutzbare Grundwasserdargebot ist der Teil des mit technischen Mitteln entnehmbaren Grundwasserdargebotes, das unter Einhaltung bestimmter, auch rechtlicher Randbedingungen (z.B. der Grundwasserneubildung, Vorgaben zur Grundwasserbewirtschaftung nach Richtlinie 2000/60/EG) genutzt werden kann (vgl. DIN 4049-3). Daneben sind die chemische und mikrobiologische Beschaffenheit des Grundwassers wichtige Merkmale zur Charakterisierung von Vorkommen und Fließsystemen. Darüber hinaus gibt es einschlägige rechtliche Vorgaben hinsichtlich quantitativer und qualitativer Bewirtschaftungsziele. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, reversibel Erschließung Die Gewinnung von Grundwasser erfolgt überwiegend aus Brunnen und untergeordnet aus Quellen. Tiefenbegrenzung Die Erschließung erfolgt meistens aus Tiefen bis 200 m und in Einzelfällen aus Tiefen bis 400 m. Raumbedarf Der untertägige Wirkbereich von Trink- und Brauchwasserentnahmen (Absenkung der Grundwasserdruckfläche) umfasst in Abhängigkeit von der Entnahmerate und dem Spannungszustand des Grundwassers maximal mehrere km3. PK Nutzung tieferer Untergrund Flächenbedarf Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 Der obertägige Flächenbedarf für die Brunnenbauwerke bzw. Quellfassungen ist gering und beträgt nur wenige m2. Mit Grundwasserentnahmen zu Trink- und Brauchwasserzwecken sind Druckänderungen im Grundwasserkörper und eine Absenkung der Grundwasserdruckfläche verbunden. Dies kann zu einer Veränderung der Fließverhältnisse bis hin zu einer Veränderung der stofflichen Zusammensetzung der Grundwässer führen. Mit Grundwasserentnahmen verbundene Grundwasserabsenkungen können bei ungünstigen geologischen Voraussetzungen an der Geländeoberfläche zu Senkungen infolge von Auftriebsverlust führen. Absenkungen des oberflächennahen Grundwassers können landschaftsökologische Auswirkungen haben. Nutzungsdauer Sofern die Grundwasserentnahme die Grundwasserneubildung nicht übersteigt, ist die Nutzungsdauer theoretisch unbegrenzt. Entnahmeraten und Nutzungsdauer von Grundwasserentnahmen werden in der wasserrechtlichen Erlaubnis oder Bewilligung festgelegt. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte können entstehen, wenn durch Stoffausträge an der Oberfläche oder Eingriffe in die Deckschichten bzw. den Grundwasserleiter die Qualität und/oder Quantität des Grundwassers beeinträchtigt wird/werden. Nachnutzungen Für Nachnutzungen gibt es i.d.R. keine Einschränkungen. In Einzelfällen können die Auswirkungen der Nutzung irreversibel sein und speziellen Nachnutzungen entgegenstehen, z.B. wenn es infolge einer Belüftung des Grundwasserleiters zu irreversiblen geochemischen Veränderungen gekommen ist. Beispiele Typische Porengrundwasserleiter sind die quartären Sedimente der nord- und mitteldeutschen Lockergesteinsgebiete und des Oberrheingrabens sowie die glazialen und fluvioglazialen Ablagerungen im Voralpengebiet. Typische Kluftgrundwasserleiter sind die mesozoischen Sedimentgesteine des west-, mittel- und süddeutschen Schichtstufen- und Bruchschollenlandes. Typische Karstgrundwasserleiter sind die oberjurassischen Karbonatgesteine Süddeutschlands. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 09 Stand: Februar 2015 Grundwassergewinnung: Mineral-, Thermal- und Heilwasser, natürliche Solen Definitionen Grundwasser ist als unterirdisches Wasser durch die DIN 4049-3, WHG (§3 Nr. 3) und EUWasserrahmenrichtlinie (Art. 2 Nr. 2 Richtlinie 2000/60/EG) definiert. „Natürliches Mineralwasser“ im Sinne des Artikels 5 der Richtlinie 2009/54/EG vom 18. Juni 2009 ist ein mikrobiologisch einwandfreies Wasser, das seinen Ursprung in einem unterirdischen Quellund/oder Grundwasservorkommen hat und aus einer oder mehreren natürlichen oder künstlich erschlossenen Quellen gewonnen wird. Es unterscheidet sich von gewöhnlichem Trinkwasser deutlich durch seine Eigenart, die durch seinen Gehalt an Mineralien, Spurenelementen oder sonstigen Bestandteilen und gegebenenfalls durch bestimmte Wirkungen gekennzeichnet sind, sowie durch seine ursprüngliche Reinheit. Die Mineral- und Tafelwasserverordnung (Min/TafelWV i.d.F. vom 1.12.2006) legt fest, welches Wasser als natürliches Mineralwasser bezeichnet werden darf. Thermalwasser ist ein Grundwasser, dessen natürliche Temperatur beim Austritt aus der Lithosphäre mindestens 20°C beträgt (DIN 4049, Teil 3). Heilwasser ist ein Mineralwasser, das durch staatliche Anerkennung die allgemeinen Bedingungen des Arzneimittelgesetzes erfüllt. Natürliche Solen sind Wässer mit ≥5,5 g/l Natrium und ≥8,5 g/l Chlorid (entsprechend ≥14 g/l gelöstes Steinsalz, NaCl). Sie können in tiefen Bereichen des kristallinen Grundgebirges, im Umfeld von Steinsalzlagern sowie in Gesteinen mit fein verteiltem Porensalz auftreten. Geologische Merkmale Verbreitung Grundwasser führende Gesteine sind in ganz Deutschland als lokale oder regionale Vorkommen verbreitet. Geometrie Die räumliche Erstreckung von Grundwasserleitern ist sehr unterschiedlich. Grundwasserleiter werden unterschieden in Porengrundwasserleiter (Locker- oder Festgestein, dessen durchflusswirksamer Hohlraumanteil von Poren gebildet wird), Kluftgrundwasserleiter (Festgestein, dessen durchflusswirksamer Hohlraumanteil aus Klüften und anderen Trennfugen gebildet wird) und Karstgrundwasserleiter (verkarstetes Festgestein). Die Gewinnung von Mineral-, Thermal- und Heilwasser erfolgt aus Kluft- oder Karstgrundwasserleitern, teilweise auch aus tieferen Porengrundwasserleitern. Tiefenlage Die Grundwasservorkommen reichen häufig bis in mehrere 100 m Tiefe. Aufgrund der erforderlichen Temperatur kommt Thermalwasser meistens erst in größeren Tiefen bis mehrere 1000 m vor. Bei entsprechenden Druckverhältnissen kann es auf Schwächezonen aufsteigen und oberflächennah austreten. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Grundwasserleiter kann einige Meter bis einige 100 m umfassen. Weitere Merkmale Die wichtigsten Eigenschaften der Grundwasserleiter resultieren aus ihrer lithologischen Beschaffenheit: Porenanteil/Trennflächengefüge, Durchlässigkeit, Speichervermögen. Daneben sind das nutzbare Grundwasserdargebot sowie die chemische und mikrobiologische Beschaffenheit des Grundwassers wichtige Merkmale zur Charakterisierung des Vorkommens. Das nutzbare Grundwasserdargebot ist der Teil des mit technischen Mitteln entnehmbaren Grundwasserdargebotes, das unter Einhaltung bestimmter, auch rechtlicher Randbedingungen (z.B. der Grundwasserneubildung, Vorgaben zur Grundwasserbewirtschaftung nach Richtlinie 2000/60/EG) genutzt werden kann (vgl. DIN 4049-3). Die ursprüngliche Reinheit von Mineralwasser erfordert eine ausreichende schützende Überdeckung. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, reversibel Erschließung Die Gewinnung von Mineral-, Thermal und Heilwasser sowie von natürlichen Solen erfolgt überwiegend über Brunnen. An Schwächezonen im Gebirge können die Wässer auch bis an die Erdoberfläche aufsteigen, wo sie als Quellen austreten können (z.B. Baden-Baden). Tiefenbegrenzung Die Erschließung erfolgt meistens aus Tiefen bis in einige 100 m unter Geländeoberkante und kann in Einzelfällen (z.B. Bad Endorf, BY) bis in 2500 m Tiefe reichen. Raumbedarf Der untertägige Wirkbereich der Entnahmen von Mineral-, Thermalund Heilwasser sowie von natürlichen Solen umfasst in Abhängigkeit von der Entnahmerate und dem Spannungszustand des Grundwassers maximal einige km3. Flächenbedarf Der obertägige Flächenbedarf für die Brunnenbauwerke bzw. Quellfassungen ist gering und beträgt nur wenige m2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Mit der Entnahme von Mineral-, Thermal- und Heilwässern sowie von natürlichen Solen sind Druckänderungen im Grundwasserkörper und eine Absenkung der Grundwasserdruckfläche verbunden. Hieraus kann eine Verlagerung der Süß- /Salzwassergrenze resultieren. keine Nutzungsdauer Sofern die Entnahme von Mineral-, Thermal- und Heilwasser dem natürlichen Dargebot angepasst ist und keine Auswirkungen auf die Konstanz der Mineralisation bzw. die Temperatur hat, ist die Nutzungsdauer theoretisch unbegrenzt. Entnahmeraten und Nutzungsdauer von Grundwasserentnahmen werden in der wasserrechtlichen Erlaubnis oder Bewilligung festgelegt. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte entstehen, wenn durch Bauvorhaben, Stoffeinträge an der Oberfläche, Rohstoffgewinnung oder Bohrungen die Qualität und/oder Quantität des Grundwassers beeinträchtigt wird. Nachnutzungen Für Nachnutzungen gibt es keine Einschränkungen. Beispiele Mineral-, Thermal- und Heilwässer bzw. natürliche Solen werden u.a. genutzt in: BW: Baden-Baden BY: Bad Reichenhall HE: Wiesbaden, Bad Wildungen und Bad Nauheim NI: Bad Pyrmont BB: Templin ST: Bad Lauchstädt, Bad Salzelmen SN: Bad Elster, Wiesenbad und Warmbad TH: Bad Frankenhausen, Bad Sulza, Bad Salzungen und Bad Colberg NW: Heilbäder entlang der ostwestfälischen Quellenspalte Literatur KÄß W., KÄß H. und Vereinigung für Bäder- und Klimakunde e.V. [Hrsg.] (2008): Deutsches Bäderbuch. – 2. Aufl., 1232 S.; Stuttgart (E. Schweizerbart). PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 10 Stand: Februar 2015 CO2-Gewinnung Definition Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der Summenformel CO2. Vulkangebiete sind natürliche Quellen für CO2. Das Gas strömt entweder direkt aus dem Untergrund an die Oberfläche (Mofette) oder wird in Fallenstrukturen gespeichert. Kommt aufsteigendes CO2 mit Grundwasser in Kontakt, geht es in Lösung und es bildet sich Kohlensäure. Diese kann Minerale aus dem umgebenden Gestein lösen. Es bildet sich Mineralwasser (Säuerling). Geologische Kriterien Verbreitung In Deutschland kommt natürliches CO2 in jungen Vulkangebieten (z.B. Eifel, Mittelrhein, Ostwestfalen, Rhön, Vogelsberg, Oberfranken, Ostschwarzwald und Schwäbische Alb) vor. CO2-Austritte an der Geländeoberfläche lassen sich beispielsweise am Laacher See (Eifel, RP) und im Horloff-Graben südlich von Gießen (HE) beobachten. Geometrie CO2 ist in geologischen Fallenstrukturen (z.B. Antiklinale, Caprock/Scheitel, Transgressions- und Bruchstruktur, Faziesfalle) gespeichert. Dabei ist das Reservoirgestein durch ein darüber liegendes Barrieregestein abgedichtet. Tiefenlage Die Vorkommen von CO2 reichen von der Geländeoberfläche bis in mehrere 1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der CO2-führenden Schicht kann einige Meter bis einige 100 m umfassen. Weitere Kriterien Lithologische Zusammensetzung und petrophysikalische Eigenschaften des Reservoirgesteins. Technologische Kriterien Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Die Gewinnung von CO2 erfolgt überwiegend aus Bohrungen und untergeordnet aus Brunnen. Tiefenbegrenzung Die Erschließung erfolgt meistens aus Tiefen von einigen 100 m und nur in Einzelfällen aus Tiefen >1000 m. Raumbedarf Der untertägige Wirkbereich einer CO2-Gewinnung (Verminderung des CO2-Partialdrucks) umfasst in Abhängigkeit von der Entnahmerate und dem Spannungszustand des Grundwassers maximal einige km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen liegt unter 0,1 km². Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Mit einer CO2-Entnahme sind Druckänderungen im Grundwasserkörper und eine Absenkung der Grundwasserdruckfläche verbunden. Mit einer CO2-Entnahme kann eine Absenkung des Grundwasserspiegels einhergehen und bei ungünstigen geologischen Voraussetzungen an der Geländeoberfläche zu Senkungen infolge von Auftriebsverlust führen. Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer ist auf den Zeitpunkt der unter wirtschaftlichen Bedingungen definierten Ausförderung der Lagerstätte begrenzt und kann einige Jahrzehnte umfassen. Nutzungskonflikte Die Gewinnung von CO2 wirkt sich in der Regel nicht auf andere Nutzungsarten aus. In Einzelfällen können sich räumliche Einschränkungen für tiefengeothermische Nutzungen oder Untergrundspeicher ergeben. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nachnutzungen Grundsätzlich sind Nachnutzungen, z.B. Gasspeicherung, tiefe Geothermie und Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern etc. in den ehemals mit CO2 gefüllten Fallenstrukturen denkbar. Allerdings sind die spezifischen geologischen Verhältnisse inkl. des Integritätsnachweises der geologischen Barrieren sowie der Dichtheit vorhandener Bohrungen und das Vorhandensein von nicht ausgeförderten CO2-Anteilen in der Lagerstätte in Bezug auf die Nachnutzungsart zu berücksichtigen. Beispiele In Bad Driburg (NW) wird hochreines CO2 über eine Bohrung für die Lebensmittelindustrie gewonnen. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 11 Stand: Februar 2015 Gasgewinnung aus Steinkohle Definition Flözgas (Coal Bed Methane = CBM) bezeichnet Erdgas in (unverritzten, d.h. nicht abgebauten) Steinkohleflözen. Bei der Umwandlung des organischen Materials der ursprünglichen Torfe in Kohle (Inkohlung) wird in einem bestimmten Temperaturbereich Methan freigesetzt. Der größte Teil des Gases migriert im Laufe der Erdgeschichte in andere Speichergesteine (s. Steckbrief 05) oder an die Erdoberfläche. Restmengen verbleiben aber im Kluft- bzw. Mikro- bis Nanoporenraum der Kohle. Beim Abbau der Steinkohle (s. Steckbrief 02) werden sie als Grubengas (Coal Mine Methane = CMM) freigesetzt und können im laufenden Abbaubetrieb oder aus den Grubenbauen stillgelegter Bergwerke gewonnen werden. Eine direkte Gewinnung des Flözgases aus (noch) tiefer liegenden, unverritzten Steinkohleflözen oder außerhalb der Bergbauzonen kann mittels Bohrungen über natürlich gestörte bzw. geklüftete Bereiche erfolgen oder eine Stimulation des Gebirges z.B. mittels Frac-Verfahren erfordern. Die Flözgas-Gewinnung kann theoretisch auch in Verbindung mit einer Kohlendioxid-Verpressung erfolgen (s. Steckbrief 25). Geologische Merkmale Verbreitung Die Vorkommen in Deutschland sind auf das flözführende Oberkarbon des Ruhrgebietes, des Osnabrücker Berglandes und im SaarRevier beschränkt. Die räumliche Erstreckung der Flöze beträgt viele 100 km². Davon ist ein kleiner Teil durch Grubenbaue erschlossen. Geometrie Die Flöze sind schichtgebunden. Sie können horizontal oder geneigt lagern sowie an Störungsflächen versetzt sein. Die Grubenbaue folgen den Flözen. Tiefenlage Die Vorkommen reichen von der Erdoberfläche bis in mehrere 1000 m Tiefe, jedoch sind Grubenbaue nur bis 1600 m Tiefe aufgefahren. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Flöze beträgt wenige Zentimeter bis mehrere Meter. Weitere Merkmale Der CH4-Gehalt im Gas (bis >20 m³ CH4/t Kohle im unverritztem Flöz) bestimmt die Rohstoffqualität. Aber auch die Gaszusammensetzung (z.B. N2-, CO2-Gehalte <10 %), der Wassergehalt der Kohle und das dort vorhandene Kluftinventar sind von Bedeutung. Zudem muss eine geologische Barriere vorhanden sein, die die Gasmigration verhindert. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffentnahme, irreversibel Erschließung Derzeit wird Grubengas sowohl in aktiven als auch aus stillgelegten Bergwerken gewonnen. Dafür werden in bergmännisch gesicherten Schächten und Strecken oder extra niedergebrachten Bohrungen Absauganlagen eingerichtet, die für Betriebszeiten von mehreren Jahrzehnten ausgelegt sind. Aus Kohleflözen außerhalb der Bergbauzone kann das Flözgas durch Tiefbohrungen in natürlich geklüftete oder künstlich aufgelockerte Bereiche direkt gewonnen werden. Tiefenbegrenzung Aufgrund der Korrelation mit dem Steinkohlenbergbau werden bei der Grubengas-Gewinnung Tiefen bis 1600 m erreicht. Eine FlözgasGewinnung ist bis ca. 5000 m Tiefe möglich. Raumbedarf Das für die Grubengas-Gewinnung nutzbare Grubengebäude kann maximal einige km³ Größe umfassen. Bei der Flözgas-Gewinnung werden je Förderstandort mehrere km3 beansprucht. Flächenbedarf Übertage werden pro Anlage (= Ansatzpunkt für eine Förderbohrung und Flächenbedarf für einen stationären Gasmotor und Generator) einige 100 m² benötigt. PK Nutzung tieferer Untergrund Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 Bei der Grubengas-Gewinnung keine. Bei der Flözgas-Gewinnung wird die Permeabilität der Zielformation erhöht und es kann zu Druckänderungen kommen. Reduzierung unkontrollierter CH4-Emissionen. Nutzungsdauer Die Grubengas-Gewinnung aus einen ehemaligen Steinkohlebergwerk ist auf einige Jahre bis Jahrzehnte beschränkt, da nach derzeitigem Kenntnisstand der CH4-Gehalt im geförderten Gas während der Absaugung abnimmt. Durch den planmäßigen Anstieg des Grundwassers im Bereich der stillgelegten Abbaugebiete wird der nutzbare Porenraum mit Wasser gefüllt und es kann keine Gewinnung von Grubengas mehr stattfinden. Die Flözgas-Gewinnung kann je nach Standort einige Jahre (z.B. Bohrung Klarenthal 4/1967, SL) bis viele Jahrzehnte (z.B. Bohrung Dora 18/1906, NW) andauern. Nutzungskonflikte Bei der Grubengas-Gewinnung keine. Auch bei der Flözgas-Gewinnung sind Nutzungskonflikte derzeit nicht bekannt. Eine vorlaufende Gewinnung von Flözgas würde einen späteren Steinkohleabbau wegen der bereits erfolgten Entgasung begünstigen. Nachnutzungen Bei der Grubengas-Gewinnung keine. Nach der Flözgas-Gewinnung aus einem unverritzten Steinkohleflöz ist ein nachfolgender Abbau möglich. Beispiele Für die Grubengas-Gewinnung in NW liegen 70 bergrechtliche Bewilligungen vor. FlözgasGewinnung erfolgte bisher am Standort Klarenthal in SL und in mehreren Steinkohleerkundungsbohrungen in NW. Zudem existieren mehrere Aufsuchungserlaubnisse in NW. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 12 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in tiefen Aquiferen Definition Als Speichermöglichkeiten für Erdgas oder Methan aus erneuerbaren Quellen (E-Methan) dienen in Deutschland Porenspeicher (Aquifere bzw. ehemalige KW-Lagerstätten: s. Steckbrief 13) und künstlich gesolte Kavernenspeicher (s. Steckbrief 14). Die Aufgabe dieser Untertagegasspeicher ist der Ausgleich tages- und jahreszeitlicher Verbrauchsspitzen. Porenspeicher dienen vorwiegend zur saisonalen Grundlastabdeckung und reagieren durch die natürlichen Fließwege im kapillaren Porenraum der Speichergesteine in der Regel langsamer auf Veränderungen von Förderraten als Kavernenspeicher. Geologische Merkmale Verbreitung Tiefliegende, zumeist Salzwasser führende Aquifere sind in Deutschland weit verbreitet (z.B. Norddeutsches Becken, Oberrheingraben, Süddeutsches Molassebecken). Geometrie Für die Speicherung in Aquiferen sind geologische Fallenstrukturen (z.B. Antiklinalen) notwendig. Dabei ist das Reservoirgestein durch ein darüber liegendes Barrieregestein abgedichtet. Tiefenlage Die Aquifere reichen häufig bis in mehrere 1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Speichergesteine (überwiegend Sandsteine) sind oft einige 10er m mächtig. Weitere Merkmale Porosität und Permeabilität des Reservoirs und der Barriere. Tiefenlage und Umfang der tiefsten geschlossenen Tiefenlinie des Speicherhorizontes. Ein Multibarrierensystem ist wünschenswert. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Die Speicherung von Erdgas oder E-Methan in tiefliegenden Aquiferen erfolgt mittels Bohrungen. Das Gas wird unter Druck in den Porenraum des Aquifers eingebracht und bei Bedarf wieder ausgefördert. Dies geschieht je nach Bedarfssituation mit größerer oder geringerer Zyklizität. Tiefenbegrenzung Das zur Untertagegasspeicherung genutzte Reservoir befindet sich in einer Tiefe zwischen 400 m und 3000 m. Raumbedarf Das Volumen des mit Erdgas/E-Methan gefüllten Speichers umfasst meistens <0,5 km³. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Bei der Ein- und Ausspeicherung von Erdgas/E-Methan in tiefliegenden Aquiferen kommt es zu Druckänderungen im Speicherhorizont aufgrund der Volumenänderung durch das eingespeicherte Gas. Sollte der Speicherbetrieb aufgegeben werden, verbleibt ein Rest des gespeicherten Gases im genutzten Porenraum zurück. Bei Erstbefüllung ist eine Hebung im Zentimeterbereich zu erwarten. Später sind zyklische Hebungen und Senkungen im Millimeterbereich möglich. Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer ist theoretisch unbegrenzt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird ein Speicher mindestens mehrere Jahrzehnte betrieben. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Die Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Aquiferen kann mit folgenden Nutzungen im gleichen Horizont konkurrieren: Gewinnung von Erdöl und Erdgas, Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern, Kohlendioxid-Verpressung in tiefen, salinaren Aquiferen, Nutzung der Aquifere als Kälte-/Wärmespeicher und für die Tiefe Geothermie (Hydrothermie). Konfliktsituationen könnten sich auch bei einer Förderung von Kohlenwasserstoffen aus Reservoiren ober- oder unterhalb des Aquifers ergeben. Nachnutzungen keine Beispiele Eine jährliche aktuelle Übersicht der Untertagegasspeicherung in Deutschland wird als Jahresbericht vom LBEG Niedersachsen herausgegeben: http://www.lbeg.niedersachsen.de/portal/live.php?navigation_id=655&article_id=936&_psma nd=4. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 13 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen KW-Lagerstätten Definition Als Speichermöglichkeiten für Erdgas oder Methan aus erneuerbaren Quellen (E-Methan) dienen in Deutschland Porenspeicher (Aquifere: s. Steckbrief 12 bzw. ehemalige KW-Lagerstätten) und künstlich gesolte Kavernenspeicher (s. Steckbrief 14). Die Aufgabe dieser Untertagegasspeicher ist der Ausgleich tages- und jahreszeitlicher Verbrauchsspitzen. Porenspeicher dienen zur saisonalen Grundlastabdeckung und reagieren durch die natürlichen Fließwege im kapillaren Porenraum der Speichergesteine in der Regel langsamer auf Veränderungen von Förderraten als Kavernenspeicher. Geologische Merkmale Verbreitung Für die Untertagegasspeicherung nachnutzbare KW-Lagerstätten in permeablen Reservoirgesteinen (Kohlenwasserstoffe = Erdöl und/oder Erdgas) befinden sich in den großen Sedimentbecken Deutschlands. Dazu gehören u.a. das Norddeutsche Becken, der Oberrheingraben und das Molassebecken in Süddeutschland. Geometrie Die für die Speicherung genutzten ehemaligen KW-Lagerstätten befinden sich grundsätzlich in lokal abgegrenzten geologischen Fallenstrukturen. Tiefenlage Die als Speicher nachgenutzten Lagerstätten befinden sich im Tiefenbereich zwischen 400 m und maximal 3000 m. Mächtigkeit Die Speichergesteine (überwiegend Sandsteine und Karbonate) sind meistens einige 10er m mächtig. Weitere Merkmale Porosität und Permeabilität des Reservoirs und der Barriere. Das nutzbare Volumen und der in der ehemaligen Lagerstätte vorherrschende Druck, der bei einer Einspeicherung überwunden werden muss. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Die Speicherung von Erdgas oder E-Methan in ehemaligen KWLagerstätten erfolgt mittels Bohrungen. Das Speichermedium wird unter Druck in den Porenraum der ehemaligen KW-Lagerstätte eingebracht und wieder ausgefördert. Dies geschieht je nach Bedarfssituation mit größerer oder geringerer Zyklizität. Hierbei muss aus technologischer Sicht insbesondere auch die Integrität der Bohrungen gewährleistet sein. Tiefenbegrenzung Die zur Untertagegasspeicherung genutzte KW-Lagerstätte sollte sich in einer Tiefe zwischen 400 m und 3000 m befinden. Raumbedarf Das Volumen des mit Erdgas/E-Methan gefüllten Speichers beträgt meistens <0,5 km³. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Bei der Ein- und Ausspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen KW-Lagerstätten kommt es zu Druckänderungen im Speicherhorizont aufgrund der Volumenänderung durch das eingespeicherte Gas. Sollte der Speicherbetrieb aufgegeben werden, verbleibt ein Rest des gespeicherten Gases im genutzten Porenraum zurück. Bei Erstbefüllung ist eine Hebung im Zentimeterbereich zu erwarten. Später sind zyklische Hebungen und Senkungen im Millimeterbereich möglich. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer ist theoretisch unbegrenzt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird ein Speicher mindestens mehrere Jahrzehnte betrieben. Nutzungskonflikte Grundsätzlich kann die Gasspeicherung in ehemaligen KW-Lagerstätten andere mit ihr hydraulisch verbundenen Strukturen durch Druckänderung beeinflussen oder von diesen beeinflusst werden. Zu den konkurrierenden Nutzungen gehören die Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern, die Kohlendioxid-Verpressung sowie die Tiefe Geothermie. Im Einzelfall ist auch ein Konflikt mit benachbarten KW-Förderungen, die im Bereich der Druckbeeinflussung liegen, denkbar. Nachnutzungen Mögliche Nachnutzungen ehemaliger Kohlenwasserstofflagerstätten könnten sich für die Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern sowie für die Kohlendioxid-Verpressung ergeben. Beispiele BY: Gasspeicher Bierwang (Chatt-Sande des Tertiär) HE: Gasspeicher Hähnlein und Stockstadt (Sande der „Pechelbronner Schichten“ des Tertiär) NI: Gasspeicher Rehden (Hauptdolomit des Zechstein), Gasspeicher Uelsen (Sandsteine des Buntsandstein) ST: Gasspeicher Bad Lauchstädt (Rotliegend-Sandsteine) Eine jährliche aktuelle Übersicht der Untertagegasspeicherung in Deutschland wird als Jahresbericht vom LBEG Niedersachsen herausgegeben: http://www.lbeg.niedersachsen.de/portal/live.php?navigation_id=655&article_id=936&_psma nd=4. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 14 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Salzkavernen Definition Als Speichermöglichkeiten für Erdgas oder Methan aus erneuerbaren Quellen (E-Methan) dienen in Deutschland Porenspeicher (Aquifere: s. Steckbrief 12 bzw. ehemalige KW-Lagerstätten: s. Steckbrief 13) und gesolte Kavernenspeicher. Die Aufgabe dieser Untertagegasspeicher ist der Ausgleich tages- und jahreszeitlicher Verbrauchsspitzen. Kavernenspeicher dienen vorwiegend zum Ausgleich kurzfristiger Bedarfsschwankungen. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die für die Anlage von Kavernen günstige Eigenschaften aufweisen. Geometrie Halokinetische Bewegungen haben im Norddeutschen Becken zur Bildung von zahlreichen Salzkissen und -stöcken mit hohen Mächtigkeiten geführt. Nur am südlichen Beckenrand bilden die Salzgesteine flachere Sattelstrukturen. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Anteile an un- und schwerlöslichen Nebengesteinen (Ton, Anhydrit) bzw. leichtlöslichem Nebengestein (Kalisalze). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Steinsalz bietet aufgrund seiner physikochemischen Eigenschaften ausgezeichnete Möglichkeiten für den Kavernenbau. Die künstlich erzeugten Hohlräume in Salzstrukturen werden durch die Einleitung von Wasser über Bohrungen und das Abpumpen der Sole geschaffen. Die Kavernen sind meistens zylinderförmig und können Durchmesser bis knapp 100 m haben. Ihre Höhe beträgt einige 100 m. Die gespeicherten Gasmengen variieren zwischen 40 und 100 Mio. m3 pro Einzelkaverne. Die Dichtheit des Steinsalzes macht eine zusätzliche Auskleidung der Kavernen unnötig. Tiefenbegrenzung Die Kavernen werden im Tiefenbereich zwischen 400 m und 2000 m angelegt (optimal hinsichtlich Bohrkosten, Standsicherheit, Dichtheit und Konvergenz). Raumbedarf Das geometrische Volumen einer Einzelkaverne für die Gasspeicherung beträgt derzeit maximal 1 Mio. m3. Der Raumbedarf eines Kavernenfeldes kann mehrere km3 umfassen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund entstehen Hohlräume in Form von annähernd zylindrischen Kavernen. Die zyklische Ein- und Ausspeicherung hat langfristig auch eine Veränderung der physiko-chemischen Eigenschaften des Steinsalzes zur Folge. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Konvergenz langfristig geringe Senkungen auf. Bei großen Kavernenfeldern kann die großräumige Absenkung der Geländeoberfläche im Meterbereich liegen. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungsdauer Kavernenspeicher werden teilweise seit mehreren Jahrzehnten genutzt. Um den sicheren Betrieb einer Speicheranlage zu gewährleisten, werden die Kavernen regelmäßig überwacht und ggf. nachgesolt. Nach Ablauf der genehmigten Betriebsdauer sind gebirgsmechanische, technische und wirtschaftliche Neubewertungen notwendig. Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen der Salzbergbau (Bergwerk), die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von anderen gasförmigen (z.B. Druckluft und Wasserstoff) oder flüssigen Stoffen (z.B. Erdöl) sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe EWS). Eine stockwerksweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Als Nachnutzungen kommen die Speicherung anderer Medien oder das Verbringen von Abfall in Betracht. Sofern keine Nachnutzung erfolgt, ist die Kaverne sicher zu verwahren (Flutung, Verplombung). Beispiele Eine jährliche aktuelle Übersicht der Untertagegasspeicherung in Deutschland wird als Jahresbericht vom LBEG Niedersachsen herausgegeben: http://www.lbeg.niedersachsen.de/portal/live.php?navigation_id=797&article_id=898&_psma nd=4 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 15 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in ehemaligen Bergwerken Definition Als Speichermöglichkeiten für Erdgas oder Methan aus erneuerbaren Quellen (E-Methan) dienen in Deutschland Porenspeicher (Aquifere: s. Steckbrief 12 bzw. ehemalige KW-Lagerstätten: s. Steckbrief 13) und gesolte Kavernenspeicher (s. Steckbrief 14). In Einzelfällen können ehemalige Bergwerke dafür genutzt werden. Sie dienen vorwiegend zum Ausgleich kurzfristiger Bedarfsschwankungen. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die in verschiedenen Bergwerken abgebaut wurden und werden. Geometrie Das Grubengebäude des Bergwerkes bestimmt das nutzbare Volumen. Tiefenlage Die Salzbergwerke befinden sich in Tiefen von einigen 100 m. Mächtigkeit Die „Mächtigkeit“ hängt ebenfalls von der Geometrie des Bergwerkes ab. Weitere Merkmale Dichtheit der Lagerstätte und der Schachtverschlüsse. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Das Speichermedium wird über Rohrleitungen durch die Schachtverschlüsse in das Grubengebäude des ehemaligen Bergwerkes eingeleitet bzw. wieder ausgefördert. Hierbei muss aus technologischer Sicht insbesondere auch die Integrität der Schachtverschlüsse gewährleistet sein. Tiefenbegrenzung Die Tiefenlage hängt vom genutzten Grubengebäude ab, d.h. höchstens 1600 m. Raumbedarf Der unterirdische Raumbedarf entspricht dem genutzten Grubengebäude des Bergwerkes, theoretisch maximal einige km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist <1 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Beim zyklischen Betrieb der Ein- und Ausspeicherung kommt es zu Druckänderungen im Grubengebäude aufgrund der Volumenänderung durch das eingespeicherte Medium. keine Nutzungsdauer Prinzipiell ist die Nutzungsdauer eines hier beschriebenen Speichers durch die Rahmenbedingungen der technischen Einrichtungen, insbesondere Dichtheit der Schachtverschlüsse, auf einige Jahrzehnte begrenzt. Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in einem ehemaligen Salzbergwerk mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur, insbesondere mit der Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren) sowie der Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von gasförmigen oder flüssigen Stoffen. Nachnutzungen keine PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Beispiele In Deutschland wird derzeit nur ein stillgelegtes Salzbergwerk bei Burggraf-Bernsdorf (ST) für die Untertagegasspeicherung genutzt. Die Dichtelemente in den Schächten befinden sich in einer Tiefe unterhalb ca. 480 m. Zur Speicherung werden zwei Sohlen bei 576 m und 586 m Tiefe genutzt. Das geometrische Volumen beträgt 135.000 m³ PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 16 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Rohöl, Mineralölprodukten und Flüssiggas in Salzkavernen Definition Untergrundspeicherung von Rohöl, Mineralölprodukten und Flüssiggas in Salzkavernen dient der Zwischenlagerung oder als strategische Reserve. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die für die Anlage von Kavernen günstige Eigenschaften aufweisen. Geometrie Halokinetische Bewegungen haben im Norddeutschen Becken zur Bildung von zahlreichen Salzkissen und -stöcken mit hohen Mächtigkeiten geführt. Nur am südlichen Beckenrand bilden die Salzgesteine flachere Sattelstrukturen. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Anteile an un- und schwerlöslichen Nebengesteinen (Ton, Anhydrit) bzw. leichtlöslichem Nebengestein (Kalisalze). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Steinsalz bietet aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ausgezeichnete Möglichkeiten für den Kavernenbau. Die künstlich erzeugten Hohlräume in Salzstrukturen werden durch die Einleitung von Wasser über Bohrungen und das Abpumpen der Sole geschaffen. Die Kavernen sind meistens zylinderförmig und können Durchmesser von einigen 10er m haben. Ihre Höhe beträgt einige 100 m. Die Dichtheit des Steinsalzes macht eine zusätzliche Auskleidung der Kavernen unnötig. Tiefenbegrenzung Die Kavernen werden im Tiefenbereich zwischen 400 m und 2000 m angelegt (optimal hinsichtlich Bohrkosten, Standsicherheit, Dichtheit und Konvergenz). Raumbedarf Das geometrische Volumen einer Einzelkaverne für die Gasspeicherung beträgt derzeit maximal 1 Mio. m3. Der Raumbedarf eines Kavernenfeldes kann mehrere km3 umfassen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen ist häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund entstehen Hohlräume in Form von annähernd zylindrischen Kavernen. Die zyklische Ein- und Ausspeicherung hat langfristig auch eine Veränderung der gebirgsmechanischen Eigenschaften des Steinsalzes zur Folge. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Konvergenz langfristig geringe Senkungen auf. Bei großen Kavernenfeldern kann die großräumige Absenkung der Geländeoberfläche im Meterbereich liegen. Nutzungsdauer Kavernenspeicher werden teilweise seit mehreren Jahrzehnten genutzt. Um den sicheren Betrieb einer Speicheranlage zu gewährleisten, werden die Kavernen regelmäßig überwacht und ggf. nachgesolt. Nach Ablauf der genehmigten Betriebsdauer sind gebirgsmechanische, technische und wirtschaftliche Neubewertungen notwendig. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Erdöl und chemischen Produkten mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen der Salzbergbau (Bergwerk), die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung gasförmigen Stoffen (z.B. Erdgas, Druckluft und Wasserstoff) sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe EWS). Eine stockwerksweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Als Nachnutzungen kommen die Speicherung anderer Medien oder das Verbringen von Abfall in Betracht. Sofern keine Nachnutzung erfolgt, ist die Kaverne sicher zu verwahren (Flutung, Verplombung). Beispiele Das LBEG veröffentlicht jährlich Informationen zum Stand der Untergrundspeicherkapazitäten in Deutschland: http://www.lbeg.niedersachsen.de/portal/live.php?navigation_id=797&article_id=898&_psma nd=4 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 17 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Rohöl und Mineralölprodukten in ehemaligen Bergwerken Definition Untergrundspeicherung von Rohöl und Mineralölprodukten in ehemaligen Bergwerken kann der Zwischenlagerung oder als strategische Reserve dienen. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die in verschiedenen Bergwerken abgebaut wurden und werden. Geometrie Das Grubengebäude des Bergwerkes bestimmt das nutzbare Volumen. Tiefenlage Die Salzbergwerke befinden sich in Tiefen von einigen 100 m. Mächtigkeit Die „Mächtigkeit“ hängt ebenfalls von der Geometrie des Bergwerkes ab. Weitere Merkmale Dichtheit des Grubengebäudes. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Das Speichermedium wird über Rohrleitungen in das Grubengebäude des ehemaligen Bergwerkes eingeleitet bzw. wieder ausgefördert. Tiefenbegrenzung Die Tiefenlage hängt vom genutzten Grubengebäude ab, d.h. höchstens 1600 m. Raumbedarf Der unterirdische Raumbedarf entspricht dem genutzten Grubengebäude des Bergwerkes, theoretisch maximal einige km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen beträgt <1 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Beim zyklischem Betrieb der Ein- und Ausspeicherung kommt es durch das veränderte Volumen des Speichermediums zu Druckänderungen im Grubengebäude. keine Nutzungsdauer Prinzipiell ist die Nutzungsdauer eines hier beschriebenen Speichers auf einige Jahrzehnte begrenzt. Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Erdöl und chemischen Produkten in einem ehemaligen Salzbergwerk Untergrundspeicherung von Gasen oder der energetischen Nutzung in ehemaligen Bergwerken sowie mit der Nutzung als UTD. Nachnutzungen keine Beispiele In der Vergangenheit wurde nur ein Bergwerk in NI zum Zweck der Speicherung von Rohöl genutzt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 18 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Druckluft in Salzkavernen Definition Die Speicherung von Druckluft in Salzkavernen kann der Zwischenspeicherung von überschüssigen Stromanteilen erneuerbarer Energieträger dienen. Die Druckluft wird komprimiert gespeichert. Die Rückgewinnung von Strom erfolgt über die Expansion der komprimierten Druckluft über eine Turbine. Der Betrieb von Druckluftspeicher-Kraftwerken unterliegt zeitlich kurzfristiger hoher Ein- und Ausspeisezyklen (Nachfrage/Angebot) zum Ausgleich der fluktuierenden Bereitstellung von Strom. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die für die Anlage von Kavernen günstige Eigenschaften aufweisen. Geometrie Halokinetische Bewegungen haben im Norddeutschen Becken zur Bildung von zahlreichen Salzkissen und -stöcken mit hohen Mächtigkeiten geführt. Nur am südlichen Beckenrand bilden die Salzgesteine flachere Sattelstrukturen. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Anteile an un- und schwerlöslichen Nebengesteinen (Ton, Anhydrit) bzw. leichtlöslichen Nebengestein (Kalisalze). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Steinsalz bietet aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ausgezeichnete Möglichkeiten für den Kavernenbau. Die künstlich erzeugten Hohlräume in Salzstrukturen werden durch die Einleitung von Wasser über Bohrungen und das Abpumpen der Sole geschaffen. Die Kavernen sind meistens zylinderförmig und können Durchmesser bis knapp 100 m haben. Ihre Höhe beträgt einige 100 m. Die Dichtheit des Steinsalzes macht eine zusätzliche Auskleidung der Kavernen unnötig. Tiefenbegrenzung Die Kavernen werden im Tiefenbereich zwischen 700 m und 1600 m angelegt (optimal hinsichtlich Bohrkosten, Standsicherheit, Dichtheit und Konvergenz). Raumbedarf Das größte geometrische Volumen einer Einzelkaverne für die Druckluftspeicherung beträgt derzeit 170.000 m3. Ein Volumen von 500.000 m3 erscheint möglich. Der Raumbedarf eines Kavernenfeldes kann mehrere km3 umfassen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen beträgt <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund entstehen Hohlräume in Form von annähernd zylindrischen Kavernen. Die zyklische Ein- und Ausspeicherung hat langfristig auch eine Veränderung der gebirgsmechanischen Eigenschaften des Steinsalzes zur Folge. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Konvergenz langfristig geringe Senkungen auf. Bei großen Kavernenfeldern kann die großräumige Absenkung der Geländeoberfläche im Meterbereich liegen. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungsdauer Kavernenspeicher werden teilweise seit mehreren Jahrzehnten genutzt. Um den sicheren Betrieb einer Speicheranlage zu gewährleisten, werden die Kavernen regelmäßig überwacht und ggf. nachgesolt. Nach Ablauf der genehmigten Betriebsdauer sind gebirgsmechanische, technische und wirtschaftliche Neubewertungen notwendig. Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Druckluft mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen der Salzbergbau (Bergwerk), die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von anderen gasförmigen (z.B. Erdgas und Wasserstoff) oder flüssigen Stoffen (z.B. Erdöl) sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe EWS). Eine stockwerksweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Als Nachnutzungen kommen die Speicherung anderer Medien oder das Verbringen von Abfall in Betracht. Sofern keine Nachnutzung erfolgt, ist die Kaverne sicher zu verwahren (Flutung, Verplombung). Beispiele: Druckluftspeicherkraftwerk Neuenhuntorf (NI): 2 Kavernen mit Gesamtvolumen von 310.000 m3; Kavernenteufe: ca. 670-820 m PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 19 Stand: Februar 2015 Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Salzkavernen Definition Die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen kann der Zwischenspeicherung von überschüssigen Stromanteilen erneuerbarer Energieträger dienen. Sie ist derzeit noch Gegenstand der Forschung. Geologische Merkmale Verbreitung In Nord- und Mitteldeutschland befinden sich mächtige Salzvorkommen des Perm, die für die Anlage von Kavernen günstige Eigenschaften aufweisen. Geometrie Halokinetische Bewegungen haben im Norddeutschen Becken zur Bildung von zahlreichen Salzkissen und -stöcken mit hohen Mächtigkeiten geführt. Nur am südlichen Beckenrand bilden die Salzgesteine flachere Sattelstrukturen. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Weitere Merkmale Anteile an un- und schwerlöslichen Nebengesteinen (Ton, Anhydrit) bzw. leichtlöslichen Nebengestein (Kalisalze). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Steinsalz bietet aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ausgezeichnete Möglichkeiten für den Kavernenbau. Die künstlich erzeugten Hohlräume in Salzstrukturen werden durch die Einleitung von Wasser über Bohrungen und das Abpumpen der Sole geschaffen. Die Kavernen sind meistens zylinderförmig und können Durchmesser bis knapp 100 m haben. Ihre Höhe beträgt einige 100 m. Die Dichtheit des Steinsalzes macht eine zusätzliche Auskleidung der Kavernen unnötig. Tiefenbegrenzung Die Kavernen können im Tiefenbereich zwischen 1000 m und 2000 m angelegt werden (optimal hinsichtlich Bohrkosten, Standsicherheit, Dichtheit und Konvergenz). Raumbedarf Das geometrische Volumen der Modellkavernen kann bis 700.000 m3 betragen. Der Raumbedarf eines Kavernenfeldes kann mehrere km3 umfassen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen beträgt <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund werden Hohlräume in Form von Kavernen angelegt, die mehrere Jahrzehnte genutzt und bei Bedarf nachgesolt oder mit Sole verwahrt werden. Die zyklische Ein- und Ausspeicherung hat langfristig auch eine Veränderung der gebirgsmechanischen Eigenschaften des Steinsalzes zur Folge. An der Geländeoberfläche treten aufgrund der Konvergenz langfristig geringe Senkungen auf. Bei großen Kavernenfeldern kann die großräumige Absenkung der Geländeoberfläche im Meterbereich liegen. Nutzungsdauer Kavernenspeicher werden teilweise seit mehreren Jahrzehnten genutzt. Um den sicheren Betrieb einer Speicheranlage zu gewährleisten, werden die Kavernen regelmäßig überwacht und ggf. nachgesolt. Nach Ablauf der genehmigten Betriebsdauer sind gebirgsmechanische, technische und wirtschaftliche Neubewertungen notwendig. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Grundsätzlich konkurriert die Untergrundspeicherung von Wasserstoff mit weiteren Nutzungen innerhalb einer Salzstruktur. Hierunter fallen der Salzbergbau (Bergwerk), die Salzgewinnung im Bohrlochbergbau (Tiefsolverfahren), die Erstellung von Salzkavernen zur Untergrundspeicherung von anderen gasförmigen (z.B. Erdgas und Druckluft) oder flüssigen Stoffen (z.B. Erdöl) sowie ggf. die tiefe geothermische Nutzung im Bereich der Salzstruktur (z.B. Tiefe EWS). Eine stockwerksweise Nutzung bzw. Nutzung nebeneinander innerhalb einer Salzstruktur ist unter Beachtung entsprechender Sicherheitsabstände möglich. Nachnutzungen Nachnutzungen durch andere Gase und Fluide zur Energiespeicherung oder das Einbringen von Abfällen sind vorbehaltlich gebirgsmechanischer Neubewertungen denkbar. Sofern keine Nachnutzung erfolgt, ist die Kaverne sicher zu verwahren (Flutung, Verplombung). Beispiele Die Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Deutschland ist derzeit noch Gegenstand der Forschung. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 20 Stand: Februar 2015 Untertagedeponierung/-versatz von festen Abfällen in (ehemaligen) Bergwerken Definition In bei der unterirdischen Rohstoffgewinnung entstandene Hohlräume können bei Vorliegen der gesetzlichen Voraussetzungen transportierbare Abfälle verbracht werden. In Abhängigkeit von den entsprechenden abfallrechtlichen Definitionen unterscheidet man bei der untertägigen Abfallentsorgung zwischen Untertageversatz (UTV; abfallrechtlich Verwertung) oder Untertagedeponierung (UTD; abfallrechtlich Beseitigung). Beim Versatz (Verwertung von Abfällen) handelt es sich um ein bergbauliches Erfordernis, d.h. es wird nicht der Hohlraum genutzt, um diese Abfälle zu entsorgen, sondern die Abfälle werden genutzt, um die Grubenbaue zu stabilisieren. Dagegen werden bei einer Untertagedeponie Hohlräume im Salzgestein aufgefahren oder nachgenutzt. Geologische Merkmale Die geologischen Merkmale sind durch die bestehenden Bergwerke vorgegeben (s. Steckbriefe 02 und 03). Sie werden durch den Langzeitsicherheitsnachweis (LZN) ggf. weiter präzisiert (z.B. Anforderungen an geologische Barrieren). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffeinlagerung, dauerhaft Erschließung Der Transport und die Einlagerung von Abfällen ins Bergwerk bzw. in nachgenutzte Bergwerksteile erfolgt z.B. mittels flexibler Schüttgutbehälter („Big Bag“) oder durch Rohrleitungen. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Abbautechnologie werden Bergwerkstiefen bis 1600 m erreicht. Raumbedarf Der unterirdische Raumbedarf beträgt maximal einige km3. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die zeitlich befristete Anlage zur Abfallverbringung liegt bei etwa 0,01 km2. Weitere Faktoren Im jeweiligen Genehmigungsverfahren ist der Langzeitsicherheitsnachweis zu erbringen, dass die Abfälle sowohl während des Betriebes als auch danach zu keiner Beeinträchtigung der Biosphäre etc. führen können. Sicherheitsabstände zu anderen Grubenfeldern und zu benachbarten Gruben sind einzuhalten. Geologische Barrieren dürfen nicht beeinträchtigt werden. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Durch die Verbringung von Abfällen werden die Auswirkungen des Bergbaus minimiert. Speziell bei Versatzmaßnahmen kommt es zu einer Erhöhung der Standsicherheit der betreffenden Grubenbaue. Die Maßnahmen führen zu einer Minimierung der Senkungen an der Oberfläche und dienen auch der Verhinderung bzw. Minimierung bergbauinduzierter seismischer Ereignisse. Nutzungsdauer Die Dauer der Betriebsphase wird durch den zur Verfügung stehenden Hohlraum und das Abfallvolumen begrenzt. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. Nutzungskonflikte Da Untertagedeponien und Versatzbergwerke nicht durchbohrt werden dürfen, besteht für darunterliegende Rohstoffe (z.B. Erdwärme) ggf. eine verhinderte oder erschwerte Zugänglichkeit. Nachnutzungen Nachnutzungen sind keine mehr möglich. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Beispiele UTD BW: Heilbronn (Steinsalz des Mittleren Muschelkalk) HE: Herfa-Neurode (Kalisalzflöze Thüringen und Hessen der Werra-Formation) ST: Zielitz (Kalisalzflöz Ronnenberg der Leine-Formation, 320-420 m Tiefe) TH: Sondershausen (Staßfurt-Formation) UTV HE: ST: TH: Hattorf, Wintershall Teutschenthal Sondershausen, Unterbreizbach PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 21 Stand: Februar 2015 Untertagedeponierung/-versatz von Abfällen in Salzkavernen Definition In die bei der Salzgewinnung entstandenen, mit Sole gefüllten Hohlräumen (Kavernen) können durch Rohrleitungen transportierbare Abfälle verbracht werden. In Abhängigkeit von den entsprechenden abfallrechtlichen Definitionen unterscheidet man bei der untertägigen Abfallentsorgung zwischen Untertageversatz (UTV; abfallrechtlich Verwertung) oder Untertagedeponierung (UTD; abfallrechtlich Beseitigung). Beim Versatz (Verwertung von Abfällen) handelt es sich um ein bergbauliches Erfordernis, d.h. es wird nicht der Hohlraum genutzt, um diese Abfälle zu entsorgen, sondern die Abfälle werden genutzt, um die ausgesolten Kavernen zu stabilisieren. Dagegen werden bei einer Untertagedeponie Kavernen im Salzgestein zur dauerhaften Einlagerung von Abfällen angelegt oder nachgenutzt. Geologische Merkmale Verbreitung Zur Gewinnung von Salzen mittels Laugung eignen sich insbesondere Salzvorkommen des Zechstein, die in Nord- und Mitteldeutschland verbreitet sind. Im Alpenraum werden auch permotriassische Salzvorkommen (Haselgebirge = Gemisch aus Salz und Ton) mit dieser Methode abgebaut. Die dabei entstehenden Kavernen können u.a. zum/zur UTV/UTD genutzt werden. Geometrie Die Vorkommen befinden sich in lokal abgegrenzten geologischen Salzstrukturen (Salzsättel, Salzstöcke und Salzkissen) bzw. bei flacher Lagerung in mächtigen Salzschichten, die sich über mehrere 100 km2 erstrecken können. Tiefenlage Je nach Strukturtyp können die Salzgesteine bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Salzmächtigkeit variiert von einigen 10er m bis zu einigen 1000 m (insbesondere in den Salzstöcken). Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffeinlagerung, dauerhaft Erschließung Die künstlich erzeugten Hohlräume in Salzstrukturen werden mittels einer Bohrung oder mehrerer Bohrungen verfüllt. Tiefenbegrenzung Die Kavernen sind im Tiefenbereich zwischen 500 m und 2000 m vorhanden. Raumbedarf Die Kavernen sind meistens zylinderförmig und können Durchmesser bis knapp 100 m haben. Ihre Höhe beträgt einige 100 m. Der Raumbedarf unter Tage kann je nach Größe des Kavernenfeldes bis mehrere km3 betragen Flächenbedarf Für die Errichtung der Anlage zur Abfallverbringung entsteht befristet zusätzlicher Flächenbedarf zum bestehenden Kavernenplatz an der Oberfläche von ca. 0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Durch die Verbringung von Abfällen werden die Auswirkungen der Salzgewinnung im Bohrlochbergbau minimiert, insbesondere kommt es zu einer Erhöhung der Standsicherheit der Kavernen. Durch die Verbringung von Abfällen kommt es zu einer Minimierung der Senkungen an der Oberfläche. Nutzungsdauer Die Dauer der Betriebsphase wird durch den zur Verfügung stehenden Hohlraum und das Abfallvolumen begrenzt. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte In Salzkavernen können weitere Flüssigkeiten bzw. Gase eingelagert werden. Da versetzte oder als Untertagedeponie genutzte Kavernen nicht durchteuft/durchörtert werden dürfen, besteht für darunterliegende Rohstoffe (z.B. Erdwärme) ggf. eine erschwerte Zugänglichkeit. Nachnutzungen Nachnutzungen sind keine mehr möglich. Beispiele UTV: Versatzkavernen in Staßfurt (ST) und Kehmstedt (TH) UTD: bisher noch nicht vorhanden PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 22 Stand: Februar 2015 Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern Definition Die Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwasser erfolgt über Bohrungen in tiefere geologische Schichten, die eine entsprechende Porosität und Permeabilität aufweisen und durch mindestens eine dauerhaft wirksame geologische Barriere (z.B. Ton- oder Salzgestein) von anderen grundwasserführenden Schichten getrennt sind. Bei Lagerstättenwasser handelt es sich um natürlich vorkommendes, frei zirkulierendes Wasser einer Lagerstätte, das vor allem bei der Produktion von Kohlenwasserstoffen an die Erdoberfläche gefördert wird. Prozesswasser bzw. Produktionswasser wird in industriellen Anlagen oder zur Herstellung von Produkten verwendet, wie z.B. Kesselspeisewasser, Kühlwasser, Kondenswasser und Produktionsrückstände der Kaliindustrie. Geologische Merkmale Verbreitung Versenkhorizonte sind z.B. das Leine-Karbonat (Plattendolomit) des Zechstein in Nordosthessen (Werra- und Fulda-Gebiet) für Produktionsrückstände der Kaliindustrie und ausgeförderte Kohlenwasserstofflagerstätten im Nördlichen Oberrheingraben. In der Vergangenheit wurden in Niedersachsen auch Kalkarenite der Oberkreide genutzt. Geometrie Die Versenkhorizonte sind flach gelagerte Schichten oder lokal abgegrenzte Fallenstrukturen mit permeablen Reservoirhorizonten bzw. bereichen. Zum Teil werden nur hydraulisch verbundene Bereiche von druckabgesenkten oder ausgeförderten Lagerstätten als potenzielle Versenkhorizonte angesehen. Tiefenlage Je nach Lagerung können geeignete Versenkhorizonte bis in Tiefen von einigen 1000 m anzutreffen sein. Mächtigkeit Die Mächtigkeit beträgt einige 10er m. Weitere Merkmale Über dem Versenkhorizont müssen eine oder mehrere geologische Barrieren vorhanden sein (z.B. Ton- oder Salzgesteine), die den Horizont dauerhaft abdichten. Die Porosität und Permeabilität der Reservoire muss groß genug sein, damit entsprechende Mengen an Lagerstätten- oder Prozesswasser aufgenommen werden können. Der stabilisierte Lagerstättendruck darf den initialen Druck des Versenkhorizontes zu keinem Zeitpunkt überschreiten. Die Versenkhorizonte müssen von der Biosphäre getrennt sein und es dürfen von ihnen keine Verbindungen auf nutzbare Grundwasserhorizonte bzw. Grundwasserkörper, die der Bewirtschaftung i. S. des Wasserhaushaltsgesetzes zugänglich sind, ausgehen. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr, irreversibel Erschließung Über ein oder mehrere Bohrlöcher werden die Wässer in den entsprechenden Horizont versenkt. Tiefenbegrenzung Die Versenkung erfolgt in Tiefen zwischen 500 m und mehreren 1000 m. Raumbedarf Der Versenkraum sollte einige Millionen m3 Fassungsvermögen enthalten bzw. für das jeweilige Projekt ausreichend sein. Flächenbedarf Der übertägige Flächenbedarf beschränkt sich meistens auf die Errichtung eines oder mehrerer Bohrplätze/Tagesanlage und beträgt häufig <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund Die Entsorgung durch Verpressung führt zu Druck- und Temperaturänderungen im Versenkhorizont. Es kann zu Ausfällungsreaktionen PK Nutzung tieferer Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 bzw. Zementation der Poren oder Kluftsysteme kommen. Zudem kann es zur Verdrängung des tiefen Grundwassers (= Formationswasser) kommen. An der Oberfläche können Hebungen auftreten. Nutzungsdauer Die Dauer der Betriebsphase richtet sich nach Größe, Volumen und Aufnahmekapazität des Versenkhorizontes. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. Nutzungskonflikte Die Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern kann mit folgenden Nutzungen im gleichen Horizont konkurrieren: Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Untergrundspeicherung von Erdgas/E-Methan in Aquiferen, Kohlendioxid-Verpressung in tiefen, salinaren Aquiferen, Nutzung der Aquifere als Kälte-/Wärmespeicher und für die Tiefe Geothermie (Hydrothermale Nutzungen). Nachnutzungen keine Beispiele NI: Das bei der Erdgasförderung anfallende Lagerstättenwasser wird in erschöpfte/ druckabgesenkte Lagerstätten versenkt. HE: Produktionsabwasser aus der Kaliindustrie wird in das Leine-Karbonat (Plattendolomit) des Zechstein versenkt; bei der KW-Gewinnung im Nördlichen Oberrheingraben anfallendes Lagerstätten- und Produktionswasser wird in die ausgeförderte Lagerstätte in den Pechelbronner Schichten des Tertiär zurück verpresst. Literatur AUST, H., FRITSCHE, J.-G. & SEDLACEK, R.A. (2000): Beseitigung von Abwässern und flüssigen Abfällen durch Tiefversenkbohrungen. - Handbuch der Müll- und Abfallbeseitigung, Lieferung 12/00; Berlin (Erich-Schmidt-Verlag). PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 23 Stand: Februar 2015 Kohlendioxid-Verpressung in ehemalige Kohlenwasserstoff-Lagerstätten Definition Bei der „Speicherung von CO2“ zum Klimaschutz wird Kohlendioxid in das ehemals von Kohlenwasserstoffen erfüllte Poren- und Kluftvolumen ausgeförderter KohlenwasserstoffLagerstätten (s. Steckbrief 05) injiziert. Bei Erdöllagerstätten besteht zudem die Möglichkeit, durch die Injektion von Kohlendioxid Restöl zu mobilisieren und ggf. zu fördern. Geologische Merkmale Verbreitung Größere Erdgaslagerstätten, die für die Kohlendioxid-Verpressung in Frage kommen, befinden sich vor allem im Norddeutschen Becken. Kleinere Gas- und Ölfelder sind auch im Thüringer Becken, im Molassebecken und im Oberrheingraben vorhanden. Geometrie Erdöl- und Erdgaslagerstätten sind häufig an Fallenstrukturen gebunden. Die größeren Lagerstätten sind gelegentlich durch Störungen in reservoirdynamisch getrennte Blöcke unterteilt. Tiefenlage Die Vorkommen können geologisch grundsätzlich über einen großen Tiefenbereich zwischen 400 m und >5000 m auftreten. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Reservoirhorizonte schwankt zwischen einigen 10er m bis einigen 100 m. Weitere Merkmale Die Speichereigenschaften (Porosität und Permeabilität) der Gesteine sind aus der Gas- und Ölförderung bekannt und auf CO2 übertragbar. Vorhandene Deckgesteine (z.B. Ton- oder Salzgesteine) belegen die seit Jahrmillionen existierende Dichtheit des Reservoirs. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr, reversibel Erschließung Die Verpressung des Kohlendioxids erfolgt im überkritischen Zustand mittels einer oder mehrerer Bohrungen in das leer geförderte Reservoir. Nach Beendigung der Förderung von Kohlenwasserstoffen ist der Druck im Porenraum aus den Speichergesteinen häufig stark abgefallen, so dass bei der Verpressung der initiale Lagerstättendruck nicht überschritten werden muss. Tiefenbegrenzung Die Verpressung erfolgt in Tiefen zwischen 800 m und 3000 m, da im überkritischen Zustand mehr CO2 eingelagert werden kann, noch größere Tiefen aber höhere Bohrkosten verursachen. Raumbedarf Für die CO2-Speicherung sind Gesteinsvolumina von etwa 0,05 km3 bis 2 km3 erforderlich. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Sondenplätze liegt in der Größenordnung von <0,01 km2. Vorhandene Sondenplätze können genutzt werden. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Die Injektion des Kohendioxids führt zu Druckerhöhungen in der Lagerstätte. Vorhandene Reste von Erdgas werden durch CO2 verdrängt. Möglicherweise kommt es aber auch zur Durchmischung und damit zur Verschlechterung der Qualität des Restgases. Erdöl dagegen mischt sich mit CO2 – dadurch wird die Fließfähigkeit erhöht und die Ausbeute kann gesteigert werden. Ältere Lagerstättenbohrungen wurden nicht entsprechend den Anforderungen für eine CO2-Speicherung verschlossen. Sie sind zu überprüfen und ggf. zu ertüchtigen, um Leckagen auszuschließen. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungsdauer Die Dauer der Betriebsphase wird durch das Speichervolumen und die Injektionsraten begrenzt. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. Nutzungskonflikte Erschöpfte Erdgaslagerstätten werden zur Vorratsspeicherung anderer großvolumiger Energieträger (z.B. importiertes Erdgas) genutzt. Nachnutzungen keine Beispiele keine PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 24 Stand: Februar 2015 Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, salinare Aquifere Definition Bei der „Speicherung von CO2“ zum Klimaschutz wird Kohlenstoffdioxid in tiefe salinare Aquifere (Salzwasser führende Gesteinsschichten) injiziert. Geologische Merkmale Verbreitung Untersuchungswürdige salinare Aquifere, die für eine Speicherung von CO2 in Frage kommen könnten, müssen eine regionale Verbreitung aufweisen. Sie sind insbesondere im Norddeutschen Becken vorhanden. Geometrie Für die CO2-Verpressung in Aquifere sind geologische Fallenstrukturen (z.B. Antiklinalen) notwendig. Dabei ist das Reservoirgestein durch ein darüber liegendes Barrieregestein abgedichtet. Tiefenlage Die Vorkommen können geologisch grundsätzlich über einen großen Tiefenbereich zwischen 400 m und >5000 m auftreten. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Reservoirhorizonte schwankt zwischen einigen 10er m bis einigen 100 m. Weitere Merkmale Als Speichergesteine kommen vor allem Sandsteine mit Porositäten >10 % in Frage. Ausreichende Injektionsraten für die erwarteten CO2Mengen können bei Permeabilitäten >10 mD erzielt werden. Geeignete Deckgesteine sind z.B. Ton- und Salzgesteine. Sie sollten mindesten 20 m Mächtigkeit aufweisen. Die Barrierewirkung darf nicht durch Störungen und Altbohrungen eingeschränkt sein. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr, reversibel Erschließung Die Verpressung des Kohlendioxids erfolgt im überkritischen Zustand mittels einer oder mehrerer Bohrungen. Zur Verdrängung der Sole aus den Gesteinsporen muss der Reservoirdruck des Aquifers überschritten werden. Tiefenbegrenzung Die Verpressung erfolgt in Tiefen zwischen 800 m und 3000 m, da im überkritischen Zustand mehr CO2 eingelagert werden kann, noch größere Tiefen aber höhere Bohrkosten verursachen. Raumbedarf Für die CO2-Speicherung und die Salzwasserverdrängung im Untergrund können Räume bis 1000 km3 betroffen sein. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Sondenplätze liegt in der Größenordnung von <0,01 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Die Injektion des Kohlendioxids führt zu Druckerhöhungen im Speicher und in einem weiten Umfeld, die nur langsam im Verlaufe von Jahrhunderten völlig abklingen. Reagiert das CO2 im Speicher mit Wässern und Gesteinen, kann es zumindest teilweise dauerhaft im Untergrund gebunden werden. Bei der Verpressung großer Mengen von Kohlendioxid kann es zum Aufstieg des verdrängten Formationswassers in höher gelegene Reservoirbereiche kommen. Geringe Hebungen im Zentimeter bis Dezimeterbereich an der Erdoberfläche sind möglich. Ältere Bohrungen, die die Barriere durchteuft haben, sind zu überprüfen und ggf. zu ertüchtigen, um Leckagen auszuschließen. Nutzungsdauer Je nach Menge des injizierten CO2 und Größe der Reservoire kann die Betriebsdauer mehrere Jahrzehnte betragen. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Aufgrund der Druckbeeinflussung der umgebenden Aquifere sind Konkurrenzen zwischen benachbarten Speichervorhaben denkbar. Geothermieprojekte könnten durch CO2-Speicher behindert werden, aber unter Umständen auch davon profitieren (Druckerhöhung im Reservoirgestein). Nachnutzungen Mittelfristig sind keine Nachnutzungen abzusehen – es sei denn, man kann zukünftig das CO2 als Rohstoff nutzen. Erste Patente wurden auf Konzepte zur Kombination von Geothermieanlagen mit der Abscheidung und Speicherung von CO2 aus kleinen und mittleren industriellen Quellen erteilt. Beispiele Im brandenburgischen Ketzin wurden von Juni 2008 bis zum August 2013 insgesamt 67.271 t CO2 in einen Forschungsspeicher im Keuper (Stuttgart Formation) injiziert. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 25 Stand: Februar 2015 Kohlendioxid-Verpressung in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze (inkl. Gasgewinnung) Definition Nahezu das gesamte in Deutschland geförderte Erdgas ist in Kohleflözen entstanden, hat sich nachfolgend in permeablen Speichergesteinen gesammelt und bei Vorhandensein geologischer Barrieren Lagerstätten gebildet. Das in den Flözen verbliebene, nicht freigesetzte Gas wird als Flözgas (Coal Bed Methane = CBM) bezeichnet. Die Verpressung von CO2 in Kohleflöze fußt auf den im Labormaßstab erfolgreich verlaufenen Versuchen, wonach Kohlendioxid das Methan aus den Sorptionpositionen verdrängt – dabei wird CO2 gebunden und das Flözgas kann gefördert werden (s. Steckbrief 11). Geologische Merkmale Verbreitung Die Vorkommen in Deutschland sind auf das flözführende Oberkarbon des Ruhrgebietes, des Osnabrücker Berglandes und im SaarRevier beschränkt. Die räumliche Erstreckung der Flöze beträgt viele 100 km². Geometrie Die Flöze sind schichtgebunden. Sie können horizontal oder geneigt lagern sowie an Störungsflächen versetzt sein. Tiefenlage Die Vorkommen reichen von der Erdoberfläche bis in mehrere 1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Flöze beträgt wenige Zentimeter bis mehrere Meter. Weitere Merkmale Über den Flözen müssen eine oder mehrere dauerhaft wirksame geologische Barriere/n vorhanden sein (z.B. Ton- oder Salzgesteine), die den Horizont dauerhaft abdichten und somit ein Entweichen von CO2 oder Methan in vertikaler Richtung dauerhaft verhindern. Der Methangehalt sollte >90 Vol.% betragen. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr und ggf. -entnahme Erschließung Die Kohlendioxid-Verpressung in Kohleflöze bei gleichzeitiger Gasgewinnung soll mittels Bohrungen erfolgen. Ob eine hydraulische Stimulation erforderlich ist, hängt von der jeweiligen Lithologie und den Lagerstättenverhältnissen ab. Vor der Gasförderung muss Lagerstättenwasser abgefördert werden. Tiefenbegrenzung Es kommen insbesondere Flöze in Frage, die sich in Tiefen >1600 m befinden. Raumbedarf Der Raumbedarf unter Tage beträgt mehrere km³ (bei teilweise übereinander liegenden Kohleflözen). Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen liegt bei <0,01 km2 pro Anlage, jedoch ist eine Vielzahl von Bohrplätzen erforderlich, von denen das Kohleflöz sternförmig verteilt angebohrt wird. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Das Gebirge wird von zahlreichen Bohrungen durchteuft. Weitere Auswirkungen werden derzeit untersucht. Bei Vorhandensein einer oder mehrerer dauerhaft wirksamer geologischer Barrieren keine. Nutzungsdauer Die Betriebsphase einer Kohlendioxid-Verpressung in Kohleflöze (bei gleichzeitiger Gasgewinnung) kann mehrere Jahrzehnte andauern. Die Einlagerungsdauer ist zeitlich unbegrenzt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Potenzielle Nutzungskonflikte sind zurzeit nicht erkennbar. Nachnutzungen Nachnutzungen sind derzeit nicht bekannt. Beispiele Die Verpressung von CO2 in tiefe, nicht abbauwürdige Kohleflöze wird in NW im Rahmen eines Forschungsvorhabens untersucht. PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 28 Stand: Februar 2015 Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Erdwärmesonde Definition Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Als oberflächennahe Geothermie wird die Nutzung von Erdwärme bis 400 m Tiefe bezeichnet. Die Nutzung von Erdwärme mittels Erdwärmesonden (EWS) ist aus geologischer Sicht weitgehend standortunabhängig und fast überall möglich. Der Wärmetransport erfolgt durch konduktive und konvektive Wärmeleitung aus dem umgebenden Locker- oder Festgestein in die EWS-Anlage, welche aus einem geschlossenen Rohrleitungssystem (meistens Kunststoffrohre) mit zirkulierender Flüssigkeit (Wasser, oft mit Frost- und Korrosionsschutzmittel oder Sole) und einem obertägigen Wärmetauscher sowie einer Wärmepumpe besteht. Die oberflächennahe Geothermie dient vor allem der Wärmegewinnung (Heizen, Warmwasserbereitung), aber auch der Kühlung. Geologische Merkmale Verbreitung Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie mittels Erdwärmesonden ist in Deutschland weit verbreitet. Abhängig von den geologischen Verhältnissen (z.B. bei Gefahr von Artesern) und anderen Nutzungsarten (z.B. in Trinkwasserschutzgebieten) können entsprechende Bohrungen untersagt oder hinsichtlich ihrer Tiefe begrenzt werden. Geometrie Die Wärmegewinnung erfolgt über den gesamten Gesteinsbereich, der von der Sonde durchteuft wird. Tiefenlage Die Vorkommen reichen von der Erdoberfläche bis 400 m Tiefe. Mächtigkeit Die nutzbare Bohrlänge beträgt einige 10er m bis einige 100 m. Weitere Merkmale Die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine ist unterschiedlich. Bei Lockergesteinen erhöht ein starker Grundwasserstrom die mögliche geothermische Energieausbeute bzw. -weiterleitung. Die genutzten Untergrundtemperaturen für den Tiefenbereich bis 400 m betragen im Durchschnitt 8-20°C. Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme oder -zufuhr, reversibel Erschließung Das oberflächennahe geothermische Potenzial kann durch eine oder mehrere Bohrungen mit Sondenausbau genutzt werden. Tiefenbegrenzung Per Definition ist die oberflächennahe Geothermienutzung auf den Tiefenbereich bis 400 m beschränkt. Bei größeren Tiefen können mitteltiefe und tiefe Erdwärmesonden zum Einsatz kommen (s. Steckbrief 30). Raumbedarf Der Wirkbereich einer einzelnen Erdwärmesonde ist auf die unmittelbare Umgebung um die Bohrung beschränkt und beträgt nur wenige m3. In einem Sondenfeld kann es aber auch zu einer etwas großräumigeren Beeinflussung des Temperaturfeldes kommen. Flächenbedarf Der übertägige Flächenbedarf beschränkt sich bei Einzelsonden auf maximal wenige m2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Nutzungsdauer unbegrenzt Der Betrieb erdgekoppelter Wärmepumpenanlagen bewirkt immer Temperaturänderungen im Untergrund. Bei sachgemäßer Planung und Ausführung keine. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie (Erdwärmesonden) wirkt sich i.d.R. nicht auf andere Nutzungsarten aus. Im Einzelfall sind aber folgende Nutzungskonflikte möglich. nebeneinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), weitere benachbarte Anlagen der Oberflächennahen Geothermie (Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen) übereinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Nutzung der Aquifere als Kälte-/Wärmespeicher, unterirdische Infrastrukturbauwerke nacheinander: keine Nachnutzungen keine Literatur Weitere Informationen zum Themenkomplex Geothermie sind im Internet verfügbar: www.infogeo.de/home/geothermie PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 29 Stand: Februar 2015 Oberflächennahe Geothermie (<400 m Tiefe) Grundwasserbrunnen Definition Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Als oberflächennahe Geothermie wird die Nutzung von Erdwärme bis 400 m Tiefe bezeichnet. Für die Nutzung von Erdwärme durch Grundwasserbrunnen (sogenannte Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlagen) sind die hydrogeologischen Standortbedingungen zu berücksichtigen. Der Wärmetransport erfolgt durch das Grundwasser. Die Wärme wird über einen oder mehrere Förderbrunnen, der mit einem Wärmetauscher und Wärmepumpe verbunden ist, gewonnen. Das geförderte Grundwasser wird anschließend über einen oder mehrere Schluckbrunnen in denselben Grundwasserleiter zurückgeleitet. Die oberflächennahe Geothermie dient vor allem der Wärmegewinnung (Heizen, Warmwasserbereitung) aber auch der Kühlung. Geologische Merkmale Verbreitung Grundwasser führende Gesteine sind in ganz Deutschland verbreitet, wobei die Grundwasserleiter lokal oder regional ausgebildet sein können. Geometrie Die räumliche Erstreckung von Grundwasserleitern ist sehr unterschiedlich (s. Steckbrief 08). Tiefenlage Die Vorkommen reichen von der Erdoberfläche bis 400 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Grundwasserleiter kann einige Meter bis einige 100 m umfassen. Weitere Merkmale Die wichtigsten Eigenschaften der Grundwasserleiter resultieren aus ihre lithologischen Beschaffenheit: Porenanteil bzw. Trennflächengefüge, Durchlässigkeit, Speichervermögen. Die genutzten Untergrundtemperaturen für den Tiefenbereich bis 400 m betragen im Durchschnitt 8-20°C. Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme oder -zufuhr, reversibel Erschließung Das oberflächennahe geothermische Potenzial von Grundwasserleitern kann durch zwei oder mehrere Grundwasserbrunnen genutzt werden. Tiefenbegrenzung Per Definition ist die oberflächennahe Geothermienutzung auf den Tiefenbereich bis 400 m beschränkt. Bei größeren Tiefen können geothermische Dubletten zum Einsatz kommen (s. Steckbrief 31). Raumbedarf Der unterirdische Wirkbereich richtet sich nach der Entnahme- bzw. Versenkrate und beträgt mindestens einige 10er m3. Flächenbedarf Der übertägige Flächenbedarf beschränkt sich auf wenige m2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Nutzungsdauer unbegrenzt Der Betrieb von Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlagen bewirkt immer Temperaturänderungen sowie Änderungen der hydraulischen Verhältnisse im Untergrund. Beim Betrieb von Grundwasserbrunnen kann es zudem zu Änderungen der Grundwasserbeschaffenheit, d.h. zu Änderungen der chemischen und mikrobiologischen Zusammensetzung kommen. Durch die Entnahme und das Einbringen von Grundwasser kommt es zur Bildung eines Absenk- bzw. Aufhöhungstrichters. Bei sachgemäßer Planung und Ausführung keine. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Die Nutzung der oberflächennahen Geothermie (Grundwasserbrunnen) wirkt sich i.d.R. nicht auf andere Nutzungsarten aus. Im Einzelfall sind folgende Nutzungskonflikte möglich. nebeneinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), weitere benachbarte Anlagen der Oberflächennahen Geothermie (Grundwasserbrunnen, Erdwärmesonden) übereinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Nutzung der Aquifere als Kälte-/Wärmespeicher, unterirdische Infrastrukturbauwerke nacheinander: keine Nachnutzungen keine Literatur Weitere Informationen zum Themenkomplex Geothermie sind im Internet verfügbar: www.infogeo.de/home/geothermie PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 30 Stand: Februar 2015 Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe) Hydrothermale Nutzungen (Dublette) Definition Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Die tiefe Geothermie umfasst hydrothermale und petrothermale Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird. Bei der hydrothermalen Nutzung wird Wasser aus tiefen wasserführenden Gesteinsschichten (Aquifere) gefördert; über einen Wärmetauscher wird diesem die Wärme entzogen und in einen sekundären Kreislauf (z.B. in ein Fernwärmenetz) eingespeist. Das abgekühlte Wasser wird in denselben Aquifer (Einschichtverfahren) oder einen weiteren tiefen Aquifer (Mehrschichtverfahren) in einer bestimmten Entfernung injiziert. Ein derartiges System besteht somit aus einer Förder- und einer Injektionsbohrung (Dublette). Grundsätzlich ist eine Kombination von mehreren Förder- und Injektionsbohrungen möglich. Das mit Hilfe einer Pumpe geförderte und nach der Abkühlung wieder injizierte Wasser zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf, der i.d.R. unter Druck gehalten und/oder mit Inertgas (z.B. Stickstoff) beaufschlagt werden muss, um Ausfällungen von Mineralen aus den teils hoch mineralisierten Wässern zu verhindern. Bei Temperaturen >100°C kann mittels zusätzlicher Technologien, wie einer ORC-Anlage (Organic Rankine Cycle) oder einer Kalina-Anlage (Wasser-Ammoniak-Mischung als Arbeitsmittel), Strom produziert werden. Geologische Merkmale Verbreitung Tiefliegende, zumeist Salzwasser führende Aquifere sind in Deutschland weit verbreitet (z.B. Norddeutsches Becken, Oberrheingraben, Süddeutsches Molassebecken). Geometrie Die räumliche Erstreckung von Grundwasserleitern ist sehr unterschiedlich (s. Steckbrief 08). Tiefenlage Per Definition beginnt die tiefe Geothermienutzung ab 400 m. Die hydrothermisch nutzbaren Aquifere reichen bis in mehrere 1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Grundwasserleiter beträgt einige 10er m (Norddeutsches Becken, Oberrheingraben) bis einige 100 m (Süddeutsches Molassebecken). Weitere Merkmale Ausreichendes Poren- oder Kluftvolumen, hydraulische Durchlässigkeit bzw. mögliche Förderraten, Temperatur, Mineralisation, Feststoffführung, Gasgehalte Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme, reversibel Erschließung Die Nutzung der geothermischen Energie erfolgt mittels einer Dublette, die aus einer Förder- und einer Injektionsbohrung besteht. Die Bohrungen werden häufig mit einer Säurebehandlung stimuliert, um die Zuflussbedingungen zu verbessern. Tiefenbegrenzung Mit der derzeitigen Bohrtechnologie werden Tiefen bis 5000 m erreicht. Raumbedarf Die thermischen Auswirkungen betreffen höchsten 1 km3 um die Injektionsbohrung, während die hydraulischen Auswirkungen einen deutlich größeren Raum von max. 25 km3 beeinflussen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die obertägigen Anlagen ist mit ca. 0,01 km² sehr gering. PK Nutzung tieferer Untergrund Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 Durch die Entnahme des Thermalwassers und Injektion des abgekühlten Wassers kommt es zu Druck- und Temperaturänderungen im Aquifer, die wiederum Änderungen in der chemischen Beschaffenheit sowie Änderungen der hydraulischen Verhältnisse der Grundwässer hervorrufen können. Im Rheingraben waren bislang in einigen Fällen in der Anfahrphase und im Molassebecken in einem Fall auch erst nach längerem Betrieb mikroseismische Ereignisse zu verzeichnen, die jedoch bis auf wenige Ausnahmen die Fühlbarkeitsschwelle nicht überschritten. Nutzungsdauer Die Technik der hydrothermalen Nutzung mittels Dubletten ist weitgehend ausgereift. Entsprechende Anlagen existieren in Deutschland bereits seit Jahrzehnten. Die Nutzungsdauer solcher Anlagen ist abhängig von der Auslegung bzw. den Betriebsparametern sowie vom Abstand der Endpunkte der Bohrungen. Nach Modellrechnungen liegt die theoretische Lebensdauer eines solchen Systems bei deutlich über 50 Jahren. Nach Beendigung einer hydrothermalen Nutzung erholt sich das System durch den natürlichen Wärmestrom, für eine vollständige Regeneration sind aber Zeiträume von mindestens 100 bis über 1000 Jahre erforderlich. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte können sich mit der Gewinnung von Kohlenwasserstoffen sowie mit der Untertagespeicherung bzw. der Kohlendioxid-Verpressung ergeben. Nachnutzungen keine Beispiele BW: Bruchsal BY: Aschheim, Dürrnhaar, Erding, Garching, Ismaning, Kirchstockach, München-Riem, Oberhaching, Poing, Pullach, Sauerlach, Simbach-Braunau, Straubing, Unterföhrung, Unterhaching, Unterschleißheim, Waldkraiburg, Kirchweidach, Taufkirchen, Traunreut BB: Neuruppin MV: Waren (Müritz), Neubrandenburg, Neustadt-Glewe RP: Insheim, Landau PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 31 Stand: Februar 2015 Tiefe Geothermie (>400 m Tiefe) Petrothermale Nutzungen (Tiefe EWS) Definition Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Die tiefe Geothermie umfasst hydrothermale und petrothermale Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird. In petrothermalen Systemen (Tiefe Erdwärmesonde oder HDR-Verfahren: s. Steckbrief 32) wird die im Gestein gespeicherte Energie genutzt. Sie sind also weitgehend unabhängig von wasserführenden Strukturen. Tiefe Erdwärmesonden (EWS) fördern aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit einem geschlossenen Kreislauf des Wärmeträgermediums in der Sonde die tiefe geothermische Energie an die Erdoberfläche. Sie werden nur zur Wärmeversorgung genutzt. Zu den Entzugsleistungen tiefer Erdwärmesonden existieren noch sehr wenige Erfahrungen. Geologische Merkmale Verbreitung Für die Nutzung in petrothermalen Systemen sind Gesteine mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit und ein erhöhter terrestrischer Wärmefluss günstig. In Bereichen mit einem hohen geothermischen Gradienten ist geothermische Energie besonders wirtschaftlich zu gewinnen (z.B. Norddeutsches Becken, Oberrheingraben, Molassebecken). Geometrie Tiefe EWS sind nicht an vorgegebene Strukturen gebunden. Tiefenlage Per Definition beginnt die tiefe Geothermienutzung ab 400 m („mitteltiefe“ EWS). Tiefe EWS i.e.S. sind für den Tiefenbereich ab 1000 m vorgesehen. Mächtigkeit Die „Mächtigkeit“ der geothermisch nutzbaren Zone wird nur von den technischen Möglichkeiten begrenzt. Weitere Merkmale Bei Gesteinen mit einer geringen Permeabilität von typischerweise <10-15 m2 kommt grundsätzlich nur eine petrothermale Nutzung in Betracht. Zu den wichtigen thermischen Eigenschaften zählen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität sowie die Wärmestromdichte. Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme, reversibel Erschließung Die geothermische Energiegewinnung erfolgt mittels einer Bohrung (meistens Koaxialsonden). Tiefenbegrenzung Per Definition setzt die tiefe Geothermienutzung im Tiefenbereich ab 400 m ein. Mit der derzeitigen Bohrtechnologie können Tiefen bis 5000 m erreicht werden. Raumbedarf Von den langfristigen Temperaturänderungen ist nur das unmittelbar an die EWS angrenzende Gebirge (einige 100 m3) betroffen. Flächenbedarf Der obertägige Flächenbedarf ist gering. Er beträgt ca. 200-600 m2 für den Bohrplatz und im Endausbau nur noch wenige 10er m2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Da tiefe EWS einen geschlossenen Kreislauf besitzen, erfolgt kein Eingriff in Stoffgleichgewichte des Gebirges oder des Grundwassers (bzw. des Formationswasser). Lösungs- oder Fällungsreaktionen, wie sie bei hydrothermalen Systemen oder bei HDR-Systemen auftreten können, sind ausgeschlossen. Durch den Wärmeentzug kommt es – zumindest langfristig – zu Temperaturänderungen im Untergrund. keine PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungsdauer Tiefe EWS sollten eine lange, wartungsfreie Nutzungsdauer von mindestens 30 Jahren erreichen. Seit 1994 werden in Prenzlau rund 300 kW an thermischer Leistung in das städtische Fernwärmenetz eingespeist, von denen allerdings nur ein Teil aus der Sonde stammt. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte können sich mit der Gewinnung von Kohlenwasserstoffen sowie mit der Untergrundspeicherung von Erdgas etc. bzw. der Kohlendioxid-Verpressung ergeben. Nachnutzungen keine Beispiele BB: Prenzlau 1994 BY: Arnsberg (Freizeitbad Nass) 2005 HE: Heubach im Odenwald 2013 RP: Landau 2014 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 32 Stand: Februar 2015 Tiefe Geothermie (>400 m) Petrothermale Nutzung mit Stimulation (EGS, HDR) Definition Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde (VDI-Richtlinie 4640). Die tiefe Geothermie umfasst hydrothermale und petrothermale Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird. In petrothermalen Systemen (Tiefe Erdwärmesonde: s. Steckbrief 31 oder HDR-Verfahren) wird die im Gestein gespeicherte Energie genutzt. Sie sind also weitgehend unabhängig von wasserführenden Strukturen. Hot-Dry-Rock-Systeme (HDR) die auch unter dem umfassenderen Begriff Enhanced Geothermal Systems (EGS) bekannt sind, nutzen den tieferen Untergrund als Wärmequelle zur Stromerzeugung und Wärmegewinnung. Dabei wird das natürlich vorhandene Kluftsystem (z.B. im kristallinen Grundgebirge oder in diagenetisch stark verfestigten Sedimentgesteinen) durch Aufbringen hoher hydraulischer Drücke geweitet oder es werden künstliche Risse neu geschaffen (hydraulische Stimulation). Zur Risserzeugung für die petrothermale Geothermie wird i.d.R. Wasser ohne Zusatzstoffe mit hoher Fließrate verpresst. Durch diesen künstlich geschaffenen „Wärmetauscher“ wird anschließend Wasser gepumpt, um die Gebirgswärme aufzunehmen. Geologische Merkmale Verbreitung: Für die Nutzung in petrothermalen Systemen sind Gesteine mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit und ein erhöhter terrestrischer Wärmefluss günstig. In Bereichen mit einem hohen geothermischen Gradienten ist geothermische Energie besonders wirtschaftlich zu gewinnen (z.B. Norddeutsches Becken, Oberrheingraben, Molassebecken). Geometrie: HDR-Projekte sind nicht an vorgegebene Strukturen gebunden. Tiefenlage: Per Definition beginnt die tiefe Geothermienutzung ab 400 m. Mächtigkeit: Die „Mächtigkeit“ der geothermisch nutzbaren Zone wird nur von den technischen Möglichkeiten begrenzt. Weitere Merkmale Bei Gesteinen mit einer geringen Permeabilität von typischerweise <10-15 m2 kommt grundsätzlich nur eine petrothermale Nutzung in Betracht. Zu den wichtigen thermischen Eigenschaften zählen die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität. Eine weitere wichtige Größe ist die Wärmestromdichte. Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme Erschließung Das wesentliche Merkmal der petrothermalen Nutzung ist die Schaffung von künstlichen Fließwegen im tiefen Untergrund. Es werden durch hydraulische Stimulation künstliche Risse im Untergrund geschaffen oder bestehende Klüfte erweitert, über die später die Zirkulation von Wasser zwischen 2 Bohrungen möglich ist. Die Risse dienen dabei einerseits als hydraulische Verbindung zwischen den Bohrungen und andererseits als Wärmetauscher, über die dem heißen Gestein Wärme entzogen wird. Tiefenbegrenzung Aus technisch-ökonomischen und geologischen Gründen können EGS nur in Tiefen von ca. 1000 m bis 7000 m zum Einsatz kommen. Zur wirtschaftlichen Nutzung der tiefen Geothermie wird dabei ein Temperaturbereich von 150-250°C anvisiert. Raumbedarf Für eine petrothermale Anlage mit einer Leistung von 10 MW el ist ein untertägiger Raum von ca. 0,5 km3 ausreichend. Flächenbedarf Der Flächeninanspruchnahme für eine einzelne Geothermieanlage liegt bei ca. 0,01 km2, wobei ausgehend von einem Bohrplatz mehrere Bohrungsäste stark abgelenkt (bis in die Horizontale) sein können. PK Nutzung tieferer Untergrund Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Stand: Februar 2015 Das Gebirge wird mit Bohrungen durchteuft und mittels hydraulischer Stimulation die Permeabiltiät der Zielformation erhöht. Die rückgeförderten Tiefenwässer sind i.d.R. bezüglich bestimmter Minerale übersättigt und neigen daher zu Ausfällungen im Bohrloch. Zur Vermeidung muss die Wasserzirkulation bei den HDR-Systemen in einem geschlossenen Kreislauf mit Überdruck erfolgen. Bei HDR-Systemen sind infolge der Stimulationsverfahren im Rahmen von Testarbeiten und im Betrieb mikroseismische Ereignisse zu verzeichnen, die jedoch bis auf wenige Ausnahmen die Fühlbarkeitsschwelle nicht überschritten. Nutzungsdauer Über das Langzeitverhalten der Klüfte und der Gesteinsmatrix im Zuge des Betriebs einer HDR-Anlage gibt es bislang wenige Untersuchungen; praktische Erfahrungen liegen nicht vor. Möglicherweise dichten sich die Kluftflächen gegenüber der Gesteinsmatrix während der langen Injektionszeiten ab. In der Gesteinsmatrix ist verstärkt mit Alterationsreaktionen (Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen) oder der Bildung von Sekundärmineralen (Tonminerale) zu rechnen, wodurch sich die Porosität der Gesteinsmatrix reduzieren kann. Es ist derzeit nicht bekannt, welche Auswirkungen diese Vorgänge auf die Lebensdauer einer HDRAnlage haben. Nutzungskonflikte Nutzungskonflikte können sich mit der Gewinnung von Kohlenwasserstoffen sowie mit der Untergrundspeicherung von Erdgas etc. bzw. der Kohlendioxid-Verpressung ergeben. Insbesondere ist eine direkte Verbindung über Risse oder eine thermische Beeinflussung auszuschließen. Bei vorhandenen hydraulischen und Spannungsbarrieren, einem ausreichenden Abstand zur Vermeidung der thermischen Beeinflussung sowie Gewährleistung der entsprechenden Integrität der Bohrungen ist eine Stockwerksnutzung verschiedener Nutzungsformen am gleichen Standort möglich. Nachnutzungen keine Beispiele Forschungsvorhaben, aber nicht in Betrieb: Genesys-Projekt Hannover (NI) und In-situ-Labor Groß Schönebeck (BB) PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 33 Stand: Februar 2015 Nutzung von Aquiferen als Kälte-/Wärmespeicher Definition Oberflächennahe, aber auch tiefe Grundwasserleiter können als saisonale Kälte/Wärmespeicher betrieben werden. Dafür werden mindestens zwei Bohrungen bis in den gleichen Nutzhorizont abgeteuft, deren Abstand so groß ist, dass eine gegenseitige thermische Beeinflussung ausgeschlossen wird. Beide Bohrungen sind mit Pumpen sowie einem Injektionsstrang ausgestattet, die das Durchströmen der Anlage in beide Richtungen erlauben. Wärmetauscher sind im übertägigen Rohrleitungssystem integriert. Sie ermöglichen das Einlagern und die Entnahme von Energie. Das aus der „kalten“ Bohrung entnommene Wasser wird im Sommer mit Wärme (aus Kühlprozessen, Solaranlagen, der Kraft-Wärme-Kopplung usw.) beladen und in die „warme“ Bohrung injiziert, wodurch sich der Aquifer erwärmt. Im Winter wird das erwärmte Wasser dann mit umgekehrter Strömungsrichtung abgefördert. Geologische Merkmale Verbreitung Oberflächennahe Grundwasserleiter sind mit Ausnahme weniger Gebiete in Deutschland weit verbreitet. Tiefere Aquifere sind insbesondere im Norddeutschen Becken, im Oberrheingraben und im Süddeutschen Molassebecken großflächig vorhanden. Geometrie Die räumliche Erstreckung von Grundwasserleitern ist sehr unterschiedlich (s. Steckbrief 08). Tiefenlage Die Aquifere reichen häufig bis in mehrere 100 m, teilweise bis in >1000 m Tiefe. Mächtigkeit Die Mächtigkeit der Grundwasserleiter kann einige Meter bis einige 100 m umfassen. Weitere Merkmale Lage und Neigung des Grundwasserspiegels, hydraulische Durchlässigkeit, Strömungsgeschwindigkeit und -richtung, Temperatur, Mineralisation, Feststoffführung, Gasgehalte Technologische Faktoren Nutzungsart Energiezufuhr und -entnahme, zyklisch Erschließung Die Nutzung von Aquiferen als Kält-/Wärmespeicher erfolgt mittels einer Dublette, die aus einer Förder- und einer Injektionsbohrung besteht. Tiefenbegrenzung Als saisonale Kälte-/Wärmespeicher werden hydraulisch gut durchlässige Horizonte bis ca. 1500 m Tiefe genutzt. Raumbedarf Die thermischen und hydraulischen Auswirkungen können bis in einige 100 m Entfernung um die Bohrungen nachweisbar sein. Flächenbedarf Der Flächenbedarf der Tagesanlagen ist mit <0,01 km2 sehr gering. Weitere Kriterien Das injizierte bzw. geförderte Wasser zirkuliert übertägig in einem geschlossenen Kreislauf, der ggf. unter Druck gehalten werden muss, um Ausfällungen von Mineralen aus hoch mineralisiertem Wasser zu verhindern. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Durch die Injektion des Kalt- bzw. Warmwassers kommt es zu Druckund Temperaturänderungen im Aquifer, die wiederum Veränderungen des hydrochemischen Gleichgewichts und damit Änderungen der Grundwasserbeschaffenheit sowie Veränderungen der hydraulischen Verhältnisse hervorrufen können. keine Nutzungsdauer Seit über 15 Jahren werden in Deutschland Aquiferspeicher genutzt. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Bei der Nutzung oberflächennaher Aquifere sind folgende Nutzungskonflikte möglich. nebeneinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), weitere benachbarte Anlagen der Oberflächennahen Geothermie (Grundwasserbrunnen, Erdwärmesonden) übereinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser), Grundwassergewinnung (Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Nutzung der Aquifere als Kälte-/Wärmespeicher, unterirdische Infrastrukturbauwerke nacheinander: keine Bei der Nutzung tiefer, salinarer Aquifere als Wärmespeicher könnten sich Konkurrenzsituationen mit der Untertagespeicherung von Erdgas etc. bzw. der Kohlendioxid-Verpressung ergeben. Nachnutzungen keine Beispiele BE: Ein kombinierter Kälte- und Wärmespeicher für den Reichstag und weitere Regierungsgebäude wurde zwischen 1997 und 2003 stufenweise ausgebaut. MV: Der mit ca. 1200 m weltweit tiefste Wärmespeicher nahm im März 2004 seinen Betrieb in Neubrandenburg auf. Thermalwasser aus der „kalten“ Bohrung wird mit ca. 47°C gefördert, obertägig erwärmt und dieses anschließend mit ca. 85°C in der „warmen“ Bohrung eingespeichert. Die Fördertemperaturen sinken in den Ausspeicherphasen nicht unter 70°C. Während der Ein- und Ausspeicherphasen werden Förderraten von durchschnittlich 80-90 m3/h realisiert. Bei einer Einspeicherung von etwa 3,0 MW können bis 2,5 MW zurückgewonnen werden. Literatur BINE Projektinfo 13/2003 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 34 Stand: Februar 2015 Energetische Nutzungen in ehemaligen Bergwerken Definition Die energetische Nutzung von bergbaulichen Stollen und Strecken zur regenerativen Energiegewinnung bzw. zur Kühlung erfolgt vor allem auf geothermischem Wege über Wärmeentzug aus Grubenwässern. Eine weitere Nutzung besteht in der Kühlung oberirdischer Gebäude mittels eingebrachter Grubenluft. Fließende Grubenwässer dienen zudem zur Stromerzeugung über Turbinen unter Ausnutzung der Potenzialdifferenz zwischen unterschiedlichen Grubenwasserniveaus. Geologische Merkmale Verbreitung Energetische Nutzungen können in auflässigen, Grundwasser oder auch Luft erfüllten Grubenbauen, insbesondere in Bereichen mit positiven Temperaturanomalien erfolgen. Geometrie Die energetische Nutzung ist nur an das Grubengebäude gebunden. Tiefenlage Bergwerke sind bis 1600 m Tiefe aufgefahren. Mächtigkeit Innerhalb von bewetterten, wasserfreien Stollen oder über die gesamte Höhe des mit Grubenwasser erfüllten Bergwerkes, maximal einige 100 m. Weitere Merkmale Die Energiegewinnung wird erst ab einer Temperatur >8°C wirtschaftlich. Zu den wichtigen thermischen Eigenschaften zählen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Wärmestromdichte. Zur Kühlung mittels Grubenluft sind konstante Temperaturen Voraussetzung. Für die Stromerzeugung sind ein Mindestgefälle von einigen Metern sowie ein freier Ablauf des Grubenwassers über Wasserlösestollen notwendig. Technologische Faktoren Nutzungsart Energieentnahme oder -zufuhr Erschließung Der Zugang zu den ehemaligen Grubenbauen erfolgt i.d.R. über aufgegebene Tagesschächte, Stollenmundlöcher oder Bohrungen. Der Wärmeentzug kann entweder über Bohrlöcher und der Förderung des Grubenwassers, den Einbau von Sonden in das Grubenwasser über Bohrungen oder die Platzierung des Wärmetauschers in der fließenden Welle des Grubenwassers erfolgen. Kühlung mittels Grubenluft erfolgt über Turbinen bzw. über offene Schächte durch natürliche Bewetterung. Tiefenbegrenzung Eine energetische Nutzung ehemaliger Grubengebäude ist abhängig vom Grundwasserniveau und der Ausbautiefe des Bergwerkes bis über 1000 m, vielfach aber nur oberflächennah. Raumbedarf Das vorhandene Grubengebäude kann maximal einige km³ Größe umfassen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf der Tagesanlagen beträgt wenige m2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Nutzungsdauer unbegrenzt Energetische Nutzungen in ehemaligen Bergwerken können Änderungen der Grundwassertemperatur, des Redox-Potenzials, des Sauerstoffgehaltes und des pH-Wertes bewirken. Dies führt unter Umständen zu Veränderungen im Chemismus und damit zu Fällungsreaktionen. Außerdem ist ggf. eine Störung vorhandener Schichtung des Grubenwassers möglich. keine PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Bei der Nutzung von Grubenwassergeothermie sind folgende Nutzungskonflikte möglich. übereinander: KW-Gewinnung, Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser sowie Mineral-, Heil- und Thermalwasser), Versenkung von Prozess- und Lagerstättenwässern nebeneinander: Grundwassergewinnung (Trink- und Brauchwasser sowie Mineral-, Heil- und Thermalwasser), benachbarte Geothermieanlagen nacheinander: keine Energetische Nutzungen der Grubenluft und des fließenden Grubenwassers besitzen als Sonderfälle nur ein geringes Konfliktpotenzial. Nachnutzungen keine Beispiele NW: Bochum (Geothermie) RP: Bad Ems (Geothermie) SN: Ehrenfriedersdorf und Freiberg (Grubenluft und Geothermie), Marienberg und Bad Schlema (Geothermie), Brand-Erbisdorf (Stromerzeugung) PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 35 Stand: Februar 2015 Tourismus in stillgelegten Bergwerken oder Objekten des Altbergbaus Definition Bergwerke für die Gewinnung von mineralischen Rohstoffen, Kohle und Salz im Tiefbau können als Schau- bzw. Besucherbergwerke für touristische und didaktische Zwecke nachgenutzt werden. Derartige Schaubergwerke wurden häufig in seit langer Zeit stillgelegten, historischen Abbauen eingerichtet, wobei hier oft nur vergleichsweise kurze Besucherstollen zugänglich sind. In den letzten Jahrzehnten wurden aber auch Bergwerke unmittelbar nach der Stilllegung zur Nachnutzung als Schaubergwerke umgerüstet. Manche Schaubergwerke zeigen auch Teile aktiver Bergwerke oder sind in stillgelegten Teilen aktiver Bergwerke eingerichtet. Geologische Merkmale Siehe Beschreibungen in den Steckbriefen 01 (Gewinnung mineralischer Rohstoffe im Tiefbau), 02 (Kohlebergbau) und 03 (Salzbergbau). Technologische Faktoren Wesentlich für eine derartige Nachnutzung ist, dass die entsprechenden sicherheitstechnischen Voraussetzungen erfüllt sind. Der Raum- und Flächenbedarf ist i.d.R. geringer als bei in Betrieb befindlichen Bergwerken. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Eine vorhandene Wasserhaltung muss – wenn auch ggf. in reduziertem Umfang – aufrechterhalten werden, was eine Grundwasserabsenkung im Umfeld des Schaubergwerks bedingt. keine Nutzungsdauer Eine Nutzung ist solange möglich, wie in den Erhalt des Grubengebäudes investiert wird und die sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllt werden. Nutzungskonflikte keine Nachnutzungen keine Beispiele In Deutschland gibt es weit über 100 Schau- bzw. Besucherbergwerke: http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Schaubergwerken PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 36 Stand: Februar 2015 Pumpspeicherwerke Definition Ein Pumpspeicherwerk (PSW) dient zur Speicherung von Energie durch das Hinaufpumpen von Wasser von einem niedrigeren in ein höheres Niveau. Ein PSW besteht üblicherweise aus einem Oberbecken und einem durch eine Rohrleitung verbundenen Unterbecken (ein natürliches Gewässer oder ein bergbaulicher Hohlraum kann die Funktion des Unterbeckens ebenfalls erfüllen). Unter Ausnutzung der Potentialdifferenz zwischen Ober- und Unterbecken kann mittels einer Turbine elektrische Energie gewonnen werden. Aus dem Unterbecken wird das Oberbecken wieder gefüllt. Somit entsteht ein zyklischer Speicherbetrieb. Anlagenteile eines PSW können unterirdisch angelegt sein (meistens die Druckrohrleitung und eine Turbinenkaverne). Geologische Merkmale Verbreitung Die Anlage eines PSW erfordert eine Höhendifferenz zwischen Oberund Unterbecken. Geometrie An die Geometrie eines PSW sind keine spezifischen Anforderungen gestellt. Tiefenlage Die Tiefenlage eines Unterbeckens hängt von der Höhendifferenz ab, die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlich ist. Mächtigkeit Bei den in Betrieb befindlichen PSW beträgt die Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterbecken maximal 400 m. Bei Planungen für unterirdische PSW kommen Höhendifferenzen von einigen 100 m in Betracht. Technologische Faktoren Nutzungsart Stoffzufuhr- und -entnahme, zyklisch Erschließung Im Untergrund werden für die Errichtung eines PSW bergmännisch gesicherte Schächte, Stollen sowie Kavernen überarbeitet und teilweise neu aufgefahren. Bei Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen sind die allgemein anerkannten Regeln der Technik, insbesondere die Festlegungen der DIN 19700 im Hinblick auf die ingenieurgeologischen Parameter zu beachten. Tiefenbegrenzung Aufgrund der Korrelation mit dem Bergbau sind Tiefen bis 1600 m für die Anlage eines Unterbeckens (ggf. als Kaverne) denkbar. Raumbedarf Der untertägige Raumbedarf beträgt bei den in Betrieb befindlichen PSW (Druckstollen und Turbinenkaverne) einige 1000 m3. Falls Speicherbecken unter Tage angelegt werden, kann der Raumbedarf bis mehrere Millionen m³ betragen. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen liegt bei <0,5 km2 pro Anlage (Ausdehnung von Ober- und Unterbecken). Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Bei der Anlage bzw. beim Ausbau vorhandener Grubenbaue/Kavernen für ein PSW entstehen unterirdische Hohlräume. Bei der Errichtung von unterirdischen Hohlräumen kann es zu Senkungen an der Erdoberfläche kommen. Durch den Bau von oberirdischen Staubecken wird zudem das Landschaftsbild nachhaltig verändert. Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer der Stauanlagen ist grundsätzlich auf etwa 100 Jahre angelegt. Bei entsprechenden Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen kann die Nutzungsdauer deutlich erhöht werden. PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Nutzungskonflikte Es bestehen Nutzungskonflikte mit allen Nutzungen, die die Funktionstüchtigkeit und die Standsicherheit eines PSW nachteilig beeinflussen. Nachnutzungen keine Beispiele HE: Waldeck I und II TH: Goldisthal SN: Markersbach PK Nutzung tieferer Untergrund Steckbrief 37 Stand: Februar 2015 Tunnel (und andere unterirdische Infrastrukturbauwerke) Definition Ein Tunnel (oder Tunnelbauwerk) ist eine künstliche Passage, die Berge, Gewässer oder andere Hindernisse (in der Regel als Verkehrsweg) unterquert. Ein Tunnel liegt – abgesehen von der Zu- und Ausfahrt – unterhalb der Erd- und/oder Wasseroberfläche (vgl. DIN 1076). Zu den weiteren unterirdischen Infrastrukturbauwerken zählen u.a. Bunkeranlagen etc. Geologische Merkmale Tunnelbauwerke wurden und werden entsprechend der wirtschaftlichen und verkehrstechnischen Anforderungen in allen Teilen Deutschlands sowohl in Locker- als auch in Festgesteinen errichtet. Das Gebirge ist beim Tunnelbau nicht nur Baugrund sondern zugleich Baustoff, mittragendes Element (Widerstand) und gleichzeitig Belastung (Einwirkung). Geologische Schwachstellen im Gebirge (z.B. tektonische Störungen, Verwitterungs- und/oder Verkarstungsbereiche, Gebiete mit Hangbewegungen bzw. ungünstigen Wasserverhältnissen) beeinflussen den Tunnelbau und müssen im Vorfeld bei der Erkundung möglichst genau erfasst werden. Technologische Faktoren Nutzungsart Errichtung von unterirdischen Infrastrukturbauwerken Erschließung Im Untergrund werden unterirdische Anlagen (Tunnel etc.) bergmännisch oder mittels Tunnelvortriebsmaschinen aufgefahren. Bei Planung, Bau und Betrieb dieser technischen Bauwerke sind die einschlägigen Regelwerke im Hinblick auf die ingenieurgeologischen Parameter zu beachten. Tiefenbegrenzung Tunnel und andere unterirdische Infrastrukturbauwerke können in Tiefen von wenigen Metern bis mehreren 100 m errichtet werden. Raumbedarf Der Raumbedarf unter Tage ist auch bei möglichen Tunnellängen von >50 km durch die Eigenschaft als Linienbauwerk relativ gering. Flächenbedarf Der Flächenbedarf für die Tagesanlagen beträgt während der Bauphase maximal 0,02 km2. Auswirkungen Im Untergrund An der Oberfläche Im Untergrund werden Stollen (ggf. in Verbindung mit Schächten und/oder Kavernen) aufgefahren und ausgebaut. Bei der Errichtung und dem Betrieb des Tunnels kann es zu Veränderungen der Grundwasserverhältnisse kommen. Während der Bauphase sind Verbrüche der Tunnelröhre und der Ortsbrust sowie Wassereinbrüche möglich. Bei der Errichtung von unterirdischen Hohlräumen kann es zu Senkungen und Tagesbrüchen an der Oberfläche kommen (besonders problematisch unter Bebauung). Trockenlegung von Feuchtgebieten durch Gebirgsentwässerung ist möglich. Im Bereich der Portale etc. wird das Landschaftsbild verändert. Nutzungsdauer Die Nutzungsdauer von Tunnelbauwerken ist grundsätzlich auf einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten angelegt. Häufig werden die Bauwerke aber auch >100 Jahre genutzt. Nutzungskonflikte Es bestehen Nutzungskonflikte mit allen Nutzungen, die die Funktionstüchtigkeit und die Standsicherheit eines Tunnels nachteilig beeinflussen, insbesondere die zu Geländesenkungen, seismischen Erschütterungen oder ungünstigen Wasserverhältnissen führen können. Da Tunnel die Wasserführung des Gebirges verändern, bestehen ggf. Nutzungskonflikte mit der Grundwassergewinnung. Weiteres Konfliktpotenzial ist bei der gleichzeitigen Nutzung des unterirdischen Raumes durch Bergbau, Anlagen zur Nutzung der oberflächennahen PK Nutzung tieferer Untergrund Stand: Februar 2015 Geothermie oder durch tiefreichende Gründungen von Hochhäusern in Städten (Stichwort: U-Bahnbau in Frankfurt/Main) vorhanden. Konkurrenzsituationen können sich auch bei der gleichzeitigen Nutzung des Untergrundes für verschiedene Verkehrssysteme (z.B. Bahn- und Straßenverkehr) ergeben. Nachnutzungen Pilzzucht, Bunker Beispiele HE: Schiffstunnel Weilburg a.d. Lahn, Landrückentunnel (Bahn) HH: Elbtunnel (Straße) TH: Rennsteigtunnel (Straße)
