Forschungsprojekt "Geothermie Allgäu 2.0 - Stimulationsexperiment im Malmkalk in einer tiefen Geothermiebohrung in Mauerstetten"

Verbund-Forschungs-Projektgruppe

  • EXORKA GmbH, Grünwald
  • Technische Universität Bergakademie Freiberg
  • Deutsche Geoforschungszentrum, Potsdam
  • mit Verbundpartnern aus der Industrie

Forschergruppe der TU Bergakademie Freiberg

  1. Institut für Geologie
    Prof. Dr. Broder Merkel
  2. Institut für Geotechnik
    Prof. Dr. Herbert Klapperich
  3. Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
    Prof. Dr. Mohd Amro

Die Vision

 "Sollten einst auf der mehr oder weniger bevölkerten Erde die Wälder so stark gelichtet und die Kohlenlager erschöpft sein, so ist es wohl denkbar, dass man die Innenwärme der Erde sich mehr und mehr dienstbar macht, dass man sie durch besondere Vorrichtungen in Schächten oder Bohrlöchern zur Oberfläche leitet und zur Erwärmung der Wohnungen oder selbst zur Heizung von Maschinen verwendet."
(Carl Bernhard von Cotta, 1858) TU Bergakademie Freiberg
[Quelle: Universitätsbibliothek Freiberg]

Ziele und Aufgaben der Instiute im Verbundprojekt

  • Evaluierung Status Quo/Datensichtung und Bewertung
  • Analogversuche an Probenmaterial/Laborversuche Mechanik, Geologie, Hydraulik und Chemie
  • Machbarkeitseinschätzung von Stimulationsmaßnahmen
  • Validierung der Machbarkeitseinschätzung

Evaluierung Status Quo/Datensichtung und Bewertung

Im Rahmen der Auswertung der vorhandenen Daten hat die TU BAF die Aufgabe übernommen, anhand von Analog-Probenmaterial Laborversuche durchzuführen und auszuwerten. Dazu erfolgte zunächst eine umfangreiche Grundlagenermittlung und Analyse vorhandener Daten als Ausgangspunkt für die weiteren notwendigen Untersuchungen. Im Zuge der Vorbereitung für die wissenschaftlichen Untersuchungen wurden Gesteinsproben als Analogaufschlüsse aus vergleichbaren Steinbrüchen gewonnen. Diese werden an unseren Instituten unterschiedlichen Laboruntersuchungen unterzogen.

Analogversuche an Probenmaterial/Laborversuche Mechanik, Geologie, Hydraulik und Chemie

A. Institut für Geologie

Wer sind wir?

Die Menschheit benötigt Resourcen wie Boden, Luft, Lebensmittel und Rohstoffe wie Energie und Wasser. Die Freiberger angewandten Geowissenschaften befassen sich mit der Erforschung, der Überwachung und dem Management dieser primären Ressourcen. Und nur ein grundlegendes Verständnis des Systems Erde kann lebensbedrohende Risiken wie Erdbeben, Vulkanausbrüche und Klimaveränderungen beurteilen und vermeiden helfen.

Die Freiberger Grundlagen-forschenden Geowissenschaften erarbeiten die fundamentalen Regeln natürlicher Systeme, in denen physikalische, chemische und biologische Prozesse in einem extremen Spektrum von Zeit und Raum ablaufen. Forschung wird im globalen Maßstab im Bereich der Ozeane, der Lithosphäre, und des Mantels durchgeführt, sowie in einer großen Zahl kleiner Systeme wie Ökotope, Lagerstätten, hydrologische Systeme, Vulkane und aktive Störungen.

Unsere Aufgaben im Verbundprojekt

An unserem Institut werden Versuche im Autoklaven (das sind gasdichte Druckbehälter) mit CO2 (mit und ohne Wasser) unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt. Ziel ist es, Aussagen zur Stimulation auf Basis chemischer Prozesse mit Wasser und CO2 sowie nur überkritischem CO2 zu erhalten. Nach Beendigung der Versuche werden die Proben hinsichtlich visueller/optischer Änderungen, Lösungsvorgängen und Rissbildung untersucht sowie die überstehende Lösung massenspektrometrisch analysiert.

Danach werden die Resultate mit auf die in-situ-Bedingungen angepassten Versuchsparametern konkretisiert.

Weiterhin werden an unserem Institut Lösungsversuche unter den interessierenden Druck- und Temperaturbedingungen zur chemischen Thermodynamik und der Reaktionskinetik von Carbonaten (Kalken) und den Mergeln am Bohrklein und dem Analogmaterial durchgeführt.

B. Institut für Geotechnik

Wer sind wir?

Das komplexe Feld der GEOTECHNIK wird in Forschung und Lehre durch die drei Säulen

  • Bodenmechanik, bergbauliche Geotechnik und Grundbau
  • Gebirgs- und Felsmechanik/Felsbau
  • Ingenieurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren

synergetisch abgebildet und gelehrt.

Das Umfeld unserer Bezugs- und Wechselwirkungsgröße wird durch das BAUwesen und die gerade am Freiberger Standort so ausgeprägte Präsenz der GEO-Institutionen, wie das gemeinsam mit der Wirtschaft gegründete Geokompetenzzentrum Freiberg (GKZ), bestimmt.

Die Bedeutung der Befassung mit der Umwelt und Problemlösungen unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten bei technischer Erforschung und Machbarkeit in unserem Institut wird durch die Gründung des "CiF - Kompetenz-Zentrums für interdisziplinäres Flächenrecycling & erneuerbare Energien e. V." gemeinsam mit Professoren-Kollegen der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften deutlich.

Unsere Aufgaben im Verbundprojekt

In unserem Institut werden sämtliche mechanisch/physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Festigkeit, Verformungsverhalten bestimmt. Die laborativen Untersuchungen beinhalten die fachspezifischen Methoden der Ingenieurgeologie sowie der Fels-/Gebirgs- und Bodenmechanik. Die Untersuchungen werden zunächst an leicht gewinnbaren Analogproben durchgeführt. In einer zweiten Versuchsreihe werden die Ergebnisse an Kernbohr-Material aus den Aufschlüssen am Bohrloch verifiziert. Hier liegen dann die reale Matrix-Struktur vor sowie konkrete Randgrößen wie Hauptspannungsfeld und fazielle Ausbildung (GFZ-Untersuchungen).

Dokumentation der Arbeiten - Versuchsbeschreibung 

C. Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau

Wer sind wir?

Παντα ρει
Panta rhei - Alles fließt (im Untergrund)
Grundwasser, Wärme, Erdöl, Erdgas ...

  • Energie für unser Land - effizient, sauber und bezahlbar - ist eine Hauptaufgabe unserer Forschung.
  • Deshalb ist neben Erdgasgewinnung, Energiespeicherung auch die Nutzung von Erdwärme unser Ziel.
  • Erdwärme bei hohen Temperaturen ist nur in Form von Heißwasser oder Heißdampf aus großer Tiefe (größer 2,5 km) gewinnbar.
  • Dazu muss das Gestein durchlässig sein in Form von offenen Poren, Klüften und Rissen. Dies stellt uns die Natur aber nur in ausgewählten Gebieten bereit (z. B. Malmkarst im Raum München).

Unsere Aufgaben im Verbundprojekt

  1. Die Bestimmung der Porosität und der Durchlässigkeit der Gesteine im Labor
  2. Testversuche in der Tiefbohrung Mauerstetten interpretieren (Wasser einpressen, Wasser fördern, Druckverlauf messen), um daraus die Gesteinseigenschaften in der Tiefe zu bestimmen
  3. Entwicklung Technischer Verfahren zum Offenhalten bzw. Erzeugen von Klüften

Dokumentation der Arbeiten - Versuchsbeschreibung

Machbarkeitseinschätzung von Stimulationsmaßnahmen

In diesem Arbeitsschritt werden die Ergebnisse der Laborarbeiten, der vorbereitenden Simulationen und die eigenen Erfahrungen laufend in die Planung der Feldarbeiten eingebracht, die Feldversuche analysiert und ggf. Änderungen vorgeschlagen. Dies erfolgt unter Einbeziehung der Unsicherheiten der Modellrechungen bzw. der Messdaten, so dass alle Aussagen mit einer Wahrscheinlichkeit ausgestattet sind.

Validierung der Machbarkeitseinschätzung

Unter Validerung wird die Überprüfung des Modellergebnisses an Hand verbliebener Daten (die nicht für die Kalibrierung verwendet wurden) oder mit Hilfe von Plausibilitätskriterien verstanden. Welche der beiden Methoden eingesetzt wird, muss fallweise entschieden werden und hängt auch von der Datendichte ab. Letztlich geht es darum, zu bewerten wie gut oder schlecht ein Modell den Naturraum oder den Prozess bzw. die Einheit unter Berücksichtigung der Unschärfen der Parameter und Randbedingungen beschreiben kann. Am Ende des Stimulationstests wird deshalb die Machbarkeitseinschätzung überprüft und evaluiert, um die Parameter und Randbedingungen hinsichtlich ihrer Sensitivität und Eignung für prognostische Zwecke zu beurteilen. Aus der Validierung ergeben sich auch Aussagen hinsichtlich der Einschätzung der Stimulierbarkeit unterschiedlicher stratigraphischer Abschnitte mit unterschiedliche Methoden in den Wechsellagerungen. Dies ist eine wichtige Aussage für mögliche weitere Stimulationsaktivitäten in einem Folgeprojekt.