Die GeoThermal Engineering GmbH (GeoT) ist ein Planungs- und Beratungsunternehmen für die Entwicklung von Tiefen Geothermieprojekten weltweit.

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Der AutoFluidSampler (GEO AFS) ist eine automatisierte Probenahme-Apparatur, die es ermöglicht, im Rahmen eines Grundwasser-Monitorings über einen längeren Zeitraum verlässliche und vergleichbare Wasserproben zu erhalten. Neben der klassischen Grundwasser-Beprobung kann der GEO AFS auch für Tracer-Versuche, an heißen Quellen zum Langzeit-Monitoring von Vulkanen und Erdbeben sowie in diversen industriellen Anwendungen eingesetzt werden.

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Die Wirtschaftlichkeit einer geothermischen Anlage mit hydrothermaler Wärmeenergienutzung steht in direktem Zusammenhang mit der erzielbaren thermischen Leistung. Neben der Temperatur und Förderrate wird diese maßgeblich von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des geförderten Fluides in Form der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität beeinflusst. Weitere wichtige Parameter sind die dynamische Viskosität und die Wärmeleitfähigkeit. Diese Größen sind wiederum abhängig von der Temperatur, dem Druck, dem Lösungsinhalt (TDS) sowie dem Gasgehalt. Alle genannten physikochemischen Parameter sind von entscheidender Bedeutung für die Charakterisierung von Thermalwässern im Zuge der Kraftwerksauslegung und die Effizienz der geothermischen Anlage.

Informationen zu den physikochemischen Eigenschaften von Thermalwässern lagen bislang nur in geringem Umfang für einzelne Projekte vor, wobei die Messungen meist unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Gängige mathematische Formeln zur Beschreibung der physikochemischen Parameter können typischerweise nicht unter Reservoir-Bedingungen angewandt werden und berücksichtigen nicht den entscheidenden Einfluss der chemischen Zusammensetzung des Thermalwassers.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „PETher“ wurden durch in-situ-Messungen Kennkurven der physikalischen Größen als Funktion von Druck, Temperatur und Lösungsinhalt bestimmt. Die Messungen wurden dabei unter realen Bedingungen im Süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und im Norddeutschen Becken durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit Standardanalyseverfahren verglichen und zur Kalibration von Labormessungen verwendet, welche die angetroffenen in-situ Bedingungen nachbildeten.

Ziel des Projekts war die Erstellung universeller Kennkurven für die verschiedenen Wassertypen in den drei hydrogeothermischen Zielregionen Deutschlands, um die Thermalwassereigenschaften für unterschiedliche Umgebungsbedingungen verlässlich prognostizieren zu können. Die Kennkurven stellten die Grundlage zur Entwicklung eines Planungstools dar, das bereits bei der Projektvorplanung belastbare Aussagen zur Leistung einer geothermischen Anlage ermöglicht und Unsicherheiten bei der Planung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von geothermischen Projekten minimiert.

Fluid-Proben werden im Bereich der Geothermie zumeist nur vereinzelt und dabei klassischerweise manuell genommen. Viele der weltweiten Hochtemperatur-Geothermalgebiete sind schwer zugänglich und Probennahmen im Zuge der Exploration nur mit großem logistischen Aufwand möglich. Häufig ist die Analyse der Proben durch systematische Fehler bei der Probenentnahme nicht erfolgreich. Eine Nachbeprobung ist meist mit hohem zeitlichen Aufwand und zusätzlichen Kosten verbunden.

Während der Erschließung von Niedertemperatur-Reservoiren, wie sie beispielsweise in Deutschland vorliegen, erfolgten Probennahmen in der Vergangenheit meist nur im Rahmen des Produktionstests nach der ersten Tiefbohrung sowie bei Änderungen der Betriebsparameter. Mittlerweile ist jedoch ein Grundwasser-Monitoring an Messstellen im Bereich des Bohrplatzes üblich, das bereits vor dem Abteufen der ersten Bohrung beginnt.

Im Rahmen des Projekts GeoTief wurde ein neuartiges, automatisiertes Verfahren zur periodischen Grundwasser-Probenentnahme mit dem Ziel entwickelt, systematische und sichere Analysedaten u.a. für ein neues geochemisches Prospektionsverfahren der tiefen Geothermie zu gewinnen. Mit Hilfe der Automatisierung wurde darüber hinaus ermöglicht, dass vergleichbare und verlässliche Proben für ein Grundwasser-Monitoring vorliegen. Künftig soll die Apparatur auch im Bereich von heißen Quellen zum Langzeit-Monitoring von Vulkanen und Erdbeben mittels Analyse der gelöste Feststoffe und gelösten Gase eingesetzt werden.

Die GeoTief-Apparatur ist für die Entnahme von Proben zur chemischen Wasseranalyse sowie ausgewählter Isotope konzipiert. Mittels einer zusätzlichen Durchflussmesszelle ist das Gerät in der Lage, kontinuierlich und insbesondere vor jeder Probeentnahme „vor Ort-Parameter“ wie den pH-Wert, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, das Redoxpotential (Eh-Wert) und die Durchflussmenge aufzuzeichnen und per Fernübertragung zu übermitteln.

Die Apparatur wurde im Rahmen des Grundwasser-Monitorings für das Geothermieprojekt Trebur an drei unterschiedlich tiefen Messstellen im nördlichen Oberrheingraben getestet. Dabei wurden die vorhandenen Datensätze mit den Analyseergebnissen der GeoTief-Apparatur verglichen.

Das Projekt wurde von der GeoThermal Engineering GmbH (GeoT) initiiert und gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Roth & Partner realisiert. Dabei hat die GeoT ihre Kenntnisse und Erfahrungen aus der weltweiten Projektentwicklung eingebracht. Neben der Projektkoordination war die GeoT für die Konzeption, den Anforderungskatalog zum Bau der Apparatur sowie für die Interpretation der Analyseergebnisse und die Entwicklung einer automatisierten Auswertesoftware verantwortlich. Mit der Auswertesoftware, welche aus einem Monitoring- und Auswerte-Modul besteht, bietet die GeoT künftig eine effiziente und umfassende Interpretation und Dokumentation von Grundwasseranalysen nicht nur im Bereich der Geothermie an.

Der wirtschaftliche Erfolg eines Geothermie-Projektes wird unter anderem vom finanziellen Aufwand zum Abteufen der Bohrungen bestimmt. Durch die Nachfrage aus der Öl- und Gasindustrie sind Bohrwerkzeuge für Sedimentgesteine technisch weit entwickelt. In Hartgestein sind konventionelle Meißel jedoch sehr langsam und einem hohen Verschleiß unterworfen. Die damit verbundenen steigenden Bohrkosten stellen ein wirtschaftliches Risiko dar.

Die Erforschung von effizienten und kostengünstigen Methoden zur Niederbringung von Tiefbohrungen in Hartgestein ist daher ein wesentlicher Faktor für die wirtschaftliche Erschließung von Geothermie-Reservoiren und von entscheidender Bedeutung für die Zukunft der Technologie. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Entwicklung und In-situ Erprobung eines EIV-Bohrsystems (ISEB)“ untersuchen die TU Dresden und TU Bergakademie Freiberg gemeinsam mit ihren Projektpartnern die Möglichkeiten eines auf dem Elektroimpulsverfahren basierenden Bohrsystems speziell für Hartgesteinsbohrungen.

Im Rahmen der vorangegangen Forschungsprojekte „Studie für ein Vortriebssystem zur Herstellung von tiefen Geothermiebohrungen im Festgestein mittels Elektroimpulsverfahren“ (FKZ 0327664) und „Entwicklung und Erprobung eines EIV-Bohrkopfes für Tiefengeothermie“ (FKZ 0325253) wurde die Umsetzbarkeit dieser neuartigen Technologie in der Tiefbohrtechnik nachgewiesen, ein Prototyp entwickelt und die gesteinszerstörende Wirkung des EIV-Systems belegt. Das aktuelle Projekt soll nun die Funktionsfähigkeit des EIV-Systems unter realen Bedingungen nachweisen.

Die GeoThermal Engineering GmbH (GeoT) ist seit dem Jahr 2007 Projektpartner bei der Entwicklung des EIV-Bohrsystems und berät dabei die TU Dresden hinsichtlich Fragestellungen zur Geologie und Geothermie.

Das auf drei Jahre angelegte Forschungsprojekt TRACE befasste sich mit der Erkundung von Tiefengeothermie-Reservoiren am Beispiel des Oberrheingrabens. Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung von – im Vergleich zur Akquisition seismischer Daten – deutlich kostengünstigeren Methoden zur geothermischen Exploration von der Erdoberfläche aus, die auf natürlich vorkommenden fluidchemischen und isotopischen Tracern beruhen. Dabei wurden insbesondere Hinweise auf erhöhte Permeabilitäten im Bereich tiefreichender, hydraulisch wirksamer Störungen gewonnen.

Neben Thermalwasseranalysen aus Tiefbohrungen wurden die Daten hierfür durch Helium-Isotopenanalysen von Wässern aus Quellen, Brunnen und Grundwassermessstellen gewonnen. Darüber hinaus wurden über die Wasserchemie sowie die Strontium- Isotopenzusammensetzung die Ausgangszusammensetzungen von Tiefenwässern modelliert, sowie die Aquifergesteine der Reservoire rekonstruiert.

TRACE diente somit der Entwicklung von Methoden, die einerseits eine kostengünstige Vorhersage von offenen Wegsamkeiten erlauben und zum anderen eine chemische Charakterisierung der Reservoir-Fluide im Vorfeld einer Bohrung ermöglichen.

Das Projekt wurde von der Geothermal Engineering GmbH (GeoT) initiiert und wurde gemeinsam mit den Hauptantragstellern, dem Institut für Geowissenschaften und dem Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg durchgeführt.

Die Ergebnisse wurden auf nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt. Es zeigte sich, dass die natürlichen Tracer permeable Abschnitte von Störungszonen im Voraus anzeigen, welche sich bei der späteren geomechanischen Modellierung der 3D-Seismik-Daten ebenfalls durch erhöhte Slip- und Dilations-Tendenzen auszeichnen. Somit kann die Planung der 3D Seismik künftig sowohl inhaltlich, als auch finanziell optimiert durchgeführt werden, was zur Senkung des Explorationsrisikos beiträgt.

Induzierte Seismizität im Zusammenhang mit der Umsetzung von Tiefen Geothermieprojekten stellt in Deutschland allgemein – und aufgrund der geologischen Situation des Oberrheingrabens dort im Besonderen – einen gewissen Unsicherheitsfaktor dar. Dieser Umstand führt nicht nur zur Zurückhaltung bei Projektbetreibern und Investoren, sondern stellenweise auch zu mangelnder Akzeptanz der Technologie in der Öffentlichkeit.
Spätestens seit den seismischen Ereignissen in Basel, Landau und Insheim können Geothermieprojekte nicht mehr geplant und umgesetzt werden, ohne dass ein verstärktes Augenmerk auf das seismische Risiko gelegt wird. Ein erklärtes Ziel bei der Umsetzung von Tiefen Geothermieprojekten ist es daher, die induzierte Seismizität so gering wie möglich zu halten.

Im Verbundprojekt „Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des nördlichen Oberrheingrabens“ (SiMoN) wurde von den Universitäten Frankfurt und Stuttgart sowie dem Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) Grundlagenforschung für ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen natürlicher Nano-, Mikro- und Makroseismizität sowie der durch technische Eingriffe induzierten Seismizität betrieben. Aktive Störungszonen konnten so besser identifiziert sowie insgesamt das tektonische Gesamtverständnis der Region erweitert werden. Dies kann dazu beitragen, die notwendigen Eingriffe während der Projektumsetzung zukünftig so anzupassen, dass die Gefahr induzierter Seismizität minimiert wird.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „SiMoN“ wurde ein regionales Messnetz für ein seismisches Langzeitmonitoring für den nördlichen Teil des Oberrheingrabens aufgebaut, in welchem in Zukunft mehrere Geothermieprojekte umgesetzt werden sollen. Darüber hinaus wurden nanoseismische Messkampagnen durchgeführt, mit denen auch Erschütterungen weit unter der Fühlbarkeitsgrenze detektiert werden.
Das Messnetz umfasst 13 neu platzierte Stationen der Universität Frankfurt sowie fünf permanente Stationen anderer Betreiber, wie beispielsweise des HLUG. Insgesamt wurden drei nanoseismische Messkampagnen durchgeführt. Das Überlandwerk Groß-Gerau bot den Wissenschaftlern hierfür Einblicke in seine Projektplanung, um einen möglichst guten Praxisbezug herzustellen. Die GeoThermal Engineering GmbH brachte als Dienstleister des ÜWG ihre Kenntnisse und Erfahrungen aus der Projektentwicklung im Oberrheingraben ein.

Die sorgfältige Betrachtung der auf den Thermalwassereigenschaften beruhenden Prozesse des Scalings und der Korrosion im Vorfeld der geothermischen Projektentwicklung hat große Bedeutung für eine rasche Inbetriebnahme, die spätere Betriebssicherheit und nachhaltige Nutzung des Thermalwassers.

Korrosion und Scaling müssen dabei immer gemeinsam betrachtet werden, da sich beide Prozesse teils gegenseitig bedingen und Gegenmaßnahmen zur Verhinderung des einen Effektes den anderen Effekt begünstigen können. Daher ist es vorteilhaft, die Thermalwasser-Charakteristik frühzeitig, noch vor Beginn der Bohrung, näherungsweise zu kennen und ein darauf abgestimmtes Gesamtkonzept zu entwickeln. Frühzeitige Überlegungen zur Auswahl geeigneter Materialien und Betriebsparameter, angepasst an die jeweiligen Standortbedingungen, führen dabei zu einer optimierten Kostenschätzung.

Das übergeordnete Ziel des F&E-Projektes „Modulares Kraftwerk“ war es, die Installation von ORC- und Kalina-Anlagen effektiver, flexibler, schneller und günstiger als bisher zu gestalten. Dies kann durch ein modulares Design und eine modulare Fertigung der Kraftwerkskomponenten erreicht werden. Die Aufgabe der GeoThermal Engineering GmbH (GeoT) im Rahmen des Projektes bestand in erster Linie in der Thermalwassercharakterisierung und -modellierung, mit Fokus auf den drei Haupt-Geothermieregionen Deutschlands und angrenzenden Gebieten.
Das im Vorfeld aus der angenäherten Thermalwasser-Zusammensetzung abgeschätzte Korrosionspotential dient dazu, im ersten Schritt die ökonomisch sinnvollste Strategie festzulegen (kostengünstige, leicht korrodierbare und daher wartungsintensive Werkstoffe versus teure, schwer korrodierbare, wartungsarme Werkstoffe) und im zweiten Schritt aus dem fluidspezifischen Materialeinsatzkatalog die entsprechenden Werkstoffe auszuwählen.

Die recht gute Übereinstimmung der vorhergesagten Scalings mit untersuchten Anlagen unter realen Bedingungen zeigt, dass die im Projekt durchgeführten Modellierungen eine gute Annäherung in der Vorplanungsphase darstellen. Erprobte Maßnahmen zur Verhinderung von Scaling wurden gegenübergestellt und für Projektentwickler relevante Empfehlungen diskutiert.

Um das Fündigkeitsrisiko geothermischer Bohrungen zu minimieren sind detaillierte Kenntnisse der petrophysikalischen Eigenschaften der potentiellen Reservoirgesteine im Untergrund essentiell, beispielsweise um Rückschlüsse über zu erwartenden Fließraten ziehen zu können. Direkte petrophysikalische Messungen in mehreren tausend Metern Tiefe im Reservoir sind jedoch erst nach Niederbringen einer kostspieligen Bohrung möglich. Die Entwicklung von Werkzeugen, die verlässliche Aussagen zu Gesteinseigenschaften im Reservoir noch vor Abteufen der ersten Bohrung erlauben, ist deshalb ein erklärtes Ziel.

Ein Werkzeug zur Vorhersage petrophysikalischer Parameter unter Reservoirbedingungen können Aufschlussanalogstudien sein. Dabei werden obertägig Gesteinsaufschlüsse analysiert, die ihre Entsprechung im Reservoirgestein in mehreren tausend Metern Tiefe haben. Der tektonische Bau des Oberrheingrabens bietet sich dafür besonders an. Aufgrund der großen vertikalen Versätze an den Hauptgrabenrandstörungen können Gesteine, die im Grabeninneren in größerer Tiefe liegen, auf den Grabenschultern in wenigen Kilometern Entfernung zum Reservoir obertägig aufgeschlossen angetroffen werden.

Ziel des Projektes „AuGE“ war die Erforschung und Darstellung der Anwendbarkeit von Aufschlussanalogstudien in der geothermischen Exploration. Dabei wurden Analogaufschlüsse auf den Grabenschultern des Oberrheingrabens herangezogen, um nutzungsrelevante Reservoireigenschaften (insbesondere PoroPerm-Eigenschaften) und deren Übertragbarkeit auf die analogen Tiefenreservoire zu untersuchen. Dadurch sollte die räumliche Prognose dieser Eigenschaften verbessert und ein kostengünstiges und effektives Methodeninventar für die geothermische Exploration bereitgestellt werden.

Das auf drei Jahre angelegte Forschungsprojekt wurde maßgeblich von der GeoThermal Engineering GmbH (GeoT) initiiert. Projektpartner waren die Universitäten Heidelberg, Göttingen und Erlangen sowie die GeoEnergy GmbH. Neben der Auswertung seismischer Attribute und bohrlochphysikalischer Messungen übernahm die GeoT die Projektkoordination und war für die Integration der Ergebnisse, deren Validierung in konkreten geothermischen Projekten und deren Weiterentwicklung zu sinnvollen Explorationskonzepten für die Tiefengeothermie verantwortlich.