Auf Grundlage bereits publizierter 3D Modelle der Region des Nordostdeutschen Beckens und neuer Bohrlochdaten haben wir ein lithosphärenskaliges 3D Strukturmodell für den Untergrund der Stadt Berlin erstellt. Dieses Modell hat eine horizontale Auflösung von (500 * 500) Metern und zeigt eine Abfolge geologischer Einheiten, wie sie typisch ist für die Region mit vierzehn mesozoischen und känozoischen Sedimenteinheiten, mit oberpermischem Zechstein-Salz, mit vier das Salz unterlagernden krustalen Einheiten und dem lithosphärischen Mantel. Das Modell bildet die geometrische und physikalisch-parametrische Grundlage für zwei unterschiedliche Ansätze thermischer 3D Simulationen: (i) Berechnungen des stationären, rein konduktiven thermischen Feldes und (ii) Simulationen von gekoppeltem Wärme- und Fluidtransport.

Wie schon frühere Studien in der Region gezeigt haben, wird das thermische Feld stark durch die Mächtigkeitsvariationen der oberen kristallinen Kruste kontrolliert, also der geologischen Einheit die den größten Anteil radiogener Wärme erzeugt. Außerdem bewirkt der Kontrast zwischen der hohen thermischen Leifähigkeit des oberpermischen Zechstein-Salzes und der viel niedrigeren Leifähigkeit der überlagernden Sedimentschichten wichtige, wenn auch kleinräumigere thermische Anomalien. Wo das Salz zum Beispiel durch lokalen Diapirismus große Mächtigkeiten aufweist, sorgt verstärkter Wärmetransport für niedrigere Temperaturen in größeren Tiefen, während in den angrenzenden Salzrandsenken die jüngeren Sedimente mit ihren erhöhten Mächtigkeiten verstärkt zum Verbleib der Wärme im Untergrund beitragen.

Mit den thermischen 3D Modellen für Berlin ergänzen wir unser generelles Verständnis für die temperatur-kontrollierenden Faktoren im Untergrund durch konkrete Abschätzungen der Temperaturverteilung innerhalb potentieller geothermischer Zielhorizonte wie dem triassischen Mittleren Buntsandstein und den unterpermischen Rotliegendsedimenten. Außerdem liefern die Modelle Voraussagen über die Tiefenlage wirtschaftlich relevanter Isothermen (wie 70°C zum Beheizen von Gebäuden oder 110°C zur Stromerzeugung) und über die in diesen Tiefen anzutreffenden Gesteinseigenschaften.

Als Grundlage für spätere Modelle, die den Betrieb geothermischer Anlagen simulieren sollen, führen wir auch physikalisch realistischere Simulationen von gekoppeltem Fluid- und Wärmetransport durch. Porenwasserfluss führt im Untergrund von Berlin zu unterschiedlich starker Abkühlung, wobei die größten Temperaturreduzierungen für Bereiche vorhergesagt werden, in denen der tertiäre Rupelton (ein tonreicher Aquitard) geringmächtig ausgebildet ist oder fehlt und so tiefreichende erzwungene Konvektion ermöglicht. Zur weiteren Entwicklung der thermischen Modelle bedarf es einer größeren Datenbasis über in-situ Bedingungen und physikalische Eigenschaften (z.B. Permeabilität), insbesondere weil diese innerhalb der stratigraphischen Haupteinheiten Fazies-gebunden stark variieren.

 
 
Publikationen  

• Sippel, J., Fuchs, S., Cacace, M., Braatz, A., Kastner, O., Huenges, E., & Scheck-Wenderoth, M. (2013). Deep 3D thermal modelling for the city of Berlin (Germany). Environmental earth sciences, 70(8), 3545-3566.  

• Kastner, O., Sippel, J., Scheck-Wenderoth, M., & Huenges, E. (2013). The deep geothermal potential of the Berlin area. Environmental earth sciences, 70(8), 3567-3584.  

• Kastner, O., Sippel, J., & Zimmermann, G. (2015). Regional-scale assessment of hydrothermal heat plant capacities fed from deep sedimentary aquifers in Berlin/Germany. Geothermics, 53, 353-367.  

• Frick, M., Scheck-Wenderoth, M., Sippel, J., & Cacace, M. (2015). Sensitivity of a 3D Geothermal Model of Berlin with Respect to Upper Boundary Conditions. Energy Procedia, 76, 291-300.

Partner

GASAG – Berliner Gaswerke AG, S. Bredel-Schürmann

Department of Geoinformation Science, Technical University Munich, Prof. Dr. T. H. Kolbe, R. Kaden