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Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie

Projekte

Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach

In Groß-Umstadt-Heubach wird seit 2011 ein vom Hessischen Umweltministerium (HMUKLV) gefördertes Forschungs- und Entwicklungsprojekt der HEAG Südhessische Energie AG (HSE) zur Nutzung der Geothermie mit einer fasst 800 m tiefen Erdwärmesonde betrieben. Das HLNUG ist vom Hessischen Umweltministerium mit der wissenschaftlich-geologischen Begleitung beauftragt.

Das Pilotprojekt stellt seit seiner Fertigstellung Ende 2012 die erste Nutzung der Geothermie mit einer tiefen Erdwärmesonde in Hessen dar (siehe: Definition Tiefe Geothermie). Neben der 773 m tiefen Erdwärmesonde zum Heizen der Produktionsgebäude eines mittelständischen Industriebetriebes in Heubach wurden auch 8 Erdwärmesonden mit Tiefen von 82 bis 138 m zur Kühlung von Bürogebäuden errichtet. Seit November 2012 ist die gesamte Anlage in Betrieb. Eine Chronologie zur Einrichtung der tiefen Erdwärmesonde finden Sie hier.  

Zahlreiche Erdwärmesonden nutzen bereits den flacheren Untergrund mit Tiefen bis zu 250 m, größtenteils zur Beheizung von Privathäusern. Im Landkreis Darmstadt-Dieburg wurden bisher mehr als 470 derartiger Anlagen in Betrieb genommen, in Hessen sind es insgesamt über 6.300.

Innerhalb der Erdwärmesonden zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit (z.B. Wasser) in einem geschlossenen Kreislauf, die die im Untergrund gespeicherte Wärme aufnimmt. Mit Hilfe von Wärmepumpen wird die Wärme unter Einsatz von mechanischer oder thermischer Antriebsenergie von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein zum Heizen und zur Warmwasserbereitung nutzbares Temperaturniveau angehoben (siehe auch Leitfaden "Erdwärmenutzung in Hessen" HLNUG).

Die bei der Nutzung der tiefen Geothermie möglichen Risiken werden durch den Einsatz einer Erdwärmesonde in einer tiefen  Bohrung vermieden: Da keinerlei Grundwasser entnommen oder reinjiziert wird, wie dies bei hydrothermaler Nutzung der tiefen Erdwärme mit einer so genannten Dublette geschieht, sind Auswirkungen einer Erdwärmesonde auf das Grundwasser lediglich auf eine leichte Temperaturänderung in Bohrlochnähe beschränkt. Probleme mit der Förderung hoch mineralisierten Wassers aus großen Tiefen gibt es nicht. Das Risiko künstlich ausgelöster schwacher Erdbeben (induzierte Seismizität), dass bei hydrothermaler oder petrothermaler geothermischer Nutzung unter ungünstigen Umständen durch das Umpumpen großer Wassermengen zwischen Förder- und Injektionsbohrung gegeben sei kann, ist hier ausgeschlossen.

Weitere Erläuterungen der Nutzungsarten der tiefen Geothermie finden sie hier.

In Heubach werden Produktionshallen mit einer Fläche von ca. 6.000 m² sowie Büroräume mit einer Fläche von ca. 1.400 m² mit Wärme versorgt.  Diese wurden mit einer Gebäudedämmung nach neuestem Standard errichtet (ca. 30 W/m² auf beheizter Fläche), mit einer Niedertemperatur-Deckenstrahlheizung ausgerüstet und unterschreiten nach Angaben der Betreiber die Vorgaben der EnEV 2007 um ca. 50%.

Ziel des Projektes ist es, eine Wärmeleistung von 130 - 140 kW bei einer Vorlauftemperatur von ca. 35 °C (davon durch die oberflächennahen Erdwärmesonden ca. 40 kW und die tiefe Erdwärmesonde ca. 90 kW) und eine Kühlleistung von 35 - 45 kW bei einer Vorlauftemperatur von ca. 17 °C zu erreichen.

Zunächst wurden im Jahr 2011 acht Bohrungen zwischen 130 und 80 m abgeteuft und mit Doppel-U-Sonden ausgestattet, eine davon als Kernbohrung. Diese bestehen wie üblich aus paarweise gebündelten U-förmigen Kunststoffrohrschleifen, durch die in einem geschlossenen Kreislauf eine Wärmeträgerflüssigkeit (hier Wasser) zirkuliert, welche im Untergrund Wärme aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Die Wärmepumpe hebt das von der Erdwärmesonde stammende Temperaturniveau in einem zweiten Kreislauf auf den zum Heizen gewünschten Wert an. Der Anschluss der Sonden an die im Gebäude befindliche Wärmepumpe erfolgt über nahe der Erdoberfläche verlegte Sammelleitungen.

Der nach Einbau der Erdwärmesonden im Bohrloch verbleibende Hohlraum zwischen den Sondenbündeln und der Bohrlochwand wurde mit einer Zement- Bentonit-Suspension hohlraumfrei von unten nach oben verpresst. Durch die Verpressung über die gesamte Länge des Bohrlochs ist eine Abdichtung der Sonde zum Gestein und gleichzeitig eine gute thermische Anbindung der Sonden gewährleistet.

Die nutzbare Energiemenge von mitteltiefen und tiefen Erdwärmesonden hängt in erster Linie von der Temperatur (geothermischer Gradient) des Untergrundes ab. Weitere wichtige Parameter sind geologische und thermische Eigenschaften des Untergrundes, insbesondere Wärmeleitfähigkeit, Grundwasserführung und hydraulische Durchlässigkeit. In einer der flachen Bohrungen wird ein so genannter Thermal Response Test zur Bestimmung thermischer Untergrundparameter durchgeführt werden.

Eine 90 m tiefe Bohrung wurde, vom HLNUG finanziert, komplett als Kernbohrung abgeteuft, um anhand der gewonnen Gesteinsproben und von Messungen im Bohrloch Daten über den Untergrund zu gewinnen. Die Daten gingen in eine numerische Modellierung des Untergrundes ein, mit der die endgültige Dimensionierung der Erdwärmesonde in der tiefen Bohrung erfolgte. Die richtige Bemessung von Erdwärmesonden ist Voraussetzung für ihren technischen und wirtschaftlichen Erfolg. Eine zu geringe Dimensionierung kann zu erheblichen Problemen im Betrieb sowie zu überhöhten Betriebskosten führen; eine Überdimensionierung führt zu erhöhten Investitionskosten. 

Ende des Jahres 2012 wurde die 773 m tiefe Erdwärmesonde fertig gestellt und in Betrieb genommen.

Hier handelt es sich um eine koaxiale Sonde, bestehend aus einem Innen- und Außenrohr. Dieser Sondentyp nutzt den zur Verfügung stehenden Bohrungsquerschnitt optimal. Auch hier zirkuliert das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf, allerdings zwischen einem Außenrohr, in dem sich das Wärmeträgermedium auf dem Weg nach unten erwärmt und einem davon thermisch isolierten Innenrohr, in dem das warme Wasser hochsteigt.

In Deutschland sind bislang nur wenige mitteltiefe oder tiefe Erdwärmesonden in Bau oder Betrieb, so z.B. in Aachen oder in Arnsberg, in der Schweiz in Weggis (Vierwaldstättersee) und in Zürich. Diese über 2000 m tiefen Anlagen wurden mit erheblichem baulichen Aufwand mit Tiefbohrgeräten, wie sie u.a. auch in der Erdölindustrie Verwendung finden, niedergebracht. 

Vorteil einer solchen Erdwärmesonde von ca. 800 m Tiefe wie in Heubach gegenüber flacheren Systemen ist einerseits die höhere Jahrearbeitszahl der Anlage (> 5, d.h. mit dem Einsatz der Energie von 1/5 Strom werden 5/5 Wärmeenergie erzeugt) aufgrund einer hohen Quelltemperatur und der sehr geringe Platzbedarf durch nur eine Bohrung. Im Vergleich zu den bislang üblichen tiefen Erdwärmesonden wirken sich andererseits der Einsatz einer mobilen Bohranlage mittlerer Größe (herkömmliche Brunnenbohranlage) zur Niederbringung der Bohrung und der geringere Bohrdurchmesser günstig auf die Bohrkosten aus. In dem Projekt soll auch die Übertragbarkeit des Konzepts auf andere geologische und bauliche Situationen geprüft werden, z.B. für platzsparende Wärmegewinnung im innerstädtischen Bereich.

 

Geologie, Petrographie, Tektonik und geothermische Parameter

Heubach befindet sich im nordöstlichen Bereich des kristallinen Teils des Böllsteiner Odenwalds, der durch die Otzberg-Zone vom Bergsträßer Odenwald im Westen getrennt ist. Dieser besteht aus einem nach NNE abtauchenden, sattelförmigen Kernbereich (Orthogneis-Kern aus Granodiorit- und Granitgneisen mit eingeschalteten Metagabbros und Amphiboliten), der von der sogenannten "Schieferhülle" umgeben ist, die überwiegend aus Metasedimenten wie Biotit- und Hornblendegneisen, Glimmerschiefern und Quarziten sowie Amphiboliten mit einer Gesamtmächtigkeit von mehr als 600 m besteht.

Wie die stark verwitterten Aufschlüsse im Ortsbereich Heubach sowie die Gesteinsproben der Kernbohrung zeigen, stehen im Untergrund v.a. Gneise (Augengneise) an, die gelegentlich von härteren pegmatitischen Ganggesteinen durchzogen werden.

 

Die Bohrpunkte liegen im Tal des Pferdsbachs. Hier steht zunächst eine 10-11 m mächtige quartäre Überdeckung aus Tonen, (Löß-) Lehmen und Sanden mit Kiesen (Bachschottern) sowie Hangschutt an. Im Liegenden folgen Augengneise, die im oberen Bereich bis zu einer Tiefe von etwa 16 m grusig verwittert sind und dann allmählich in festes Gestein übergehen. Dies ließ sich auch in Vorerkundungen durch geoelektrische Messungen des HLNUG nachweisen. In tieferen Bereichen ist das Auftreten von Glimmerschiefern und Amphibolen möglich. In der weiteren Umgebung von Heubach (östlich und westlich) wird das kristalline Grundgebirge von jüngeren Sedimenten (Rotliegend, Zechstein, Unterer Buntsandstein) überlagert.

Die flache Kernbohrung KB8 wurde am 11.04.2011 bei einer Teufe von 90 m abgeschlossen und erbrachte folgendes Profil: bis 9,60 m quartäre Überdeckung (Schluff, Sand, Kies, im unteren Bereich mit Holzresten und Torf), bis 11,00 m Hangschutt aus Buntsandsteinmaterial, bis 15,90 m stark zersetzter Augengneis, bis 17,60 m zersetzter Augengneis, bis 61 m Augengneis, grobkörnig (feldspatreiche Lagen bei 21,60 m sowie mehrere dünne Lagen von 51, 00 m bis 54, 00 m, feinkörnige Zonen bei 44,50 m bis 44,80 m und 45,00 m bis 45,10 m, Pegmatitgang bei 60,60 m). Ab 61,00 m bis 82,00 m mittelkörniger Biotitgneis mit Aplitgang von 72,90 bis 73,50 m, feldspatreiche Lagen bei 73,60 m und bei 73,90 m. Von 82 ,70 m bis Endtiefe: Wechsel von mittelkörnigem, Granat führendem Biotitgneis mit sehr feinkörnigen Zwischenlagen.

 

Die Tiefbohrung erschließt als erste das kristalline Grundgebirge in Hessen über eine große Bohrlänge von fast 800 m (Schichtenverzeichnis). Bei den kristallinen Gesteinen handelt es sich v.a. um Gneise mit unterschiedlichen Anteilen an typischen Mineralen wie Quarz, Glimmer, Feldspat sowie Hornblende und Granat. 

 

Das HLNUG hat umfangreiche geologische Untersuchungen der Bohrproben und der Umgebung der Bohrung durchgeführt, die durch geophysikalische Bohrlochmessungen des Leibniz Instituts für angewandte Geophysik (LIAG) und weitere Untersuchungen an den Unis Frankfurt (Mikrogefüge, Altersbestimmung) und Potsdam (detaillierte Gesteinsbeschreibung und –einstufung mit der Mikrosonde) ergänzt werden. Zu Fragestellungen im Zusammenhang v.a. mit petrothermalen Erschließungen (Gebirgsspannungen, Fracking) wurden am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt mit den Bohrkernen Versuche in einer Thermo-Triax-Zelle durchgeführt.

Im Vorfeld des Projekts bereits durchgeführte Messungen der Wärmeleitfähigkeit von kristallinen Gesteinen aus dem Odenwald ergaben für Granite Werte zwischen 2,1 - 2,5 W/mK, für Granodiorite zwischen 2,1-3,9 W/mK und für Gneise und Amphibole zwischen 2,1 - 3,4 W/mK.

Besonders interessant sind die Wärmeleitfähigkeitsmessungen an den Gesteinen des unteren Abschnitts der tiefen Bohrung. Während die Wärmeleitfähigkeiten in den oberen Bereichen  zwischen 2,5 und 3 W/(m*K) liegen, sind sie in größeren Tiefen wegen des hohen Quarzanteils höher als erwartet (3,5 bis 4 W/(m*K), Messungen: S. Welsch, IAG der TU Darmstadt). Der geothermische Gradient liegt im Bereich von 3,7 °C/100. Der geothermische Wärmestrom liegt, abhängig von der durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes, zwischen 0,073 W/m² und 0,116 W/m² (auf etwa 1000 m² Fläche strömt also etwa eine Energie als Wärme nach oben, mit der man eine 100 W-Glühbirne betreiben könnte). In der fertig ausgebauten Bohrung wurde über einen so genannten „Geothermal Response Test“ der endgültige Wert über die Gesamtstrecke der Bohrung ermittelt. Der geothermische Gradient liegt bei 3,7 °C/100 m der Wärmefluss ist mit ca. 0,85 W/m2   leicht erhöht.

Durch das Projekt wurden außerordentlich wertvolle neue Daten zur Geologie des Odenwaldes, zur tektonischen Beanspruchung und zu geothermischen Parametern des kristallinen Untergrundes in Hessen und angrenzenden Bundesländern gewonnen und es bildet somit eine wichtige Grundlage für zukünftige Geothermieprojekte. Dies betrifft nicht nur Erdwärmesondenprojekte, sondern auch hydrothermale Projekte der tiefen Geothermie (mit Nutzung natürlichen Thermalwassers) und ist auch für petrothermale Projekte (Erzeugung eines künstlichen Wärmetauschers durch Fracking) gerade hinsichtlich des Gebirgsverhaltens in größeren Tiefen im Kristallin bedeutsam.


Besonders bedeutsam ist die Bohrung an dieser Stelle auch, weil ein Kristallingestein in großer Tiefe erbohrt wurde, was sonst nur sehr selten in Deutschland bzw. Mitteleuropa der Fall ist (Beispiele Bad Urach, Soultz-sous-forêts). Dadurch können Vergleiche zu anderen Tiefbohrungen in Kristallingesteinen hinsichtlich z.B. der Entwicklung der Durchlässigkleiten oder Porositäten und Wärmeleitfähigkeiten von Gesteinen mit zunehmender Tiefe gezogen und für die Planung weiterer Projekte herangezogen werden. Auch für das Projekt „Hessen 3 D“ sind diese Variationen gesteinsphysikalischen Parameter in Abhängigkeit von der Tiefe sehr wertvoll, da es hierfür im Projekt nur Annahmen bzw. Analogieschlüsse gab und diese Annahmen nun durch Meßwerte verifiziert und in das Modell integriert werden können. So wird das geothermische Tiefenpotenzial von Hessen noch genauer abgeschätzt werden können.

Geologische und geothermische Ergebnisse aus dem Projekt Mitteltiefe Erdwärmesonde Heubach

Chronologie der Tiefbohrung

Hydrogeologie

Der Standort der Erdwärmesondenanlage liegt im Bereich der Zone IIIA (Weitere Schutzzone) des festgesetzten Trinkwasserschutzgebietes für die Brunnen der Stadt Groß-Umstadt. Er liegt damit im Einzugsgebiet der Brunnen, dem Gebiet, in dem Niederschlag in den Untergrund versickert und nach Erreichen des Grundwasserleiters den Brunnen zuströmen kann. Es wird daher gemäß Leitfaden "Erdwärmenutzung in Hessen" hinsichtlich des Grundwasserschutzes bei Erdwärmesondenbohrungen als wasserwirtschaftlich ungünstiges Gebiet eingestuft. Die unmittelbar östlich angrenzende Wasserschutzzone III B wird als "wasserwirtschaftlich günstig" eingestuft und bedarf daher keiner Beurteilung.

In dieser Weiteren Schutzzone sind in den vergangenen Jahren bereits mehrere Erdwärmesonden nach Erstellung einer hydrogeologischen Beurteilung durch das HLNUG ohne Einflüsse auf die Brunnen errichtet worden. Auch für den Projektstandort wurde eine hydrogeologische Stellungnahme erstellt. Eine Beeinträchtigung der Trinkwassergewinnungsanlagen wird nicht erwartet und es wird den Bohrarbeiten und der Installation von Erdwärmesonden unter speziellen Auflagen zugestimmt. Hierzu zählt u.a. der Einbau einer Schutzverrohrung in den oberen grundwasserführenden Bereichen der Bohrung bis auf das anstehende Festgestein, um einen qualitativen oder quantitativen Einfluss der Bohrarbeiten auf das Grundwasser auszuschließen.

Oberflächennah bilden die quartären Lockergesteinsablagerungen (Sande und Kiese), unterbrochen von schlecht durchlässigen Schluffen und Tonen, einen gering mächtigen Porengrundwasserleiter, der das oberste Grundwasserstockwerk darstellt. Davon durch eine sehr gering durchlässige Ton/Schluff-Schicht mit Torf und Holzresten getrennt, stellt pleistozäner Hangschutt, vornehmlich aus Geröllen des im Osten anstehenden Buntsandsteins zusammen mit der stark grusig verwitterten Zersatzzone des Gneises einen zweiten (Poren-) Grundwasserleiter dar. Die unverwitterten kristallinen Gesteine bzw. Gneise darunter sind im Allgemeinen wenig wasserdurchlässig und bilden einen nur gering ergiebigen Kluftgrundwasserleiter. Mit starkem Wasserzustrom ist dort nicht zu rechnen. Bei den flachen Erdwärmesondenbohrungen wurden jedoch bereits vereinzelt Klüfte im Gneis angetroffen. 

Vom 11.04.2011 bis 12.04. 2011 wurde im offenen Bohrloch der  "flachen Kernbohrung" ein Kurzpumpversuch durchgeführt. Die wasserführenden quartären Schichten und die Gneiszersatzzone im Oberen Bereich waren durch eine Hilfsverrohrung bis 15,30 m Tiefe abgesperrt. Bei einer Förderung von 3,1 m³/h senkte sich der Wasserspiegel von 0,31 m unter Gelände im Ruhezustand auf 19,90 m u. GOK ab und erreichte dort über 12 Stunden eine Beharrung. Wie eine am 13.04.2011 durchgeführte Kamerabefahrung des Bohrlochs zeigte, sind im Unteren Bereich ab ca. 71 m u. GOK vereinzelt weit geöffnete (bis zu 3 cm), nahezu horizontal verlaufende Klüfte vorhanden, aus denen Wasser zuströmt. Eine geophysikalische Bohrlochmessung zeigte im Zuflussbereich bei 71,5 m u. GOK eine abrupte Temperaturzunahme um 1,2 ° C auf 15,2 ° C sowie eine Zunahme der Leitfähigkeit, ein deutlicher Hinweis auf Zufluss warmen, mineralisierten Wassers. Die elektrische Leitfähigkeit des geförderten Wassers beträgt ca. 600 µS/cm, was einem Gesamtlösungsinhalt von ca. 450 mg/l entspricht. Eine Wasserprobe wird zurzeit analysiert.

In der Tiefbohrung wurde nach Einbau der Verrohrung ein Wasserspiegelanstieg aus dem zeitweise offenen untersten Bohrlochabschnitt (772,8 bis 774,9m) von 24 cm über 4 1/2 Tage festgestellt sowie über geophysikalische Bohrlochmessungen das Vorhandensein wasserführender Klüfte nachgewiesen.


Die Mächtigkeit einer erbohrten hydrothermal veränderten Zone bei 326 m Tiefe, die Ursache für einen erheblichen Nachfall war und eine Zwischenzementierung erforderte, ist mit ca. 6 m überraschend hoch. Aus dem Odenwald war dieses Phänomen noch nicht bekannt, aus anderen Kristallin-Vorkommen, wie beispielsweise aus dem Schwarzwald, gibt es entsprechende Hinweise in der Literatur.

Quellfähige Schichten (z.B. mit einem Anteil von Anhydrit oder Tonmineralen), die zu Untergrundbewegungen (Senkungen und Hebungen) führen könnten oder artesisch gespanntes Grundwasser unter hohem Druck sind schon vor Beginn der Bohrarbeiten ausgeschlossen worden. Dieses auf die Kenntnis der allgemeinen geologischen Situation im größeren Umfeld gegründete Urteil hat sich bei den Bohrungen bestätigt.