Tiefe Geothermie kann Wärme und, je nach Anlage, auch Strom liefern. Doch wenn Wasser mehrere Kilometer tief unter der Erde zirkuliert, verändert dies die Bedingungen im Gestein und kann Erdbeben auslösen. Die seismologische Überwachung dient dazu, diese Bewegungen zu erkennen und die Arbeiten entsprechend anzupassen. Sie muss vor Beginn der Arbeiten einsetzen und kann auch nach deren Ende noch erforderlich sein.
Wasser verändert die Spannungsverhältnisse im Untergrund
Bei der tiefen Geothermie wird Wärme aus Gestein gewonnen, das sich laut der vom BRGM verwendeten Definition in mehr als 200 Metern und bis zu mehreren Kilometern Tiefe befindet. Ein Projekt kann natürlich durchlässiges Gestein nutzen oder versuchen, dessen Durchlässigkeit durch Stimulationsmaßnahmen zu verbessern. Das injizierte Wasser erwärmt sich beim Kontakt mit dem Gestein, steigt an die Oberfläche und kann anschließend abgekühlt und erneut injiziert werden.
Dieser Kreislauf findet nicht in einem gleichförmigen Umfeld statt. Der Untergrund weist Klüfte und Verwerfungen auf, deren Geometrie und mechanischer Zustand nicht immer genau bekannt sind. Durch die Injektion verändert sich der Fluiddruck und damit auch die auf das Gestein wirkenden Spannungen. Wenn eine Verwerfung bereits kurz davor ist, sich zu verschieben, kann diese Veränderung zu ihrer Bewegung beitragen und ein Erdbeben auslösen.
In diesem Fall spricht man von induzierter Seismizität: seismischer Aktivität, die mit einem menschlichen Eingriff zusammenhängt. Das bedeutet nicht, dass jedes Erdbeben in der Nähe eines Geothermieprojekts automatisch diesem zuzuschreiben ist. Der Ursprung eines Ereignisses muss anhand der verfügbaren Daten ermittelt werden; die räumliche Nähe oder das zeitliche Zusammentreffen allein reichen nicht aus, um einen Zusammenhang nachzuweisen.
Messen, bevor das Reservoir verändert wird
Eine sinnvolle Überwachung beginnt mit der Erfassung eines Ausgangszustands. Werden seismische Aktivitäten bereits vor Beginn der Arbeiten aufgezeichnet, lässt sich die am Standort beobachtete Aktivität beschreiben und mit der danach auftretenden vergleichen. Auch geologische und geophysikalische Untersuchungen im Vorfeld sollen das Gestein sowie die möglicherweise betroffenen Klüfte und Verwerfungen charakterisieren.
Diese Kenntnisse bleiben zwangsläufig unvollständig: Tiefe Strukturen werden anhand indirekter Daten untersucht und lassen sich nicht immer bis ins letzte Detail kartieren. Die Überwachung beseitigt die Unsicherheit daher nicht. Sie liefert Beobachtungen, anhand derer sich das Projekt im weiteren Verlauf steuern lässt.
An der Oberfläche und manchmal auch in Bohrlöchern installierte Sensoren zeichnen die Bodenschwingungen auf. Einige der erfassten Ereignisse sind zu schwach, um von der Bevölkerung wahrgenommen zu werden. Fachleute können anschließend ihre Magnitude, Häufigkeit, Lage und Entwicklung untersuchen und diese Beobachtungen mit Betriebsparametern wie der Injektion von Fluiden vergleichen.
Die Magnitude gibt die Stärke eines Erdbebens an. Sie beschreibt nicht allein das Risiko für Menschen oder Gebäude: Dieses hängt auch von der Lage des Ereignisses, der Tiefe, den örtlichen Bedingungen und der Exposition ab. Ebenso lässt sich aus der Erfassung einer größeren Zahl von Mikrobeben ohne weitere Analyse nicht schließen, dass ein schadenbringendes Erdbeben folgen wird. Die gemeinsame Entwicklung der Signale und des Betriebs des Reservoirs hilft bei der Entscheidung, ob die Arbeiten angepasst werden müssen.
Eine Überwachung, die Entscheidungen begleitet
Seismische Aufzeichnungen dienen nicht nur einer nachträglichen Bestandsaufnahme. Sie können dazu beitragen, die Durchflussrate oder den Injektionsdruck anzupassen oder die Arbeiten auszusetzen, wenn die für das Projekt festgelegten Warnschwellen erreicht werden. Diese Schwellen und die damit verbundenen Maßnahmen sind nicht zwangsläufig an jedem Standort gleich: Sie müssen die verfügbaren Daten, die Geologie und die eingesetzten Techniken berücksichtigen.
Der vom BRGM und Ineris erarbeitete Leitfaden schlägt eine Methode vor, um das Risiko induzierter Seismizität zu bewerten und bei wichtigen Projektphasen erneut zu prüfen. Er empfiehlt, in verschiedenen Phasen Daten zu erheben, die Überwachungsmittel an das Risikoniveau anzupassen und Betriebsprotokolle entsprechend den eingesetzten Technologien und der erfassten Mikroseismizität festzulegen. Es handelt sich um einen Rahmen für bewährte Verfahren, der auf den verfügbaren Erkenntnissen und Erfahrungswerten beruht, nicht um eine Garantie dafür, dass kein Ereignis eintreten wird.
Diese Vorgehensweise erklärt, warum die Überwachung nicht unbedingt endet, sobald die Injektionen eingestellt werden. Störungen im Untergrund können fortbestehen und die Seismizität kann sich nach der Unterbrechung der Arbeiten weiterentwickeln. Dauer und Ausgestaltung der Überwachung müssen daher anhand der Situation am jeweiligen Standort beurteilt werden, statt sich aus einer allgemeingültigen Regel abzuleiten.
Bei der praktischen Frage geht es also nicht nur darum, ob ein Projekt Erdbeben auslösen kann. Es geht auch darum, welche Daten erhoben, wie sie ausgewertet und welche Entscheidungen auf ein besorgniserregendes Signal hin getroffen werden. Ein Messnetz beseitigt das Risiko nicht: Es hilft, es zu beschreiben und den Betrieb anzupassen – vor, während und, wenn die Situation es erfordert, nach den Arbeiten.
Quellen
- Warum erfordert der Bau von Geothermiekraftwerken eine permanente seismologische Überwachung?
- Tiefe Geothermie: Ein Leitfaden zur Kontrolle induzierter Seismizität
- Tiefe Geothermie: Ein Handbuch zur Kontrolle induzierter Seismizität
Das Geothermiekraftwerk Krafla in Island. Symbolfoto.
