Umsetzung: Wie sind die Forschungen angelegt?

Mit INSIDE adressieren IEP, SWM und KIT Fragestellungen zu induzierter Seismizität und Bodendeformation im Umfeld von Geothermiebohrungen. Gemessen und untersucht werden dabei im Wesentlichen gekoppelte thermisch-hydraulisch-mechanische Prozesse im Reservoir und im Grund- bzw. Deckgebirge. Betriebliche Abläufe werden mit detektierbaren seismischen Ereignissen in Zusammenhang gestellt. Die geplanten wissenschaftlichen Untersuchungen bieten die Grundlage für die Integration in den Betrieb. So werden die technischen Voraussetzungen geschaffen, um die gemessenen Daten zu handhaben, auszuwerten und zu monitoren. Außerdem sollen anhand von numerischen Modellen fluidinduzierte Seismizität bzw. Bodendeformation prognostiziert werden.

Die Arbeitspakete sind wie folgt definiert:

1) Erweiterung eines Messkonzeptes und Ausbau eines Messnetzes, die über den Standard (State Of The Art) hinausgehen, zur Datenerhebung von

  • geologischen und geophysikalischen Parametern aus dem Reservoir und dem Deckgebirge,
  • aktiver und passiver Akustik mit innovativer und in der Geothermie noch nicht eingesetzter Messmethodik (Mini Array, Glasfaserkabel),
  • eventuell auftretenden Bodendeformationen an der Oberfläche (Hebung oder Senkung).

Der Fokus liegt dabei auf einem Ansatz, der verschiedene Instrumentierung, Konfigurationen und Lokationen beim Monitoring von Seismizität und von Bodenhebungen/-senkungen einbezieht.

2) Konzeption eines Datenmanagements für das oben genannte Monitoringkonzept mit der Möglichkeit eines weiteren Ausbaus. Dieses beinhaltet das notwendige Handling von großen Datenmengen und verschiedene Zugriffsebenen.

3) Interpretation und Vergleich der Messungen aus dem Messnetz. Gegenseitiger Leistungsvergleich (Benchmark) der eingesetzten Instrumentierung und Messkonfiguration hinsichtlich ihrer Eignung zur Überwachung von Seismizität und Bodenhebungen/-senkungen.

4) Erarbeitung eines verbesserten konzeptionellen Modells durch gekoppelte thermisch-hydraulisch-mechanischen Modellierung anhand der erfassten Daten. Die Entwicklung von innovativen, numerischen Modellierungsansätzen führt zur Erarbeitung kalibrierter Standortmodelle, die in der Folge zur Prognose von induzierten geologisch-geophysikalischen Prozessen im Untergrund herangezogen werden können.

5) Aufbau eines Monitoringsystems zur Datenintegration aller gewonnen Daten aus den vorherigen Arbeitspaketen.

6) Entwicklung einer Kommunikationsstrategie für die Öffentlichkeit und für Geowissenschaftler mit Einbeziehung von Kommunikationsstrategen.

INSIDE
Abbildung 1: Darstellung der Arbeitspakete mit Zuständigkeiten der Verbundpartner

Highlights

Ergebnisse

Eine wesentliche Datengrundlage für die Forschungen im Gesamtprojekt INSIDE liefert das Monitoring-Messnetz in Buchenhain. Dafür wird ab Mai 2021 eine maximal 250 m flache Beobachtungsbohrung in Buchenhain niedergebracht, auf einem öffentlichen Grundstück an der Lindenstraße. Die INSIDE Verbundpartner haben dafür die Fa. Baugrund Süd beauftragt; die Arbeiten werden voraussichtlich drei Wochen andauern, es wird ausschließlich tagsüber Montag bis Freitag gearbeitet. Die eigentlichen Bohrarbeiten dauern lediglich drei Tage.

Ziel ist es, kontinuierlich akustische Signale aus dem tieferen Untergrund aufzuzeichnen, die auf mögliche Mikroseismizität hinweisen. Die Beobachtungsbohrung wird ausschließlich für das seismische Monitoring genutzt, sie erweitert das bestehende oberflächennahe seismische Messnetz. Aufgrund der Tiefe der Bohrung erwarten die Forscher ungestörte Schallsignale, die frei von Hintergrundgeräuschen der Oberfläche erfasst werden können. Diese Daten werden von den Forschern in Beziehung gesetzt zu den Daten an den Oberflächenstationen.

Ausgerüstet wird die Bohrung mit Glasfaserkabeln und zusätzlich einem in einem Schacht installierten Seismometer. Nach Einbringen der Kabel wird die Bohrung durchgehend zementiert, um eine optimale akustische Anbindung an das Gestein zu ermöglichen.
Die Bohrung wird ergänzt durch einen oberflächennah verlegten Messring aus Glasfaserkabeln.

Die Glasfaserkabel haben gegenüber der herkömmlichen akustischen Datenerfassung den großen Vorteil, die erhobenen Daten zeitlich und räumlich hervorragend aufzulösen – die Forscher können so noch genauer erkennen, was unter unseren Füßen geschieht.

Die Analyse der gemessenen seismischen Daten übernimmt das Karlsruher Institut für Technologie KIT.

30 Juni 2020

Die seismische Überwachung ist ein Schlüsselaspekt des INSIDE-Projekts. Eines der Ziele ist, ein seismisches Netzwerk zur kontinuierlichen Aufzeichnung und Echtzeit-Überwachung von Mikroseismizität zu entwickeln. Die bereits in der Region bestehenden seismischen Überwachungsstationen sollen mitgenutzt werden, um ein Netzwerk mit geringen Stationsabständen zu gestalten. Damit können Ereignisse mit geringen Magnituden erfasst werden, die sonst nicht registrierbar sind.

Das INSIDE-Messnetz wird an insgesamt fünf Standorten (Sendling/Schäftlarnstraße, Pullach und Baierbrunn) seismische Stationen aufbauen.

Vorbereitende Aktivitäten: Noise Messungen (26-28 Mai 2020)

Anthropogenes Hintergrundrauschen (Noise) und unsichtbare Geräuschquellen können einen starken Einfluss auf die Qualität der Aufzeichnung und Auswertung der Mikroseismizität haben.

Um den Lärmpegel zu beurteilen, erfolgten Feldmessungen an verschiedenen Standorten und dauern aktuell noch an. Das Ziel der Messung besteht darin, für jeden geplanten Standort die Fähigkeit zur Feststellung der Seismizität zu quantifizieren.

Für jeden Standort, der getestet wurde, war das Verfahren wie folgt:

  1. Ein Graben wurde ausgehoben (etwa 80 cm lang, 50 cm breit und 50 cm tief)
  2. Die Messinstrumente wurden für etwa 24 bis 48 Stunden im verfüllten Graben belassen
  3. Danach wurden die Messinstrumente wieder geborgen und der Graben verfüllt
  4. Die aufgezeichneten Wellenformen wurden analysiert, um den Geräuschpegel zu bewerten.

Die genutzten Messinstrumente waren:

  • Seismometer Lennartz LE3D Lite, 1 Hz, 800 V/m/s, 3-Komponenten
  • DATA-CUBE³ Datenlogger
  • Batterie, Anschlusskasten, GPS-Antenne

Die Messungen der Hintergrund-Bodenunruhe, die zwischen dem 26. und 28. Mai 2020 stattgefunden haben, ermöglichten die Validierung der getesteten Positionen.

2 Oktober 2020

Mit den Sparkermessungen, die nach Abschluss der Bohrarbeiten und vor Inbetriebnahme der neuen Geothermieanlage in der Schäftlarnstraße in München stattfinden, betreten die SWM in der Geothermieszene Neuland. Das Experiment dient dazu, auf der Basis von Gesteinsparametern die Geschwindigkeit und den Schichtaufbau zur Ermittlung des Hypozentrums seismischer Ereignisse zu ermitteln. Dazu wird vor allem die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer (akustischer) Wellen benötigt. Ein Team mit nationalen und internationalen Experten betreut die Messungen sowohl technisch als auch wissenschaftlich.

Foto: Marcus Schlaf

Aus den Ergebnissen der Sparkermessung wollen die SWM wertvolle Erkenntnisse für die Betriebssicherheit von bis dato Deutschlands größter Geothermieanlage und weiterer künftiger Anlagen ableiten. Zum Einsatz kommen obertägige Seismometer und glasfaseroptische Messtechnik – damit soll die Datenaufnahme kleiner Schwingungen getestet und deren Sensitivität bestimmt werden.

Hierbei wird eine Technik aufgegriffen, die ursprünglich für die Erdöl-/Erdgas-Industrie entwickelt wurde. Der Messablauf und die -durchführung werden auf die Rahmenbedingungen der Geothermie angepasst (Abbildungen 2 und 3 auf der Homepage). Bei der Messung wird eine akustische Welle tief im Untergrund angeregt. Das Ziel ist, Erschütterungen, die im Reservoir aufgrund geomechanischer und mikroseismischer Prozesse auftreten können, möglichst exakt zu lokalisieren.

Stadtwerke München SWM Crosswell-Messung im Rahmen des Projekts INSIDE im Baufeld der Geothermie-Anlage des HKW Süd Foto: Marcus Schlaf, 17.11.2020

Die bei dem Verfahren eingesetzte Sparkerquelle der Fa. Avalon Sciences Ltd. ist eine Hochspannungsquelle. Sie lädt elektrische Spannung an einer Elektrode bis zu maximal 5 kJ auf, entlädt diese wieder an einem Kondensator und regt dabei akustische Wellen mit einer freigesetzten Energie von ca. 1 kJ an (Verlinkung zum Video Fa. Avalon und Datenblatt Abb. 2, rechts unten). Die Energiemenge von 1 kJ ist im Vergleich zu obertägig angeregten akustischen Wellen sehr gering (beispielsweise wird mit einem beschleunigten Fallgewicht die 10-fache, mit einem großen Vibrator die 200-fache Energie angeregt). Die Messkampagne ist an vier Tagen geplant, wobei mit der Quelle mehrfache akustische Anregungen in verschiedenen Tiefen vorgesehen sind.

Vorteilhaft und vielversprechend für die Sparkermessungen sind Glasfaserkabel, die mit den für Telekommunikation verwendeten Glasfaserkabeln vergleichbar sind. Solche Messgeräte wurden bereits durch die TUM/ Geothermie-Allianz Bayern in zwei der insgesamt sechs Bohrungen in der Schäftlarnstraße installiert. Hiermit können neben Temperatur- und Druckdaten auch akustische Signale in hoher Auflösung aufgezeichnet werden. Erste Auswertungen der Distributed Acoustic Sensing (DAS) Messungen, die Anfang April 2020 während einer Vertical Seismic Profiling (VSP)-Messkampagne erfolgten, zeigen: Die von der Oberfläche aus angeregten akustischen Wellen können im Untergrund auch aufgezeichnet werden.

15.12.2020

Im ersten Halbjahr 2021 sollen zwei Messstationen auf dem Betriebsgelände der Bohrung Th3 in Pullach sowie auf dem Freigelände des Maria-Einsiedel-Bades in der Nähe des Landepunkts der Bohrung Th6 des Geothermieprojekts Schäftlarnstraße installiert werden. Für zwei weitere Stationen werden noch geeignete Lokationen gesucht.

Die Prozessierung von Radarsatellitendaten nach der Methode der SAR-Interferometrie (InSAR) hat bereits begonnen. Um eine dichte Abtastung des Deformationsfeldes zu erreichen, wird eine Kombination von C-Band- und X-Band-Radarszenen verarbeitet. Die Sentinel-1-Mission der ESA liefert die C-Band-Daten, während die höher aufgelösten X-Band-Bilder von der TerraSAR-X-Satellitenmission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) stammen. Die Datensätze enthalten Radaraufnahmen aus auf- und absteigenden Umlaufbahnen, was eine Trennung der vertikalen und horizontalen Komponenten des 3-dimensionalen Deformationsvektors ermöglicht. Pro Umlaufbahn wird alle 11 Tage (TerraSAR-X) bzw. alle 12 Tage (Sentinel-1) eine Szene mit identischer Aufnahmegeometrie aufgezeichnet.

Derzeit wird der aus 150 Aufnahmen bestehende Datensatz der absteigenden, d.h. von Nord nach Süd verlaufenden Umlaufbahn Nr. 168 (Zeitraum Oktober 2014 bis April 2020) mit der Technik der langzeitstabilen Rückstreuer („persistent scatterer“, PS-InSAR) prozessiert. Um die Anzahl der für Deformationsmessungen verwendbaren Radarrückstreuer (Datenpunkte) im interessierenden Bereich zu erhöhen, soll die anfänglich verwendete PS-Methode mit der DS-Technik (Distributed Scatterer) kombiniert werden, die bei der Lokalisierung nicht punktförmiger Rückstreuer hilft.

Aufgrund der kürzeren Wellenlänge der X-Band-Radarsignale können wir vom TerraSAR-X-Datensatz eine erhöhte Anzahl von Messpunkten in städtischen Gebieten erwarten. Diese Daten werden separat verarbeitet und die Ergebnisse werden mit denen aus dem C-Band-Datensatz kombiniert, um die höchstmögliche Dichte der analysierten Messpunkte zu gewährleisten. Die ausgewerteten TerraSAR-X-Daten werden derzeit vom DLR beschafft.

Abbildung 1: Bohrung der Kerne im Analogieaufschlüssen des südlichen/nördlichen Franknjura im Oktober 2020

Im Juni 2020 wurden Kerne in verschiedenen Intervallen der Malm-Abfolge in Analogaufschlüssen des nördlichen und südlichen Frankenjura mit Unterstützung von Prof. Dr. Roman Koch der Universität Erlangen FAU entnommen. Da diese Gesteine sehr ähnliche Eigenschaften besitzen wie die in Geothermiebohrungen erbohrten Gesteine im Münchner Raum, können so Kenntnisse über das Malm-Reservoir im Untergrund gewonnen werden. Es konnten 30 Kerne extrahiert werden, an denen ein umfangreiches Messprogramm unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) vorgenommen wurde.

Das Ziel der Beprobung und im Anschluss durchgeführten Messungen war, petrophysikalische Parameter des Reservoirs zu bestimmen, welche als Eingangsparameter für geomechanische Modelle Verwendung finden.

Abbildung 2: Beprobung der Malm Karbonate im Steinbruch Saal im Rahmen der Erweiterung des Messprogramms im April 2022
Abbildung 3: Kern einer Bohrung im Analogaufschluss der Dolomitfelsen
an der Kindinger Stege

Gemessen wurden dabei:

  • P- und S-Wellen-Geschwindigkeiten (P-Wellen ähneln den Schallwellen in der Luft, S-Wellen der transversalen Bewegung der Lichtwellen und werden deshalb auch Scherwellen genannt)
  • Ermittlung der Triaxialen Druckfestigkeit und des E-Moduls (proportionaler Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung des Gesteins) sowie Auswertungen nach Mohr-Coulomb und Hoek-Brown (beides Auswertungen um die Bruchkriterien von Gesteinen zu bestimmen)
  • Indirekte Bestimmung der Zugfestigkeit durch Spaltversuche
  • Bestimmung der Reindichte mittels Pyknometer, inkl. Bestimmung der totalen Porosität (https://de.wikipedia.org/wiki/Pyknometer)
  • Bestimmung der Permeabilität im Darcy-Versuch (charakterisiert die Durchströmbarkeit eines porösen Stoffes), inkl. Bestimmung der effektiven Porosität durch Trocknen und Sättigen.
  • Bestimmung der Reindichte mittels Pyknometer, inkl. Bestimmung der totalen Porosität
  • Zusätzliche Ultraschallmessungen zwischen den Trixialdruckstufen an 20 Bohrkernen durch die RUB
  • Durchführung und Analyse zusätzlicher Dünnschliffe an den im Gesteinslabor der RUB untersuchten Proben zur Bestimmung der Mineralzusammensetzung

Im April 2022 wurden weitere 15 Analogproben erhoben, um die Datengrundlage zu erweitern. Bei diesen Proben wird das Messprogramm um den Temperatur-Ausdehnungs-Koeffizienten erweitert, wodurch zusätzliche Erkenntnisse über den Effekt der Abkühlung des Gesteins im Bereich der Injektionsbohrungen gewonnen werden sollen.

Abbildung 4: Mikroskopische Aufnahmen der Gesteinsproben in sogenannten Dünnschliffen. Dabei werden die Gesteinsproben in hauchdünne Scheiben geschliffen und mit einen Durchlichtmikroskop untersucht. Hierbeiu kann die Zusammensetzung und z. T. auch Entstehungsgeschichte der Karbonate analysiert werden.
Hydraulisch-Thermische Simulation der Tracerausbreitung am Geothermiestandort Heizkraftwerk Süd. Die drei blauen Äste stellen die Bohrpfade der Injektionsbohrungen Th3, Th5 und Th6 dar. Die drei roten Äste visualisieren die Bohrpfade der Produktionsbohrungen Th1, Th2a und Th4 .

Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen an den Injektionsbohrungen der Geothermieanlage am Energiestandort Süd hydraulische Markierungsversuche durchgeführt werden. Hierfür sollen im 1. Quartal 2022 drei unterschiedliche Tracer (= detektierbare, wasserrechtlich geeignete Substanzen) in die Injektionsbohrungen Th3, Th5 und Th6 eingegeben werden. Im weiteren Verlauf des Markierungsversuches wird beobachtet, wann und in welchem Umfang diese Tracer and den Produktionsbohrungen Th1, Th2a und Th4 nachweisbar sind. Über die Tracerversuche lassen sich wichtige Erkenntnisse zur Fluiddynamik des Mehrdoublettensystems gewinnen, um eine optimale thermische Nutzung des Reservoirs zu erreichen (Reservoirmanagement) und Transportprozesse im Reservoir nachzuvollziehen.

Simulierte Tracerdurchgangskurve an der Bohrung Th4 in den ersten 10 Jahren nach Tracerzugabe.

Nur durch eine laboranalytische Bestimmung der Konzentration im Thermalwasser lässt sich der sogenannte Tracerdurchbruch (= Ankunft an der Produktionsbohrung) nachweisen und eine Tracerdurchgangskurve konstruieren. Anhand dieser Durchgangskurve kann der Tracer ausgewertet werden oder zur Kalibrierung von numerischen Modellen genutzt werden. Da sich die Dauer der Markierungsversuche üblicherweise auf einen Zeitraum von mehreren Jahren erstreckt, muss eine kontinuierliche Beprobung des Thermalwassers an den Produktionsbohrungen gewährleistet werden. Aus diesem Grund soll im Forschungsvorhaben eine automatische regelmäßige Probenahme entwickelt werden inklusive Aufbewahrung bis zur Analyse. Der Einsatz dieser Probenehmer ist mit Beginn des Tracerversuchs vorgesehen und soll zuvor an einer Geothermieanlage südlich von München getestet werden.

Probenahmekühler zur händischen Thermalwasserprobenahme an einer Geothermieanlage. Dieser Probenahmeprozess soll im Forschungsprojekt automatisiert werden.

In Bearbeitung