Risse im Granit als geologischer Wärmetauscher

[BINE Informationsdienst - 07.07.2014] Risse im Granit als geologischer Wärmetauscher

In Deutschland steckt geothermische Wärme überwiegend im dichten, festen Gestein in mehreren Tausend Metern Tiefe. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe untersucht gemeinsam mit Partnern die technischen Grundlagen, diese Wärme künftig zu nutzen. In dieser Studie liegen die Herausforderungen darin, die Umsetzung des Multiriss-Konzepts zu prüfen, eine optimale Bohrtechnik zu finden sowie Simulationsmodelle zu entwickeln.
Die natürliche Wärme aus dem Erdinnern lässt sich in geothermischen Wärmenetzen und Kraftwerken nutzen. Voraussetzung dafür ist, in der Tiefe ein geothermisches Reservoir zu finden, in dem die Temperatur zwischen 150 und 200 C liegt und aus welchem sich eine ausreichende Wassermenge fördern lässt. Im festen Gestein findet sich ein derartiges Temperaturspektrum in vielen Regionen Deutschlands in einer Tiefe zwischen 4.000 und 5.000 Metern. Gesteine anzubohren, beispielsweise Granit, ist technisch anspruchsvoll. Die Härte des Gesteins, die Tiefe, die Temperatur und die erforderliche Ablenkung der Bohrung nach der Seite verschleißen das Material.
Für eine geothermische Nutzung werden mindestens zwei Tiefbohrungen niedergebracht. Durch die Injektion von Wasser unter hohem Druck bilden sich in diesen Schichten Riss-Systeme aus. Dabei ist das Ziel, beide Bohrungen an mehreren Stellen mit vielen kleinen Rissen, anstelle eines großen, zu verbinden. Diese hydraulischen Verbindungen zwischen den Bohrungen werden daher Multiriss-Konzept genannt. So entsteht ein geologischer Wärmetauscher. Über eines der Bohrlöcher wird kaltes Wasser in die Tiefe injiziert. Dieses erwärmt sich beim Durchströmen der Risse. Anschließend gelangt das nun heiße Wasser über die zweite Bohrung wieder an die Oberfläche.
Wissenschaftler untersuchen in einer Konzeptstudie die geologischen und technischen Grundlagen für derartige petrothermalen Anlagen unter den typischen geologischen Bedingungen in Deutschland. Ziele des Projekts sind, das Multiriss-Konzept, die Bohrtechnik und das Design des Wärmetauschers zu optimieren. Außerdem wird die Steuerung der Riss-Ausbreitung und das Langzeitverhalten erforscht. Weitere Aspekte sind die Entwicklung eines Simulationsmodells sowie die Minimierung induzierter seismischer Vorgänge. Die Studie "Erschließung petrothermaler Geothermiereservoire" führen die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), die Technische Universität Bergakademie Freiberg und das Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) durch.
Rissausbreitung lenken
Die Forschungspartner tragen das weltweit vorhandene Wissen über geeignete Bohrverfahren für das Multiriss-Konzept zusammen. Diese Bohrverfahren erfordern besonders in kristallinem Gestein einen höheren Aufwand als Standard-Bohrungen, weil sie über weite Strecken als stark abgelenkte Bohrung oder als Horizontal-Bohrung niedergebracht werden. Im Vergleich zum Bohren in Sediment-Gestein liegt hierzu nur wenig Erfahrung vor.
Von den Bohrungen aus werden durch unter hohem Druck injiziertes Wasser viele kleine Risse erzeugt, um künstliche Fließwege zu schaffen. Die dabei eingesetzten Frac-Technologien bilden einen weiteren Schwerpunkt der Studie. Bei diesem Prozess hängen Länge und Richtung der entstehenden Risse von den hydraulischen, geologischen und mechanischen Parametern der Gesteine ab. Ein Beispiel sind die im Tiefengestein wirkenden Kräfte und der hieraus resultierende Verlauf der Spannungen. Dabei fließen sowohl bei den Bohrverfahren als auch bei den Frac-Verfahren die Erfahrungen der Erdöl- und Erdgas-Industrie in die Untersuchung ein.
Geologische Wärmetauscher über lange Zeit nutzen
Die Wissenschaftler suchen zudem nach Konzepten zur Steuerung multipler Riss-Systeme. Damit das System nicht vorzeitig auskühlt, müssen alle Risse annähernd gleich durchströmt werden, eine stabil hohe Fließrate vorliegen und die Wege für das Wasser über eine ausreichende Länge verfügen. Für den erfolgreichen langfristigen Betrieb sind daher die Geometrie des Riss-Systems und die hydraulischen Verhältnisse entscheidende Faktoren. Ein Einbau von Ventilen kann beispielsweise das gleichmäßige Durchströmen fördern.
Weiterhin werden Methoden gesucht, um mögliche seismische Auswirkungen des Verfahrens zu minimieren. Diese können entstehen, da die Frac-Operationen unter hohem Druck durchgeführt werden und das tiefe Gestein unter Spannung steht. Im Verlauf der Arbeiten können sich diese Spannungen lösen und kleine Erderschütterungen auslösen, sogenannte mikroseismische Ereignisse. Um dies zu verhindern, arbeiten die Partner daran, bereits im Planungsstadium mögliche seismische Auswirkungen der Frac-Operationen präziser zu prognostizieren.
Die Ergebnisse der Konzeptstudie fließen in Reservoir-Modelle ein. Diese bilden sowohl die geologischen Eigenschaften der Gesteine, die Frac-Operationen und die Fließwege ab. Damit kann zum Beispiel die Riss-Ausbreitung modelliert und deren Interaktionen während der Bruchprozesse bestimmt werden. Die Planer geothermischer Anlagen können mit dieser Entscheidungshilfe verschiedene Varianten der Frac-Operationen und das Langzeitverhalten des Wärmespeichers berechnen. Die Studie wird bis Winter 2014 fertig gestellt und veröffentlicht.

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