Bohrlochüberwachung in nahezu Echtzeit hilft, Erschütterungen gering zu halten
Um heiße Flüssigkeiten zur Energiegewinnung aus dem Untergrund zu fördern, werden große Mengen Wasser unter hohem Druck in das Gestein injiziert. Diese „hydraulische Stimulation“ schafft die notwendigen Klüfte zur Förderung im Rahmen von Geothermieprojekten, führt aber auch zu Bodenerschütterungen. Die Fachleute sprechen von induzierter Seismizität. Ein Team von Forschenden hat jetzt eine Methode vorgestellt, mit der die induzierte Seismizität kontrolliert werden kann. Die Versuche fanden an einem Reservoir unter Helsinki bei der bisher tiefsten hydraulischen Stimulation eines geothermischen Bohrlochs statt. Das Team unter der Leitung von Grzegorz Kwiatek vom Deutschen GeoForschungsZentrum berichtet darüber in der Fachzeitschrift Science Advances.
Die induzierte Seismizität bei so genannten Enhanced Geothermal Systems (EGS) hat in der Öffentlichkeit Besorgnis und Skepsis hervorgerufen. In der Vergangenheit kam es deshalb bereits zur Stilllegung mehrerer EGS-Projekte. Das Management des Risikos einer induzierten Seismizität ist daher entscheidend für die Entwicklung und weitere Nutzung der EGS-Technologie zur marktreifen Strom- und Wärmeversorgung in städtischen Gebieten. Die Geothermie bietet viele Vorteile: Sie ist als Energiequelle „sauber“ und eignet sich für die Grundlastversorgung von Städten mit Wärme und Strom.
„Wir haben in Zusammenarbeit mit einem Team von internationalen Forscherinnen und Forschern aus Wirtschaftsunternehmen, akademischen Institutionen und Universitäten eine Strategie entwickelt um Stimulationen sicherer durchführen zu können“, berichtet der Leiter der GFZ-Sektion Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren, Marco Bohnhoff. Die finnischen Behörden hatten als Vorgabe festgelegt, dass das dortige Geothermieprojekt „St1 Deep Heat Oy“ nur fortgesetzt werden kann, wenn keine Erdbeben stärker als Magnitude 2 ausgelöst werden.
In der Studie berichten die Forschenden, wie sie das Seismizitätsrisiko in den Griff bekamen: „Die Verarbeitung seismischer Daten, die aus einem ad-hoc installierten Netzwerk von Bohrloch- und Oberflächengeofonen gewonnen wurden, lieferte den entscheidenden Input für den sicheren Betrieb der Stimulation", sagt der Hauptautor der Studie, Grzegorz Kwiatek vom GFZ. Betreiber und Wissenschaftler arbeiteten dabei über mehrere Monate an und mit einem Ampelsystem. Die seismische Überwachung ermöglichte ein extrem schnelles aktives Feedback. Das heißt, es erfolgte eine sofortige Anpassung der Stimulationsparameter durch Reduzierung der Injektionsrate. Dazu gab es Richtlinien für die Reservoir-Ingenieure zur Anpassung von Raten und Druck während der Injektion. Es gab zudem immer wieder Ruhezeiten, in denen gar kein Wasser injiziert wurde.
Georg Dresen, Leiter der Gruppe Geomechanik am GFZ, erklärt: „Diese Rückmeldung in nahezu Echtzeit war der Schlüssel zum Erfolg. Sie ermöglichte es, das Verständnis der seismischen Reaktion des Reservoirs und der Freisetzung der hydraulischen Energie im Untergrund zu vertiefen, und sie gewährte gleichzeitig eine schnelle technische Reaktion auf die erhöhte seismische Aktivität.“ Das Energieprojekt „St1 Deep Heat Oy“ ist nun für die weitere Entwicklung genehmigt und wird nach Fertigstellung einer zweiten Bohrung mit der Realisierung einer voll funktionsfähigen Geothermieanlage zur Nahwärmeversorgung beginnen.
Zwar seien die Ergebnisse der Studie zur Vermeidung größerer seismischer Ereignisse nicht direkt auf andere tektonische Regionen übertragbar, sagt Grzegorz Kwiatek, „aber die von unserem Team entwickelte Methodik und Konzeption können für andere EGS-Projekte nützlich sein, um das seismische Risiko zu begrenzen und Ad-hoc-Stimulationsstrategien abzuleiten“.
Projektförderung
Das Projekt erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Firma St1 Deep Heat Oy, die das Projekt finanzierte und koordinierte, mit ASIR Ltd. aus den USA, die das seismische Netzwerk entwarf und implementierte, der fastloc GmbH, einem Spin-off-Unternehmen aus dem GFZ, das eine nahezu in Echtzeit seismische Überwachung durchführte, ARUP aus Großbritannien, das das Ampelsystem entwarf und betrieb, und dem Team aus der Sektion Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren des GFZ.
Originalstudie:
Kwiatek, G., Bluemle, F., Bohnhoff, M., Dresen, G., Leonhardt, M., Malin, P., Martínez-Garzón, P., Wollin, C., 2019. Controlling fluid-induced seismicity during a 6.1-km-deep geothermal stimulation in Finland. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aav7224
doi.org/10.1126/sciadv.aav7224
Bildmaterial:
Blick über das St1 Deep Heat Oy-Projekt (Foto: Tero Saarno).
media.gfz-potsdam.de/gfz/wv/pm/19/10961_St1-Deep-Heat-Oy_Tero%20Saarno.JPG
Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Georg Dresen
Geomechanik und Wissenschaftliches Bohren
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