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Geothermale Charakterisierung von NRW
Klimafreundliche Wärme unter unseren Füßen
Im Stromsegment haben die erneuerbaren Energien bereits eine feste Rolle eingenommen. Mehr als die Hälfte des Endenergieverbrauchs und somit ein erheblicher Teil der Treibhausgasemissionen wird jedoch durch den Wärmesektor verursacht. Die mitteltiefe und tiefe Geothermie steht derzeit im Fokus, insbesondere auf kommunaler Ebene die Wärmewende nach vorne zu bringen. Erdwärme ist unabhängig von Wind und Wetter, rund um die Uhr verfügbar und somit grundlastfähig. Sie ist unabhängig von Weltmarktpreisen, regional und verbraucht wenig Fläche.
Um das große Wärmepotenzial des Landes sicher und in absehbarer Zeit zu erschließen, ist die geothermale Charakterisierung (GTC) des mitteltiefen und tiefen Untergrundes von NRW fester Bestandteil der geowissenschaftlichen Landesaufnahme geworden.
Karbonatgesteine derzeit im Fokus
Welches Verfahren zur Nutzung der tiefen Geothermie geeignet ist, hängt vom Gestein ab. Neben porösen Sandsteinen eignen sich verkarstungsfähige Karbonatgesteine wie Kalk- und Dolomitsteine besonders gut für die hydrothermale Geothermie, bei der natürliches heißes Wasser als Wärmeträger dient. Für die hydrothermale Geothermie sind geeignete Gesteine idealerweise ab Tiefen von etwa 2 km nutzbar. Dort beträgt die Wassertemperatur rund 60 °C und in 3 km Tiefe können es bereits über 90 °C sein. Aber auch geringere Temperaturen lassen sich schon wirtschaftlich nutzen. Bei der geothermalen Charakterisierung von Nordrhein-Westfalen stehen derzeit folgende verkarstungsfähige Karbonatgesteine im Fokus:
- Kreide-Zeit: Kalksteine bis ca. 2,5 km Tiefe
- Karbon-Zeit: Kohlenkalk und durch Sedimentströme umgelagerte, sogenannte turbiditische Karbonate bis ca. 5 km Tiefe
- Devon-Zeit: Riffkalke bis 6 km Tiefe
Verbreitung von Karbonatgesteinen in NRW
Digitalisierung alter Datenbestände
In den Archiven des GD NRW finden sich unzählige geowissenschaftliche Daten, die. u. a. von Bohrungen, bohrlochgeophysikalischen und seismischen Messungen, z. B. zur Suche nach Gas, Öl oder Steinkohle, stammen. Ein Großteil davon liegt nur in analoger Form vor. Die Untersuchungen reichen teils mehrere Tausend Meter tief in die Erde und erlauben uns Einblicke in die Struktur, Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit von relevanten Nutzhorizonten. Im Projektteam GTC werden diese wichtigen Daten unter dem Aspekt geothermischer Wärmenutzung neu betrachtet. Sie helfen dabei, den geologischen Untergrund von NRW nun auch hinsichtlich seiner geothermischen Eignung zu interpretieren.
Um die analogen Daten nutzbar zu machen, sind umfangreiche Digitalisierungsarbeiten notwendig. Der Datenbestand muss gesichtet, ausgewählt, aufbereitet und in verschiedene Software-Formate umgewandelt werden. Damit fließen erstmals auch Daten in bestehende digitale 3D-Untergrundmodelle ein, die zuvor nicht in dieser Form berücksichtigt werden konnten. Dies führt zu einer Aktualisierung der Modelle und verbessert die Aussagesicherheit der konstruierten Schichten.
Analoge Dokumente im Archiv des GD NRW. Mitte: Ansicht einer bohrlochgeophysikalischen Messung. Rechts: interpretierte 2D-seismische Untersuchung
Neue Messungen für mehr Wissen
Um Informationslücken in den geologischen Karten zu schließen, sind Geländearbeiten zur Datenverdichtung erforderlich. Dazu wird im Rahmen der geologischen Landesaufnahme der Untergrund über Bohrungen und 2D-seismische Messungen erkundet.
Bohrungen
Die Kernbohrungen geben Hinweise zur Struktur, Aufbau und Tiefenlage der Karbonatgesteine.
Folgende Bohrungen wurden bereits im Zuge der geothermalen Charakterisierung des Untergrundes von NRW durchgeführt:
Zielhorizont Kohlenkalk:
Zielhorizont Massenkalk:
Infomaterial
Videos
Geothermale Charakterisierung: Film
Seismik NRW: Wie funktioniert eine seismische Messung?
COP26 Glasgow 2021: der GD NRW über das Potenzial der Tiefengeothermie
Wärmeleitfähigkeitsmessungen
In Regionen, in denen keine verkarstungsfähigen Karbonatgesteine im Untergrund vorkommen und somit keine hydrothermale Geothermie möglich ist, können geschlossene Erdwärmesonden eingesetzt werden. Dafür ist die Wärmeleitfähigkeit eine der wichtigsten Kenngrößen eines Gesteins. Sie beschreibt, wie gut die einzelnen Gesteine Wärme transportieren können und wie schnell entzogene Wärme wieder zugeführt wird. In den Laboratorien des GD NRW werden die Wärmeleitfähigkeiten an den Gesteinen aus den Erkundungsbohrungen, aber auch aus dem umfangreichen Bohrkernarchiv nach einem standardisierten Verfahren gemessen. Die gemessenen Daten helfen dabei, Literaturwerte Schritt für Schritt mit tatsächlichen Messdaten zu regionalisieren.
Links: Erhebung neuer Daten durch Bohrungen. Mitte: Untersuchung der Bohrkerne. Rechts: Messung der geothermischen Parameter im Labor
2D-Seismik
Um Aussagen über die Verbreitung und Tiefenlage geothermischer Zielhorizonte treffen zu können, führt der GD NRW seit 2021 im Rahmen der geologischen Landesaufnahme 2D-seismische Messungen durch. Dabei werden geologische Strukturen und Gesteinsschichten mittels Schallwellen sichtbar gemacht. Vibrationsfahrzeuge, sogenannte Vibro-Trucks, senden Schwingungen in den Boden. An den Grenzflächen verschiedener Gesteinsschichten werden die Wellen reflektiert und an der Oberfläche an den Empfangsgeräten, den Geophonen, wieder registriert. Die erfassten Signale ergeben entlang der gemessenen Strecke ein zweidimensionales Abbild des Untergrundes.
Vibro-Trucks beim Messvorgang auf der Straße mit abgesenkter Rüttelplatte
Von den Daten zum Modell
Die alten und neuen Geo-Daten fließen in bestehende geologische Karten und in Untergrundmodelle von NRW ein. So können Wissenslücken geschlossen, bestehende Modelle validiert und wichtige Horizonte ergänzt werden. Das geologisch-geothermische Modell liefert wichtige Informationen zu den relevanten geothermischen Horizonten und erlaubt eine Bewertung des Untergrundes hinsichtlich der geothermischen Nutzbarkeit.
Geothermie-Portal: Blick in den tiefen Untergrund
Geothermische Planungsdaten zum mitteltiefen und tiefen Untergrund sind bereits im Geothermie-Portal für zwei Regionen abrufbar: für das Rheinland und den Nordrand des Rheinischen Schiefergebirges. Weitere Regionen werden folgen. Ergänzend bietet das Portal Informationen zu Bohrungen, Wasserschutzgebieten, Erdbebenzonen und bestehenden bergrechtlichen Erlaubnisfeldern für die Gewinnung von Erdwärme. Diese Auskünfte liefern wichtige Fakten bei der Risikoabschätzung in der frühen Planungsphase von Geothermievorhaben.
Film zur Geothermalen Charakterisierung von NRW
© Geologischer Dienst Nordrhein-Westfalen – Landesbetrieb –