Dr. Wolfgang Bauer

Die Versorgung größerer Siedlungsgebiete mit Wärme aus regenerativen Ressourcen, ist aufgrund des hohen Energiebedarfs nur mit Tiefer Geothermie nachhaltig zu gewährleisten. In Bayern konzentriert sich die Nutzung Tiefer Geothermie aktuell ausschließlich auf hydrothermale Ressourcen im gut erkundeten Molassebecken Südbayerns. Internationale Expertenstudien, sehen das größte Zukunftspotential der Geothermie jedoch in der erfolgreichen Umsetzung von Enhanced Geothermal Systems (EGS)-Projekten (bevorzugt in Kristallingesteinen wie Graniten), für die nach geologischen Kriterien Nordbayern prädestiniert ist. Der Untergrund Nordbayerns, inklusive einer dort vorhandenen geothermischen Anomalie, ist aber bisher nur ansatzweise erkundet. Potenzielle geothermische Ressourcen im geringpermeablen Untergrund Nordbayerns sind identifiziert, müssen jedoch noch näher untersucht werden, bevor auch dort eine Nutzung möglich ist.

In der ersten GAB-Förderphase wurden die Ursachen der geothermischen Anomalie sowie der Untergrundaufbau in Nordbayern (Raum Haßfurt - Coburg - Bamberg) untersucht. Eine im Erlaubnisfeld FAU-GeoTherm durchgeführte 2D-Seismik konnte im Bereich der geothermischen Anomalie einen ca. 350 km² großen Granitkörper bei Haßfurt erfassen, dessen Dachregion bei ca. 1-2 km Tiefe liegt. Der Granitkörper befindet sich damit in einer durch Bohrungen wirtschaftlich erschließbaren Teufe mit prognostizierten Temperaturen von etwa 150-160 °C bei 4.000 m. Zudem wird der Granitkörper durch die Kissingen-Haßfurt-Störungszone angeschnitten, so dass das Potenzial für ein natürlich vorhandenes Kluftreservoir gegeben sein könnte. Der “Haßfurt-Granit” wurde daher als Explorations-Schwerpunkt für weitere Untersuchungen definiert. Vorgesehene Untersuchungen bauen hierbei auf den von Studien anderer Granitkörper (z. B. Soultz-sous-Forets, Bad Urach, Grimsel) vorliegenden Ergebnissen auf, beziehen sich aber auf eine davon abweichende geologische Gesamtsituation, insbesondere ein unterschiedliches Spannungsregime, andersartige Fragestellungen und auch unterschiedliche Erkundungsmethoden.

Prinzipiell konzentrieren sich unsere Forschungsarbeiten auf die Erkundung der Architektur und Internstruktur des Haßfurt-Granitkörpers sowie seine natürliche Kluftpermeabilität im Umfeld von Störungszonen, um das geothermische Potenzial und die Möglichkeit zur Umsetzung eines EGS-Projekts (Enhanced Geothermal Systems) in (Nord-)Bayern zu untersuchen. Folgende Arbeitspakete sind im TP “regional” vorgesehen:

• Auswertung seismischer Daten und Potenzialfelddaten zum verbesserten Verständnis des regionalen Strukturinventars.
• Durchführung einer hochauflösenden Gravimetrie, als innovative, zur Seismik alternativen oder zumindest komplementären Explorationsmethode zur präziseren Definition des Granitkörpers und Radon-Messungen im Bodengas zur Detektion von hydraulisch aktiven Störungen im Bereich des Granitkörpers
• Hydraulisch-mechanische Untersuchungen in einem Feldlabor als Aufschlußanalog zur Bestimmung der 3D-Permeabilitätsverteilung in einer spröd deformierten Störungszone im Granit
• Geothermische Modellierungen, um die gemessenen Parameter auf unterschiedlichen Skalen in einem Modell zusammenzuführen und eine Abschätzung des geothermischen Potenzials durchzuführen
• Potentialanalyse und Konzeption der geothermischen Wärmeversorgung in Bayern durch Charakterisierung der aktuellen Energieinfrastruktur und Szenarienanalyse für die Umsetzung der Wärmewende

In jedem tiefengeothermischen Projekt sind Bohrung, Fündigkeit und eine nachhaltige Produktion auf Grund der Komplexität des Untergrundes mit technischen und wirtschaftlichen Unsicherheiten und Risiken verbunden. Bisherige Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Reduktion dieser Risiken liefern. Jedoch zeigte sich auch, dass die hydraulischen, thermischen, geomechanischen und hydrochemischen Verhältnisse im hydrothermalen Reservoir des Bayerischen Molassebeckens Heterogenitäten aufweisen, die auch in Verbindung mit den über- und unterlagernden Gesteinsschichten und deren Interaktion mit dem Reservoir gebracht werden können und sich auf die Bohrungs-, Fündigkeits- und Produktionsrisiken auswirken. Hierzu muss das Bayerische Molassebecken zum einen als gesamt-geothermisches System betrachtet werden, zum anderen muss auch das komplexe Zusammenspiel der physiko-chemischen Prozesse berücksichtigt werden, da diese das Produktionsrisiko (Bohrprobleme, Wechselwirkungen zwischen Injektion und Produktion, Reduzierung der Permeabilität) beeinflussen. Die genauere Untersuchung dieser Aspekte ist erforderlich, um das Prozessverständis zur Reservoirdynamik und das Bohr- und Reservoirengineering und Reservoirmanagement zu verbessern und dadurch eine langfristige und nachhaltige Bewirtschaftung des Reservoirs zu ermöglichen. Diese übergeordneten Ziele sollen durch ein erhöhtes Verständnis zum Aufbau und der Genese des Bayerischen Molassebeckens und des Reservoirs und der dort stattfindenden Prozesse, sowie der Entwicklung von Werkzeugen zur Prognose und Unterstützung eines verbesserten Bohr- und Reservoirmanagements erreicht werden. Mit fünf miteinander interagierenden Arbeitspaketen werden die einzelnen Aspekte zur Verminderung des Bohr, Fündigkeits- und Produktionsrisikos im Teilprojekt adressiert. Dabei werden Bohrloch-, Kern- und Aufschlussproben, Analogstudien sowie erstmals Daten aus einem zeitlich hoch aufgelösten Monitoring umfassend ausgewertet und Laborversuche zum Prozessverständnis durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden sowohl in verknüpfte regionale und standortbezogene hochaufgelöste numerische Modelle zur Untersuchung der thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen gekoppelten Prozesse integriert.

Für eine nachhaltige Nutzung der hydrothermalen Ressourcen in Bayern ist es essentiell den Untergrund und die Dynamik des Reservoirs gesamtheitlich zu verstehen, um Risiken zu minimieren, neue Anwendungen zu ermöglichen und damit die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Geothermiebetriebes langfristig zu gewährleisten sowie den Ausbau der Geothermie in Bayern weiter voranzutreiben. Das Teilprojekt “langfristig"  untersucht mit seinem ganzheitlichen Ansatz wesentliche Aspekte des Prozessverständnisses für eine sichere und nachhaltige Erschließung der hydrothermalen Ressource in Bayern.

Die lithologischen und strukturellen Untersuchungen im ostbayerischen Grund­gebirge und seinem Vorland dienen dazu, flächenhafte geologische Grundlagendaten für wichtige geologische Haupteinheiten und das tektonischen Strukturinventar in diesem Raum zu generieren und in einem einheitlich strukturierten Datenpool bereitzustellen. Die erforderlichen Untersuchungen werden in drei Teilprojekten umgesetzt: I) Ein wichtiges Teilziel ist die Erstel­lung eines Granitkatasters für Granitkomplexe im Fichtelgebirge, Oberpfälzer und Regensburger sowie im Bayerischen Wald durch die Bündelung existierender Daten und die Vervollständigung der Datenbasis hinsichtlich petrographischer, petrophysikalischer, geochemischer, struktureller und geomechanischer Kenngrößen. II) Exemplarisch wird anhand der Bayerischen Pfahlstörung und der Donaurandstörung die Kinematik und hydrothermale Aktivität groß­räumiger Störungszonen im ostbayerischen Raum analysiert. III) Um die post-varizischen bis alpidischen Bewegungen und die lokal bis in die Gegenwart andauernde seismische Aktivität im Zusammenspiel von Donaurandstörung, Bayerischer Pfahlstörung, Luhe Line und Fränkischer Linie zu erfassen, wird in drei Modellgebieten eine integrierte geophysikalische und DGM-Analyse von Störungszonen im Übergangsbereich vom Grundgebirge des Bayerischen Waldes zu dem sedimentären Vorland durchgeführt.

Zur Anwendung kommen hierbei State-of-the-art Erkundungsmethoden (z.B. LIDAR-Auswer­tung und Photogrammetrie) sowie moderne strukturgeologische, geomechanische, gesteins-/geophysikalische und geochemisch/isotopenanalytische Analysemethoden (z.B. geomechani­sche und mikrostrukturelle Analysen, Generierung digitaler Kluftnetzwerke, Mikrogravimetrie u.a.). Die so generierten Daten beinhalten Schlüsselinformationen für die Beurteilung von Unter­grundpotenzialen hinsichtlich wichtiger praxisrelevanter Fragestellungen wie z.B. Struktur­inventar, Hydrogeologie, Geothermie und den bruchtechnische Eigenschaften der Gesteine.

In Bayern werden bislang ausschließlich die im Gebiet des Alpenvorlands liegenden
Vorkommen heißer Wässer (hydrothermale Geothermie) genutzt. Die Erkundung und Nutzung
einer für den Raum NE-Bayern ausgewiesenen positiven Anomalie der Temperaturverteilung im
Untergrund des Raumes Staffelstein-Mürsbach birgt ein bisher unerschlossenes geothermisches
Potenzial.

Ziel der Projektarbeiten ist eine deutliche Verbesserung der Erkenntnisse zum tiefen geologischen Untergrund in NE-Bayern, seiner strukturellen Rahmenbedingungen, seines Trennflächeninventars (z.B.Störungen, Kluftreservoire) und möglicher Gesteins-Fluid-Interaktion (Abdichtung, Alteration, Mineralneubildungen).

In Bayern gibt es bisher keinen Studiengang, der auf Geothermie/Geoenergieressourcen fokussiert ist und relevante Lehrinhalte ganzheitlich - von der Aufsuchung und Erschließung bis zur energetischen Nutzung und Speicherung der Ressource - an Studierende vermittelt. Die an den beiden Standorten TU München und FAU Erlangen vorhandenen Lehr- und Forschungskompetenzen sollen durch die Einrichtung eines in der Verantwortung der FAU liegenden interdisziplinären Master-Studiengangs "GeoThermie/GeoEnergie" zusammengeführt und und inhaltlich ergänzt werden. Dies erfordert einen personellen Ausbau der Fachrichtungen I) Seismische Interpretation & Untergrund-Modellierung und II) Reservoirgeologie & Geohydraulik.
Für den Master-Studiengang "GeoThermie/GeoEnergie" wird ein interdisziplinärer Ansatz angestrebt:
Neben der geowissenschaftlichen Komponente soll auch die technische Erschließung
und energietechnische Nutzung von geothermischen Reservoiren, ergänzt durch energiewirtschaftliche
und berg-/umweltrechtliche Aspekte behandelt werden. Somit kann den Studierenden
sowohl das angestrebte ganzheitliche Systemverständnis als auch das einem modernen
Anforderungsprofil der Energiewirtschaft entsprechende Methodenspektrum vermittelt werden.
Die den Studierenden vermittelten Methoden sind jedoch keinesfalls nur auf Anwendungen in
der Geothermie beschränkt, sondern auch auf sehr viele andere, das Verständnis des tieferen
geologischen Untergrunds betreffende Fragestellungen (z.B. Gas-, Fluid- und
Wärmespeicherung) direkt übertragbar.

Mehrere Untersuchungs- und Thermalwasserbohrungen in NE-Bayern (Regierungsbezirk Oberfranken) lieferten bereits in den 1970er und 1980er Jahren Hinweise auf eine geother-mische Anomalie in dieser Region. Ursache und Umriss der Temperaturanomalie waren aber bisher nur unzureichend untersucht, um damit eine belastbare Bewertung des geother-mischen Potenzials vornehmen zu können. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, wesentli-che Kenntnislücken zu schließen und die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen zu lie-fern, um die Voraussetzungen zu schaffen, das geothermische Potenzial NE-Bayerns besser bewerten zu können.
Ein Teilziel der vorliegenden Studie war die Erstellung eines Datenpools zur Gesteinsphy-sik der Hauptgesteinstypen im Deckgebirge von Nordostbayern, mit Schwerpunkt auf deren thermo-physikalische Charakterisierung. Der erstellte Datenpool umfasst den stratigraphi-schen Abschnitt Rotliegend bis Keuper und enthält Daten zur Wärmeleitfähigkeit, Tempera-turleitfähigkeit, Porosität, Rohdichte, Reindichte, p-Wellengeschwindigkeit, Laufzeit, Perme-abilität und Druckfestigkeit. In der ersten Projektphase (Abschlussbericht 2016) standen ins-gesamt 818 Einzelproben (402 Kernproben, 38 Gesteinsbruchstückproben, 378 Plugproben) für gesteinsphysikalische Messungen zur Verfügung. Innerhalb der Projektverlängerung konnten nochmals insgesamt 833 Einzelproben (530 Kernproben, 20 Gesteinsbruchstück-proben, 283 Plugproben) untersucht werden. Die Anzahl der Petrophysik-Daten konnte somit in der Projektverlängerung verdoppelt werden. Die untersuchten stratigraphischen Einheiten wurden petrographisch und mineralogisch anhand von quantitativen XRD-Analysen (Rietveld) sowie anhand von Dünnschliffanalysen charakterisiert. Über die gesamte Projekt-laufzeit wurden hier insgesamt 360 Rietveldanalysen durchgeführt und von 177 Proben Dünnschliffe angefertigt. Primär wurde hierzu das aus Tiefbohrungen in Nordbayern vorhan-dene Bohrkernmaterial für die Durchführung der Labormessungen beprobt.
In der ersten Projektphase (Abschlussbericht 2016) wurden die Kernmärsche der Tiefboh-rung Mürsbach B1 beprobt. Für die stratigraphischen Einheiten, die nicht im Kernmaterial der Tiefbohrungen aufgeschlossen sind, wurde ergänzend Probenmaterial aus Aufschlussanalo-gen und Flachbohrungen akquiriert. Es konnten statistische Gesteinsparameter für den ge-samten Keuper, den Oberen und Unteren Muschelkalk, den Oberen und Unteren Buntsand-stein, den Zechstein und das Rotliegend ermittelt werden. Informationsdefizite verblieben für den Mittleren Buntsandstein und den Mittleren Muschelkalk, die im Rahmen einer Projektver-längerung (Abschlussbericht 2017) bearbeitet wurden. Hierfür wurden die aus den Tiefboh-rungen Obernsees, Mürsbach B3 und Mürsbach B4 vorliegenden Kernstrecken beprobt. So-weit möglich, wurden die über die Gesamtlaufzeit dieser Studie gewonnen thermo-physikalischen und petrographischen Ergebnisse zusammengefasst. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass die aus den Bohrungen Obernsees und Mürsbach ermittelten Gestein-sparameter des Buntsandsteins und Zechsteins aufgrund von unterschiedlicher fazieller Ausbildung (Randfazies/Beckenfazies) sowie Unsicherheiten in der stratigraphischen Einordnung nicht ohne weiteres zusammenfasst werden können. Die petrophysikalischen und petrographischen Ergebnisse der Bohrung Obernsees werden daher gesondert dargestellt.
Die Log-Daten der untersuchten Bohrungen Obernsees, MüB1, MüB3 und MüB4 wurden zudem mit den im Labor ermittelten Dichte- und Porositätsdaten verglichen, um die Reprä-sentativität der Labordaten zu bewerten. Insgesamt zeigen die aus den Log-Daten der unter-suchten Bohrungen ermittelten mittleren Rohdichten und Porositäten einzelner stratigraphi-scher Abschnitte eine gute Übereinstimmung mit den im Labor ermittelten Daten und sind daher als repräsentativ einzustufen.Für eine Bewertung des geothermischen Potenzials in Nordostbayern wurden verfügbare Temperatur-Daten (T-Logs, BHT) aus Tiefbohrungen ausgewertet und für die Ermittlung von geothermischen Gradienten (gradT) verschiedenen Korrekturverfahren unterzogen. Unter Verwendung der innerhalb dieser Studie ermittelten statistischen Wärmeleitfähigkeiten der Deckgebirgseinheiten wurden Berechnungen der Wärmestromdichte (WSD) durchgeführt. Bei den Bohrungen Mürsbach und Eltmann wurden die höchsten WSD-Werte von > 130 mW/m2 ermittelt. Richtung Osten zur Fränkischen Linie sowie nach Norden und Westen deutet sich ein Abfall der Wärmestromdichte an, jedoch liegen die Werte auch hier mit z.T. >100 mW/m2 in einem, für eine kontinentale Beckenposition sehr hohen Wertebereich. Die ermittelten Werte liegen z.T. im Bereich der für den Oberrheingraben publizierten Wär-mestromdichten (Rybach, 2007: ca. 110mW/m2, Hurter und Hänel, 2002: 140 mW/m2).Die gravimetrische Modellierung wurde im Jahr der Projektverlängerung auf das gesamte Fränkische Becken ausgeweitet. In diesem Gebiet wurden vier Regionen mit negativer Bou-guerschwere identifiziert (Bayreuth, Erlangen, Haßfurt, südl. Lichtenfels), die durch Modellie-rung der "normalen“ stratigraphischen Abfolge (Deckgebirge und Grundgebirge) nicht erklärt werden können. Eine gute Übereinstimmung von gemessener und modellierter Schwere ergibt sich hingegen, wenn Granitintrusionen im saxothuringischen Untergrund in das Modell integriert werden. Die Tiefenlage der Modellkörper wurde aus Filterungen der Schweredaten abgeschätzt, die ein erstes Auftreten der Anomalien zwischen 5 – 12 km anzeigen. Die aus der Geometrie der Anomalie berechneten Tiefenlagen der Granite liegen mit 4 - 15 km im ähnlichen Wertebereich. Magnetfeldmodellierungen geben keinen Hinweis auf einen signifi-kanten Horizontalversatz entlang der Fränkischen Linie; es wird von einer Fortsetzung der östlich der Fränkischen Linie obertägig aufgeschlossenen Grundgebirgseinheiten in den Un-tergrund des Fränkischen Beckens in streichender Verlängerung ausgegangen. Die ausge-prägte Schwerefeldanomalie im Bereich von Bayreuth wäre damit durch einen Granitkörper zu erklären, der mit den im Fichtelgebirge aufgeschlossenen Graniten der saxothuringischen Zone vergleichbar ist. Die Auswirkung einer radiogenen Wärmeproduktion durch granitische Körper im Untergrund auf den geothermischen Gradienten im Gebiet des Fränkischen Beckens wurde für die Situation im Bereich der Bohrung Obernsees bewertet. Die Modellrechnung demonstriert exemp-larisch, dass die radiogene Wärmeproduktion der jüngeren Granitgeneration des Fichtelgebirges (Mittelwert: 5,6  µW/m³) oder der Oberpfalz (Mittelwert: 6,1  µW/m³) ausreicht, um den erhöhten geothermischen Gradienten (Bohrung Obernsees: 38 K/km) zu erklären.  
Die im letzten Projektabschnitt durchgeführten Messungen der Radonemanation wurden durch weitere Messungen ergänzt. Die Messergebnisse haben die lokal erhöhten Konzentrationen im Bereich von Störungszonen des Staffelsteingrabens bestätigt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Messprofile z.T. zu kurz sind, um die Beziehung zwischen Anomalie und auskartierter Störungszone deutlich zu evaluieren. Die Messungen wurden auf das Gebiet um Obernsees ausgeweitet, auch hier haben sich Anomalien gezeigt, die auf eine hydraulische Durchlässigkeit des Untergrundes schließen lassen. Wie schon für das Gebiet um Bad Staffelstein (Abschlussbericht 2016) zeigt eine Lineamentanalyse auf der Grundlage des Di-gitalen Höhenmodells mit 1 m Auflösung (DGM1) aus Airborne-LiDAR-Daten auch für das Gebiet um Obernsees eine Vergitterung von mehreren Lineamentorientierungen. Auch die Hauptrichtungen entsprechen den im ersten Projektbericht beschriebenem Muster; neben Strukturen parallel zur Fränkischen Linie (Lineamente 1. Ordnung) zeigen die Lineamente die variszische Orientierung, sowie N-S streichende Orientierung (beide Richtungen zusammen: Lineamente 2. Ordnung). Kurze Lineamente (3. Ordnung) sind bevorzugt E-W orientiert. Ein weiterer Schwerpunkt der Projektarbeit im Verlängerungsjahr lag in der Dokumentation und Bearbeitung des Grundgebirgsabschnittes aus der Bohrung Obernsees (1341,70 – 1390,00 m). Die Bohrung hat schwach metamorphe Sandstein- und Sandstein-/Siltsteinwechselfolgen aufgeschlossen, die dem saxothuringischen Grundgebirge zuzuordnen sind, eine genaue stratigraphische Einordnung steht noch aus. Die Metasedimente zeigen zwei Schieferungsgenerationen mit Sprossung von Hellglimmern, der sedimentäre Mate-rialwechsel sind jedoch noch sehr gut sichtbar.   
An Sandsteinen/Metasandsteinen aus Deck- und Grundgebirge wurden Triaxialtests durch-geführt, um gesteinsmechanische Kenngrößen zu erhalten. Die Tests belegen eine extreme Bruchhaftigkeit (brittleness) und Steifigkeit, sowie eine hohe Festigkeit des Grundgebirges (saxothuringische Metasandsteine). Die Festigkeit des Grundgebirges liegt mit 185 MPa um ein etwa Vierfaches höher als die Festigkeit von Sandsteinen aus der hangenden Zechstein-abfolge mit nur 45 MPa. Diese Bruchhaftigkeit (Brechen ohne vorherige Anlage von Mikroris-sen) erklärt auch das Muster der mit Quarz verheilten Bruchstrukturen, die in den massigen, schwach metamorphen Sandsteinlagen prägnante Strukturen bilden. Die Bruchbildung er-folgte unter hohen Porenwasserdrucken (hydraulische Bruchbildung). Anhand der mehrpha-sigen Quarzmineralisation kann auf mehrere Pulse von Öffnung und Verheilung der Brüche geschlossen werden (crack and seal Mechanismus). Die Raumlage der in der Bohrung mit-telsteil bis steil einfallenden Quarzadern stimmt mit der Orientierung der spät-variszischen Hauptstörungsstrukturen überein (parallel zur Fränkischen Linie). Mikrostrukturelle Analysen zeigen kristallplastische Deformationsstrukturen (low temperature plasticity, Temperaturbe-reich von ca. 250 - 280°C) und geben damit Hinweise auf eine Paläo-Tiefenlage des durch die Bohrung Obernsees aufgeschlossenen Grundgebirges von ca. 7 km bei Anlage dieser Strukturen (bei gradT 38 K/km). Die Quarzadern werden durch jüngere, steile Störungen versetzt.