Technische Universität Bergakademie Freiberg Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau Institut für Geotechnik

Geotechnik–Jahresexkursion 2011

vom 25.09. bis 30.09.2011 „Geothermie/Spezialtiefbau in Süddeutschland“

Vorbereitung und Leitung:

Diplom-Geologe Detlev Tondera/TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik

Teilnehmerliste der Studierenden:

1. Neubert, Natalie 6. Fachsemester Geotechnik

2. Werner, Carsten 6. Fachsemester Geotechnik

3. Preiß, Alexander 8. Fachsemester Geotechnik

4. Köditz, Sindy 10. Fachsemester Geotechnik

5. Anding, Felix 12. Fachsemester Bohrtechnik

6. Voland, Stefan 2. Fachsemester Master Geowissenschaften

7. Schmidt, Marcus 2. Fachsemester Master Geowissenschaften

8. Rehda, Jan 2. Fachsemester Master Geowissenschaften

9. Bräutigam, Nico 12. Fachsemester Umweltengineering

10. Burkhardt, Stefan 8. Fachsemester Geoökologie

11. Kriester, Hannes 8. Fachsemester Wirtschaftswissenschaften

12. Michalsky, Tom Physikstudent der Uni Leipzig

Teilnehmende Mitarbeiter:

Dipl.-Geophys. Holger Schütz, Institut für Geotechnik

Dipl.-Ing. Falk Schreiter, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau

Inhalt 1 Besuch der Firma Keller Grundbau GmbH in Renchen 03 2 Besichtigung des Sanierungsstandortes Staufen im Breisgau 05 3 Geothermiekraftwerk Landau 09 4 Nördlinger Ries Geopark in Nördlingen 13 5 Geothermiekraftwerkes Unterhaching 18 6 Geothermiekraftwerkes Unterföhring (GEOVOL) 19 7 Geothermiebohrung Taufkirchen (exorka) 19 8 Besuch der Firma Bauer Spezialtiefbau GmbH in Schrobenhausen 24 9 Besichtigung der Kontinentaltiefbohrung in Windischeschenbach 28 Alle in diesem Exkursionsbericht enthaltenen Angaben und Daten sind von den je-weiligen Berichterstatterinnen/Berichterstattern nach bestem Wissen erstellt worden. Die dazu verwendeten Quellen sind am Ende eines jeden Abschnittes zusammen-fassend wiedergegeben worden. Dies betrifft auch die Quellen für übernommene Bil-der. Darüber hinaus ist der Bericht durch eigene Bilder der Exkursionsteilnehmer er-gänzt worden. Inhaltliche Fehler können nicht vollständig ausgeschlossen werden. Daher erfolgt die Veröffentlichung nachstehender Angaben und Daten ohne jegliche Verpflichtung o-der Garantie sowohl der Autoren als auch des Instituts für Geotechnik, das bei der Berichtserstellung federführend tätig gewesen ist. Ein besonderer Dank der Organisatoren und Teilnehmer gilt dem Verein Freiberger Geotechniker e. V. für dessen finanzielle Unterstützung. Detlev Tondera

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Geotechnikexkursion „Geothermie/Spezialtiefbau“ Exkursionsplan 5-Tagesexkursion vom 25.09. bis 30.09. 2011 in den Raum Süddeutschland Sontag, 25.09.2011 12:00 Uhr Start Institut für Geotechnik, Gustav-Zeuner-Str. 1 Übernachtung in 76532 Baden-Baden, Hardbergstraße 34

Montag, 26.09.2011

08:40 Uhr Abfahrt nach Renchen 09:30 Uhr Besuch der Keller Grundbau GmbH

in 77871 Renchen, Schwarzwaldstraße 1 12:00 Uhr Mittagessen, Abfahrt zum Sanierungsstandort Staufen 14:00 Uhr Besuch des Sanierungsstandortes Staufen Übernachtung in 76532 Baden-Baden, Hardbergstraße 34

Dienstag, 27.09.2011

08:30 Uhr Abfahrt Richtung 76829 Landau, Eutzinger Straße 10:00 Uhr Geothermiekraftwerk Landau Herr Hettkamp (Bestec GmbH, Landau) 12:30 Uhr Mittagessen 13:30 Uhr Weiterfahrt zur DHJ Ingolstadt über

Nördlingen Nördlinger Ries (Geopark) Übernachtung in der DJH 85049 Ingolstadt, Friedhofstraße 4 1/2

Mittwoch, 28.09.2011

08:30 Uhr Abfahrt nach 82008 Unterhaching, Grünwalder Weg 48 10:00 Uhr Geothermiekraftwerk Unterhaching 13:30 Uhr Geothermalbohrung Unterföhring (GEOVOL GmbH) 15:30 Uhr 85774 Unterföhring, Etzweg 10 16:00 Uhr Besichtigung Tiefbohrung Taufkirchen (exorka, Frau Hannig) Übernachtung in der DJH 85049 Ingolstadt, Friedhofstraße 4 1/2

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Donnerstag, 29.09.2011

08:00 Uhr Abfahrt in Richtung 86529 Schrobenhausen, BAUER-Straße 1 09:00 Uhr Firma Bauer Spezialtiefbau GmbH, Schrobenhausen (Spezialtiefbau Geräte-Testgelände) 12:00 Uhr Mittagessen 13:30 Uhr Besuch der Tiefbohranlage TBA 400 (Firma Bauer in Edelshausen) Übernachtung in der DJH 85049 Ingolstadt, Friedhofstraße 4 1/2

Freitag, 30.09.2011

07:30 Uhr Abfahrt in Richtung Windischeschenbach 10:00 Uhr Besichtigung KTB Windischeschenbach 12:30 Uhr Heimfahrt nach Freiberg 15:30 Uhr Ankunft

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1 Besuch der Firma Keller Grundbau GmbH Exkursionsbetreuung: S. Binde Berichterstatter: Natalie Neubert, Carsten Werner Besichtigung der Keller Grundbau GmbH in Renchen Am ersten Tag der Exkursion mit dem Schwerpunkt Geothermie wurde die Fa. Keller Grundbau GmbH am Standort Renchen besichtigt. Die Kleinstadt Renchen liegt im Bundesland Baden-Württemberg ca. 30 km südlich von Baden-Baden und westlich des Schwarzwaldes im Gebiet des Oberrheingrabens. Allgemeines zur Keller Group plc Die Keller Group plc ist eines der weltweit führenden Serviceunternehmen im Bereich Grundbau. Das Unternehmen hat einen jährlichen Umsatz von rund 1 Mrd. Pfund Sterling und beschäftigt rund 6 000 Mitarbeiter in 40 Ländern.1994 ging die Keller Group plc an die Londoner Börse und hat zurzeit ein Marktkapital von ca. 238 Mio. €. Die Firma wurde 1860 von Johann Keller in Renchen gegründet, wo noch heute eine Zweigniederlassung existiert. Bis in die 70er Jahre des letzten Jahrhunderts in deut-scher Hand, wurde das Unternehmen 1976 an den britischen GKN-Konzern verkauft. 1990 erfolgte ein „Management by out“. Seitdem ist das Unternehmen eigenständig mit Projekten auf allen bewohnten Kontinenten. Die größten Umsätze macht die Keller Group plc in Amerika, auch in Australien steigen diese weiter an. Weitere Boomländer sind Indien und Polen. Die deutsche Tochtergesellschaft Keller Grundbau GmbH mit Hauptsitz in Offenbach besitzt in Deutschland 9 Niederlassungen mit ca. 500 Mitarbeitern und ist hier jährlich auf ca. 800 Baustellen vorrangig im Straßenbau vertreten. Die Niederlassung Renchen (Bild 1.1) ist neben der Keimzelle der Firma auch Sitz der Entwicklungs- und Maschinenbauabteilung. Hier werden spezielle Maschinen für die

Bild 1.1: Firmengelände Renchen

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Baugrundstabilisierung entwickelt, gebaut und getestet. Dazu zählen Rüttelgeräte zur Rütteldruck- oder Rüttelstopfverdichtung und Injektionsgeräte (Bild 1.2), die aber nur zum Eigenbedarf hergestellt werden. Andere Baumaschinen, z. B. zur Pfahlherstel-lung werden von Großherstellern bezogen. Diese machen ca. 80% des Fuhrparks aus. Injektionstechnik Die Keller Grundbau GmbH wendet mehrere Injektionsverfahren zur Baugrundverbes-serung und -abdichtung an (Bild 1.2). Zum einen Chemikalieninjektionen aus Weichgel zur Baugrundabdichtung, zum anderen Verdichtungsinjektionen, speziell das Solicre-te®- und das Solifrac®- Verfahren, die von Keller zur Baugrundstabilisierung einge-setzt werden. Die zuletzt genannten Spezialverfahren wurden von Keller selbst entwi-ckelt. Beim Solicrete®- Verfahren wird mit Hilfe eines Hochdruckwasserstrahls Boden beim Bohren gewonnen. Dieser erodierte Boden wird dann, nachdem er mit einer Ze-mentsuspension vermischt wurde, wieder in das Bohrloch geführt. Es entsteht eine Bodenvermörtelung. Diese kann statische wie auch abdichtende Funktionen über-nehmen. Beim Solifrac®- Verfahren (Bild 1.3) werden durch Fracen erzeugte Risse mit einer Suspension aufgefüllt. Dabei wird in einer Bohrung ein gewisser Raum mit Hilfe von Packern abgedichtet und dieser mit Druck so lang beaufschlagt, bis Risse im Boden entstehen. Diese Risse werden dann mit einer geeigneten Suspension verpresst. Gleichzeitig werden die Hebungen an der Oberfläche beobachtet. Dieses Verfahren wird bei Gründungen eingesetzt, um Setzungen zu stoppen oder um Gebäude aus Schieflagen zu heben.

Bild 1.2: HDI-Gerät Bild 1.3: Schema Solifrac®- Verfahren

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2 Besichtigung des Sanierungsstandortes Staufen im Breisgau

Exkursionsbetreuung: S. Binde Berichterstatter: Natalie Neubert, Carsten Werner Die Stadt Staufen liegt ca. 20 km süd-westlich von Freiburg im Breisgau auf der Randscholle des Oberrheintalgrabens mit komplizierter Tektonik. Im September 2007 wurden im Stadtzentrum sieben Bohrungen zur geothermischen Energieversorgung des Rathauses für Heizung und Kühlung abgeteuft. Bereits einige Wochen später stellten sich erste Risse am Rathaus und am Bauamt ein. Anfänglich wurde vermutet, dass die auftretenden Risse Erscheinungen von Setzungen sind. Ein Zusammenhang mit den Erdwärmesonden (ESW) wurde zu diesem Zeitpunkt noch nicht gesehen. Geodätische Messungen zeigten jedoch, dass Hebungen die Ursache der Schäden sind. Die Hebungen erreichten im Stadtzentrum im Mai eine Geschwin-digkeit von 1 cm je Monat und führten zu einer Gefährdung der Anwohner durch geris-sene Gasleitungen und herunterfallende Stuckdecken, sowie zu einer erheblichen Minderung des Marktwertes der Gebäude (Bilder 2.1 und 2.2). Im Zeitraum von An-fang Februar bis Mitte Juni 2008 hatten sich die Messpunkte im Stadtzentrum um fast 50 cm gehoben.

Bild 2.1: Risse im Stadtzentrum von Staufen Bild 2.2: Treppenturm im Rathaus Unter einer geringmächtigen Kiesüberdeckung befinden sich im Untergrund von Stau-fen Schichten des Schilfsandsteins, des Gipskeupers und des Unterkeupers (Bild 2.3). Bei Erkundungsmaßnahmen wurden vier unabhängige, gespannte Grundwasser-stockwerke festgestellt. Es wurde die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die anhydriti-sche Schicht des ca. 100 m unter dem Gelände nachgewiesenem Gipskeupers durch die ca. 140 m tiefen EWS-Bohrungen, wahrscheinlich durch eine ungenügende Ze-mentierung des Ringraumes, mit dem gespannten Grundwasser in Verbindung ge-bracht wurden. Bei der Umwandlung von Anhydrit zu Gips wird Wasser unter Volumenzunahme und

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Wärmeentwicklung in die Kristallstruktur eingelagert. Die in Staufen vorhandenen Überlagerungen sind zu gering, um die dabei entstehenden Quelldrücke auszuglei-chen. Bei Temperaturmessungen in den Sonden konnten erhöhte Temperaturen im Bereich des Gipskeupers nachgewiesen werden, was die Hypothese des Gipsquellens bestä-tigte. Besonders auffällig war hierbei die EWS 7.

Bild 2.3: Schematischer geologischer Schnitt Es wurden zahlreiche Lösungsvorschläge auf ihre Durchführbarkeit und ihre Risiken bewertet, wie z. B. hydraulische Einkapselung mit überschnittenen Bohrpfahlwänden, Vereisung der Sonden, Herstellung von Hebungspuffern oder eine Überbohrung der Sonden. Eine Nachverpressung der Sonden wurde als realisierbar und erfolgversprechend be-urteilt. Zum Verpressen der Ringräume der Sonden musste eines der beiden aus Kunststoff (PE) bestehende U-Rohr auf der gesamten Sondenlänge von innen heraus aufge-schnitten werden. Die besondere Anforderung an den Schneidkopf bestand darin, dass das zweite U-Rohr nicht beschädigt werden durfte, um darin weiterhin Messun-gen durchführen zu können. Hierfür hat die Fa. Keller Grundbau GmbH einen Düsen-kopf mit vier Düsen und einem Durchmesser von 18 mm entwickelt, die das PE-Rohr mit hohem Wasserdruck aufschneiden sollten. Es wurden ca. 100 Schnittversuche mit unterschiedlichen Drücken, Schneidgeschwin-digkeiten und Wassermengen in unterschiedlichen Teufen durchgeführt. In der Grube Clara in Oberwolfach (Schwarzwald) konnten die tatsächlichen Verhält-nisse nachgebildet werden, um einen Großversuch mit einer Sondenlänge von ca. 140 m durchzuführen. Die Schneid- und Verpresswerkzeuge in die maximale Teufe zu bringen und wieder zuverlässig zu ziehen, stellten dabei große Schwierigkeiten dar.

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Des Weiteren hatte sich aufgrund der Quellvorgänge der Innendurchmesser der Son-den verringert, so dass viel Entwicklungsarbeit notwendig war, um die auftretenden Probleme zu lösen. Es kam schließlich ein Schneidkopf mit zwei Düsen, 7 mm Durchmesser und 1000 bar Schneiddruck, zur Anwendung. Außerdem wurde eine Verpress-Suspension entwickelt, um den speziellen chemischen und physikalischen Anforderungen gerecht zu werden. Im Oktober 2009 wurde eine zum Brunnen ausgebaute Erkundungsbohrung in Betrieb genommen. Diese diente zur Entwässerung sowie zur ständigen pH-Wert-Kontrolle des Grundwassers während der Verpressarbeiten. Von November 2009 bis April 2010 wurden alle sieben EWS bis 40 m unterhalb der Geländeoberfläche verpresst, die da-bei aufgetretenen Probleme und die gewonnen Erfahrungen führten zu einer ständi-gen Weiterentwicklung und Verfeinerung des Verfahrens.

Bild 2.4: Injektionsmengen Die Dokumentation der Verpressmengen (Bild 2.4) und die Messungen der Tempera-turentwicklung in den Sonden verfestigt die anfangs aufgeführte Arbeitshypothese und bestätigt, dass vor allem bei der EWS 7 die Ringraumabdichtung unzureichend war. Seit dem Beginn der Abwehrmaßnahmen nehmen die Hebungsgeschwindigkeiten kontinuierlich ab. Es wird vermutet, dass sich das Stadtzentrum noch um weitere 40 bis 50 cm heben wird, bis die Hebungen endgültig abgeklungen sind. Wann dies der Fall sein wird, kann noch nicht voraus gesagt werden.

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Quellen: - eigene Mitschriften - http://www.op-online.de/wirtschaft-lokal/kellerschafftweltweitgrundlagen-792014.html - http://www.kellergrundbau.de/files_db/1312932483_0418__6.pdf - Skript: Ingenieurgeologie II von Dr. G. Meier - http://www.kellergrundbau.de - http://www.keller.co.uk Bildnachweis: - eigene Fotos Bilder 1.1, 1.2, 2.1 - http://www.kellergrundbau.de/ Bilder 1.3, 2.3, 2.4 - http://www.frsw.de/staufen1.htm Bild 2.2

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3 Besichtigung des Geothermie-Kraftwerks Landau

Exkursionsbetreuung: Dipl. Geophysiker Tom Hettkamp Berichterstatter: Sindy Köditz, Alexander Preiß Standort Landau Das im pfälzischen Landau stehende Geothermie-Kraftwerk (Bild 3.1) befindet sich im Oberrheingraben und dient heute zur Gewinnung von elektrischer Energie und der Er-zeugung von Fernwärme. Das Projekt wurde 2004 durch die Gründung der geox GmbH als Tochtergesellschaft der Pfalzwerke und der Energie Südwest ins Leben gerufen und gilt seit seiner Inbe-triebnahme im November 2007 als erstes industriell errichtetes ganzjährlich genutztes Geothermie-Kraftwerk in Deutschland. Seit Beginn der Planungen wurden rd. 20 Mio. € für das Projekt investiert. Der Standort Landau stellt geologisch eine Besonderheit für die geothermische Nut-zung dar. Denn im Gegensatz zu ähnlich tiefen Geothermie-Projekten sind in der Re-gion um Landau die Wasserreservoire durch vorhandene Störungszonen hydraulisch miteinander verbunden, sodass kein Hydraulic Fracturing erforderlich war. Der erzeugte Wasserfluss für das Geothermie-Projekt verläuft entlang einer von Ost nach West gerichteten Störungszone und benötigt von der Injektion bis zur Förderung 400 Tage. Über die abgeteuften Bohrungen kann dabei eine Schüttungszahl von 50 bis 70 Liter pro Sekunde mit einer Soletemperatur von rd. 159°C realisiert werden. Projektverlauf

Bild 3.1: Geothermie-Kraftwerk Landau aus der Luft (2008) Die Auswahl des Standortes resultiert aus der 2003 durchgeführten Studie zur Bewer-tung der geologischen und verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur praktischen Nut-zung geothermischer Energie an ausgewählten Standorten im Oberrheingraben.

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Mit dem Projektstart wurde das Gelände der ehemaligen Panzerwerkstätten Landau erworben. Auf dem Grundstück wurden in den Jahren 2005 und 2006 die Bohrungen für die Thermalwasserförderung und -injektion als Dublettensysytem niedergebracht. Die Bohrendteufen beider Bohrungen liegen bei über 3 000 m.

Bild 3.2: Bohrlochkopf Noch während der Abteufung der 2. Bohrung begannen die Vorbereitungen für den Bau des Kraftwerkes, dessen Baubeginn im Dezember 2006 erfolgte. Nach erfolgreich abgeschlossenen Zirkulationstests folgte ab Mai 2007 der Aufbau der Kühlung und des Turbogenerators. Am 21. November 2007 erfolgte nach einem Probebetrieb die offizielle Inbetriebnah-me des Geothermie-Kraftwerks in Landau. Für die Auskopplung von Fernwärme wurde am 27. Oktober 2010 ein nachträglich in-stallierter Röhrenwärmetauscher in Betrieb genommen.

Bild 3.3: Schema der Geothermienutzung in Landau

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Stromerzeugung und Fernwärme Das erhitzte Thermalwasser wird nach seiner Förderung an der Tagesoberfläche in zwei Schritten abgekühlt und in elektrische bzw. thermische Energie umgewandelt. Im ersten Schritt wird mittels der Wärmeenergie elektrischer Strom erzeugt, dies ge-schieht über die Organic Ranking Cycle Anlage. Hierbei wird die Wärme mittels Wär-metauscher auf ein in sich geschlossenes System übertragen. Als Trägermedium wird Isopentan verwendet, welches durch seine geringe Verdampfungstemperatur (Siede-temperatur 28°C) eine höhere Ausnutzung der Turbine erlaubt und eine höhere ener-getische Ausbeute ermöglicht.

Bild 3.4: Organic Ranking Cycle Anlage Durch das Thermalwasser kann eine elektrische Leistung von ca. 4 MWel erzeugt werden. Dies ist eine jährliche Strommenge von rd. 20 Mio. kWh, die neben dem Ei-genbedarf des Kraftwerkes von ca. 33 % des erzeugten Stroms, den Jahresbedarf von 6 000 Haushalten abdeckt. Bei diesem Schritt sinkt die Temperatur des Thermalwassers von rd. 159°C auf 76,8°C ab. Die verbleibende Restwärme wird im zweiten Schritt über den oben ge-nannten Röhrenwärmetauscher in das angeschlossene Fernwärmenetz übertragen. Dabei sinkt die Temperatur des Thermalwassers auf rd. 69°C ab und wird über die In-jektionsbohrung wieder in den Untergrund verpresst. Für das Fernwärmenetz wird somit eine durchschnittliche thermische Leistung von 6 bis 8 MWth erzeugt, durch die rd. 1 000 Haushalte versorgt werden können.

Bild 3.5: Röhrenwärmetauscher

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Durch die Nutzung des Geothermie-Kraftwerkes soll eine jährliche Einsparung von 6.000 Tonnen CO2 erreicht werden. Literaturverzeichnis http://www.ie-leipzig.com/IE/Geothermie/Portal/Projekte/Landau.pdf http://www.geox-gmbh.de/de/Projekt_Landau.htm Bildverzeichnis Bild 3.1: Geothermie-Kraftwerk Landau aus der Luft (2008) http://www.geox-gmbh.de/shared/diashow.asp?url=/media/Diashow08/ 21.4.2008&file=Geothermiekraftwerk_6.JPG&first=1&language=de&thumbwidth=140&exclude=###---###  

Bild 3.3: Schema der Geothermienutzung in Landau http://www.geoxmbh.de/media/homepage/Schema_der_Geothermienutzung_in_Landau.pdf  

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4 Nördlinger Ries Geopark in Nördlingen Exkursionsbetreuung: Dr. Giesela Pösges Berichterstatter: Sindy Köditz, Alexander Preiß

Bild 4.1: Luftaufnahme des Kraters

An der Grenze zwischen fränkischer und schwäbischer Alb befindet sich das Nördlin-ger Ries. Zusammen mit dem Steinheimer Becken stellt es eine 14,3 - 14,8 Millionen Jahre alte Impaktstruktur dar. Ein Asteroid von 800-1 200 m Durchmesser soll mit ei-ner Geschwindigkeit von 20 bis 40 km/s in das heutige Ries eingeschlagen sein, wo-bei vermutlich ein Trabant dieses Asteroiden das heutige Steinheimer Becken geformt hat. Das Nördlinger Ries ist einer der am besten erhaltenen und genauestens untersuch-ten großen Impaktkrater der Welt, von welchem heute noch eine fast kreisrunde, 100 m eingesenkte Ebene mit ca. 23 km Durchmesser zu sehen ist (Bild 4.1). In ihr stehen mächtige, fruchtbare Lehme an. Der Kraterrand ist als bewaldete Hügelkette erkennbar. Hier stehen bis zu 200 m mächtige Auswurfmassen des einstigen Impakts an. Im Inneren des Rieskraters erhebt sich als flache Wallstruktur der innere kristalline Ring mit 10 bis 12 km Durchmesser. Er weist den Rieskrater als komplexen Krater mit inneren Grundbrüchen aus. Im 19. und 20. Jahrhundert ging man davon aus, dass es sich beim Nördlinger Ries und Steinheimer Becken um Vulkanstrukturen handeln könnte, jedoch fehlten die ein-deutigen vulkanischen Gesteine. Erst die Geologen Shoemaker und Chao konnten in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts nachweisen, dass die Strukturen auf Aste-roideneinschläge zurückgehen. Im Nördlinger Kratermuseum kann man sich ausgiebig zur Erforschungsgeschichte des Nördlinger Ries sowie allgemein zu Meteoriten, Impakten und auch zum späteren geologischen Geschehen im Ries informieren. Entstehung des Kraters Anhand der Größe des Kraters, der Verteilung der Trümmer, der Ausdehnung der ge-störten Gesteinszonen, deren Petrografie und Mineralogie sowie aus Vergleichen mit anderen Kratern und Sprengversuchen hat man versucht, den Ablauf des Impakter-eignisses zu rekonstruieren. Dabei wurde das Impaktereignis in drei Phasen geglie-dert: die Kontaktphase, die Auswurfphase und die Kraterwachstumsphase. Vor dem

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Impakt war das kristalline Grundgebirge von den Schichten der Trias und des Juras überlagert. In der Kontaktphase trifft der Asteroid auf die Erdoberfläche. 10 ms nach dem Aufprall wird diese durch extreme Kompression aufgeschmolzen und vom, im 30°-Winkel auf-treffenden Asteroiden seitlich und nach vorn weggedrückt. Die dadurch geschmolze-nen und verdampften Gesteine werden bis zu 450 km weit geschleudert, wo sie heute als Moldavite in Südtschechien zu finden sind (Bild 4.2). 60 ms nach dem Aufprall komprimiert der auftreffende Asteroid die Oberfläche elastisch und dringt ca. 1 km tief ins Deckgebirge ein. Eine Front mit extrem hohem Druck und hohen Temperaturen entsteht. Auch der Asteroid selbst wird stark komprimiert. Die Schockwelle der Druck-front läuft mit Überschallgeschwindigkeit und einem Spitzendruck von 400 GPa durch das Gebirge und veränderte es in kilometerweiter Entfernung schockmetamorph. Da-bei wird z. B. der Quarzit des Grundgebirges in Coesit und Stishovit umgewandelt. Der Krater vertieft sich durch den hohen Druck weiter (Bild 4.3).

Bild 4.2: 10 Millisekunden nach dem Aufprall

Bild 4.3: Beginn der Kraterbildung nach 60 Millisekunden

In der Auswurfphase wird die Kraterform geschaffen. Am Einschlagpunkt ergibt sich nach Durchlaufen der Druckfront eine schlagartige Druckentlastung, welche ein explo-sionsartiges Verdampfen des Asteroiden und des umgebenden Gesteins hervorruft. Eine schnell aufsteigende Glutwolke reißt Schmelze und Gesteinstrümmer aus dem Krater und der weiteren Umgebung mit sich und schleudert sie in die Atmosphäre. Die Schockwelle schleudert Trümmer und Blöcke von riesigem Ausmaß aus dem Inneren des Kraters radial nach außen (Bild 4.4). Die Trümmerstücke pflügen den umgeben-den Untergrund um und verursachen somit auch Massenverlagerungen von Gestei-nen außerhalb des Kraters. Der Krater erhält eine Tiefe von 4 km und 8 km Durch-messer. Das zurückfedernde Gestein im Innern des Kraters bildet einen Zentralberg

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und die 100 km hohe Glutwolke beginnt zu kollabieren. Die durch die Schockwelle herausgeschleuderten Gesteine stellen eine Vermischung der verschiedenen strati-grafischen Schichten dar und bilden eine geschlossene Auswurfschicht mit einem Ra-dius von 40 km und bis zu 100 m Mächtigkeit um den Krater herum. Sie werden als bunte Trümmermassen und besonders große Felstrümmer als Reuter´sche Blöcke bezeichnet (Bild 4.5).

Bild 4.4: Entstehung eines tiefen, instabilen Kraters, nach 10 Sekunden

Die mit der Glutwolke nach oben gerissenen Trümmer und Schmelzfetzen fallen beim Kollaps in den Krater und die Umgebung und vermischen sich mit den restlichen Ge-steinstrümmern zu einer Rückfallbrekzie. Dieses Impaktgestein wird Suevit genannt (Bild 4.6). Es ist das typische Gestein des Ries´.

Bild 4.5: Kollaps des Kraters, Entstehung des Zentralbergs und Ablagerung der Aus-wurfmassen nach 1 Minute

In der Kraterwachstumsphase modifiziert sich die endgültige Kraterform. Eine Minute nach dem Impakt kollabieren die steilen Kraterhänge und der Zentralberg. Mehrere Randschollen rutschen gestaffelt in das Kraterzentrum und der einsinkende Zentral-berg lässt den inneren Ring entstehen. Dadurch verflacht sich der Krater auf 800 m und vergrößert seinen Durchmesser (Bild 4.5 und 4.6).

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Bild 4.6: Kollaps des Zentralbergs und Ablagerung des Suevits nach 10 Minuten

Schon 10 Minuten nach dem Impakt ist die Kraterbildung abgeschlossen und lediglich Asche und Glut sinken aus der Atmosphäre noch zu Boden. Es liegt ein Krater von 22 km Durchmesser mit einem inneren Ring von 12 km Durchmesser vor. Entwicklung nach dem Einschlag Man kann davon ausgehen, dass im Umkreis von 100 km kein Lebewesen diese Na-turkatastrophe überlebte und durch die riesige Glutwolke ein sintflutartiger Regen be-gann. Der Krater füllte sich mit Wasser und es entstand ein abflussloser, flacher Süß-wassersee von der Größe des Bodensees. Eine artenarme aber individuenstarke Flo-ra und Fauna entstand. Durch die aus den Trümmergesteinen gelösten Minerale kam es zu einer jahreszeitlich schwankenden Versalzung des Sees. Es lagerten sich fossil-reiche Sedimente ab und eingespültes Abtragungsmaterial füllte bei der späteren Ver-landung die komplette Kratersenke. Im Pliozän wurden große Teile der Seesedimente wieder abgetragen, wodurch die Kraterform heute wieder zum Vorschein tritt. Geophysiklaische Untersuchungen Neben mehreren Tiefbohrungen von bis zu 1 206 m Teufe sind zahlreiche geophysi-kalische Messungen im Krater vorgenommen worden. Diese werden sehr anschaulich im Kratermuseum beschrieben. Zwischen 1948 und 1968 führte die Universität Mün-chen seismische Messungen durch. Explosionen in Bohrlöchern erzeugten seismische Wellen, deren Laufzeit im Kratergestein bestimmt wurde. Das gestörte Gestein verrin-gerte die Laufzeiten der Welle im Vergleich zum ursprünglichen Grundgebirge, wes-halb man von einer Störung des Grundgebirges bis in 6 km Tiefe ausgehen kann. Bei Schwerefeldmessungen stellte man durch die geringere Dichte des gestörten Ge-steins eine negative Anomalie fest. Erdmagnetfeldmessungen zeigten, dass die Suevitablagerungen remanent magnetisiert sind und damit auch eine große Anomalie hervorrufen. Über Messungen des elektrischen Widerstands der verschiedenen Ge-steinsschichten im Kraterbecken konnte man die Mächtigkeit der Seesedimente auf eine Höhe von 400 m bestimmen. Quellen: Abbildung 2 bis 6: http://www.geopark-ries.de Abbildung 1: http://www.planeterde.de/Members/timo_meyer/vortrag- posges/nordlinger-ries-auf-einer-luftaufnahme/view O.F. Geyer/ M.P. Gwinner: Geologie von Baden-Württemberg, 5. Auflage, 2011

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5 Besichtigung der Geothermiestandorte Unterhaching, Unter- föhring und Taufkirchen Exkursionsbetreuung: C. Schwarzenberg, P. Lohr, K. Hannig Berichterstatter: Marcus Schmidt, Stefan Voland Geologie des Molassebeckens Ein großes Reservoir für geothermische Energie befindet sich in den Kluft-Karst-Aquiferen des Malms, einer anderen Bezeichnung für das Obere Jura. Das Molas-sebecken erstreckt sich über eine Fläche von 700 km in Ost-West-Richtung und 250 km in Nord-Süd-Richtung. Der Malm ist eine schräggestellte Tafel, die im Allge-meinen nördlich der Donau ausstreicht und die schwäbische und fränkische Alb bildet. Nach Süd-Südost taucht sie unter die tertiären Sedimente der Molasse ab, um am Al-pennordrand Teufen um 5 500 m unter NN zu erreichen (siehe Bild 5.1). Die für eine Geothermienutzung interessanten Schichten (Oberer- oder Top-Malm) liegen in einer Tiefe zwischen rund 1 500 und 5 000 m und weisen Temperaturen zwischen 85 und mehr als 140°C auf. Im Süden der Molasse, unterhalb einer Tiefe von ca. 3000 m, sind Thermalwasservorkommen mit mehr als 100°C zu finden, die für eine geothermi-sche Stromerzeugung geeignet sind. Nach Süden hin nimmt die Verkarstung ab, so-dass hier geothermische Erkundungsbohrungen möglichst genau auf geologische Stö-rungen treffen sollten, um erfolgreich zu sein. Bei der Erkundung von Geothermie-standorten wurde auf Daten früherer Erkundungsbohrungen nach Erdöl zurückgegrif-fen.

Bild 5.1: Geothermisches Potential im Voralpenland

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Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG Zur Geothermieanlage Unterhaching gehören zwei Bohrungen (Teufe: 3 446 m und 3 864 m). Das Thermalwasser wird in der Förderbohrung an die Erdoberfläche ge-pumpt. Dann durchströmt es in einer Thermalwasserleitung die obertägige Anlage mit Wärmetauschern und fließt zum Erhalt des Aquifers schließlich abgekühlt in der Injek-tionsbohrung wieder in die Tiefe (siehe Bild 5.2). Die Anlage des Wärmetauschers be-steht aus 3 Ventilatoren. Dabei wird das Wasser über ein Holzgerinne geleitet. Weite-re Komponenten sind ein neues Fernwärmenetz (38 km), eine Stromerzeugungsanla-ge nach dem Kalina-Verfahren sowie ein mit fossilen Brennstoffen befeuertes Redun-danz- und Spitzenlastheizkraftwerk.

Bild 5.2: Schema der Geothermieanlage Unterhaching

Bild 5.3: Kalina-Anlage

Die beiden Bohrungen liegen rund 3,5 km voneinander entfernt. Sie durchstoßen den Malm-Karst auf einer Länge von 700 m. Die Fördermenge beläuft sich auf 150 l/s und die Temperatur des geförderten Thermalwasser beträgt 122°C. Es hat einen Salz-gehalt von 600 – 1 000 mg/l (hauptsächlich Hydrogencarbonat) und weist gelöste Ga-se (z. B. Methan, Stickstoff) auf. Um chemische Ausfällungen und einen Eintrag von Sauerstoff in den Aquifer zu verhindern, wird der Thermalwasserkreislauf mittels Stickstoff permanent unter Druck gehalten. Pro Jahr werden bei vollem Betrieb 4,7 Mrd. Liter Wasser durch die Thermalwasserleitungen transportiert. Die Anlage wird mit einer Förderpumpe betrieben, deren Leistung 2000 PS, in 700 m Tiefe beträgt. Das Kalina-Verfahren (siehe Bild 5.3) ist, wie auch das Organic-Rankine-Verfahren, für die Stromerzeugung in Niedrigtemperaurbereichen (90 - 200°C) geeignet. Als Ar-beitsmittel wird ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser benutzt. Im eingesetzten Mi-schungsverhältnis von 95 zu 5% liegt der Siedepunkt bei 50°C. Es kann so über einen großen Temperaurbereich optimal Wärme aufnehmen und eine Turbine antreiben. Der elektrische Wirkungsgrad des Kraftwerkes liegt bei ca. 10 – 13%. Die Anschlussleis-tung für Fernwärme liegt bei 30,4 MW (Wärmebedarf von 3 000 Haushalten) und die

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elektrische Leistung bei 3,4 MW (deckt den Jahresverbrauch von 6 000 Haushalten ab). Die Gesamtinvestitionen beliefen sich auf 80 Mio. Euro, welche zu gleichen Teilen auf die Bohrung, das Fernwärmenetz und das Kraftwerk verteilt sind. Durch diese An-lage werden jährlich bis zu 35 000 t CO2 eingespart. Geothermiekraftwerk Unterföhring, GEOVOL Im Gegensatz zur Geothermieanlage in Unterhaching wird in Unterföhring nur Fern-wärme genutzt. Das ist auf die geologischen Bedingungen zurückzuführen. Da Unter-föhring nördlich von München liegt, ist hier der Malm-Karst in einer geringen Tiefe (2 000 bis 2 500 m) anzutreffen und somit weist das Thermalwasser eine niedrigere Temperatur (87°C) auf. Die Schüttung beläuft sich auf 75 l/s, da hier eine geringere Durchlässigkeit vorhanden ist. Die Förder- (3 042 m) und Injektionsbohrung (2 578 m) liegen in unmittelbarer Nähe. Dabei wurden beide so abgelenkt, dass sie im Unter-grund bis zu 2 000 m auseinander liegen. Dazu wird eine 30 m lange Tauchkreisel-pumpe mit 1 000 PS in 600 m Tiefe eingesetzt. Die Leistung der Geothermieanlage beträgt durchschnittlich 9 MW, was zur Versor-gung von 1 500 Haushalten und 210 Objekten (öffentliche Einrichtungen, Gewerbe und Industrie) ausreicht. Weiterhin besitzt dieses Geothermiekraftwerk 2 Redundanz- und Spitzenlastkessel. Geothermieprojekt Taufkirchen Für die zukünftige Nutzung von Erdwärme werden zurzeit in Taufkirchen vier Bohrungen auf einem Erlaubnisfeld von 17 km² abgeteuft. Die Vorbereitungen der Bohrungen laufen seit Beginn des Jahres 2010. Das Projekt wird im Auftrag der GeoEnergie Taufkirchen GmbH & Co. KG von der Firma Exorka GmbH aus Grünwald durchgeführt. Ein weiterer Partner ist der Tiefbohrspezialist Daldrup & Söhne AG. Fi-nanziert wird dieses Projekt von Geysir Europe GmbH aus Grünwald, der AXPO AG aus Baden (Schweiz) und den Gemeindewerken Oberhaching GmbH. In Bild 5.4 ist der 58 m hohe Bohrturm vom Eingang aus zu sehen. Ein Überblick über die gesamte Bohranlage ist in Bild 5.5 dargestellt. Man sieht die einzelnen Bohrungen, welche nacheinander abgeteuft werden bzw. wurden. Bei einer abgeschlossenen Bohrung besteht die Möglichkeit, die Bohranlage nach Osten oder Westen zu verschieben, oh-ne dabei den Bohrturm abbauen zu müssen. Hieraus ergibt sich eine Kosteneinspa-rung gegenüber anderen konstruktiven Lösungen der Bohranlage. Das erwartete Thermalwasser hat eine Temperatur von 133 °C. Dieses ist im Malm-Kalk (Jura) in einer Tiefe von ca. 4 500 m anzutreffen. Es ist zugleich die Endteufe. In Bild 5.7 ist die durch Voruntersuchungen erwartete Geologie vereinfacht dargestellt. Die anfängliche Brunnenleistung wird mit einer Schüttung von circa 120 l/s erwartet, was wiederum einer thermischen Leistung von 39,8 MW und einer elektrischen Leis-tung von 4,3 MW entspricht. Auf ein Jahr hochgerechnet ergibt dies wiederum eine Stromproduktion von circa 30 000 MWh und eine Wärmeproduktion von circa 21 000 MWh. Die Investition wird auf circa 65 Millionen Euro geschätzt (Geoenergie 2011).

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Bild 5.4 Vorderansicht Bohrgelände

Bild 5.5 Ausschnitt der Aufstellfläche & Überblick über die Lage der Bohrungen Die Bohrung 3 (GT3) war Anfang Juli 2011 abgeschlossen und weist eine Teufe von 3800 m und eine Länge von 4300 m auf. Damit die Schüttung des erbohrten Brunnens ermittelt werden kann, sind Pumptests nötig. Dafür dienen drei Großwassertanks, wel-che jeweils bis 1500 m³ Wasservolumen fassen können. Im Bild 5.4 befindet sich einer dieser Tanks im Hintergrund des blauen Kleinbusses der TU-Freiberg (vorn rechts). Das erbohrte Gestein, welches über die Bohrspülung an die Oberfläche gelangt, wird durch einen Geologen vor Ort näher auf Bestandteile untersucht. Als Hilfsmittel dient dafür, neben der Salzsäure, ein Auflichtmikroskop, wie in Abbildung 5.6 dargestellt. Es handelt sich hier um eine Open Hole-Komplettierung, welche bei möglich auftretenden Problemen durch einen Schlitzliner ergänzt werden kann. Zum Zeitpunkt der Exkursi-on war der Bohrfortschritt der Bohrung 1 (GT1) bei circa 2 000 m. Es wird hier im Tag-

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und Nacht-Schichtbetrieb gebohrt. Bis Mitte des Jahres 2012 sollen die Bohrungen abgeschlossen sein. Die Kosten für den Bohrplatz betragen circa 1 Millionen Euro (Geoenergie 2011; Voland 2011).

Bild 5.6Auflichtmikroskop Die ausgebaute Länge des Fernwärmenetzes in Taufkirchen beläuft sich aktuell auf 34 km, welches circa 5000 Menschen mit Wärme versorgen kann. Neben diesem Netz wird bis zum Jahr 2025 ein bestehendes Netzwerk in Oberhaching auf 50 km ausge-baut, worin die in Taufkirchen gewonnene Wärme ebenfalls eingespeist werden soll. Wird die aus Thermalwasser gewonnene Energie nicht vollständig genutzt, so wird mit dem Rest in einem Heizkraftwerk Strom erzeugt. Bis Anfang 2013 ist die Inbetrieb-nahme der ganzen Geothermiekraftanlage geplant. Die vorhergesagte Laufzeit des Kraftwerks beträgt 25 bis 35 Jahre (Geoenergie 2011).

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Bild 5.7 Erwartete geologische Profile

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Quellenverzeichnis: BINE Informationsdienst (2009): Projektinfo 10/09 – Geothermische Stromerzeugung im Verbund mit Wärmenetz GEOENERGIE Taufkirchen (2011): Nachgebohrt. Information zum Geothermieprojekt Taufkirchen GEOTHERMIE Unterhaching GmbH (2011): Geothermie – Die Energieversorgung der Zukunft GEOVOL Unterföhring GmbH (24.10.2011) http://www.geovol.de/cms/ SCHMIDT, Marcus (2011): Feldbuchaufzeichnungen zur Exkursion Süddeutschland VOLAND, Stefan (2011): Feldbuchaufzeichnungen zur Exkursion Süddeutschland Bildquellen: Bild 5.1: Geothermisches Potential im Voralpenland, aus: http://www.geothermieprojekte.de/bild/wasist3_neu.jpg Bild 5.2: Schema der Geothermieanlage Unterhaching, aus: http://p4.focus.de/img/gen/6/P/HB6POLV4_Pxgen_r_Ax700.jpg Bild 5.3: Kalina-Anlage, aus: http://www.vgka.ch/typo3temp/pics/ba2b4cb712.jpg Bild 5.4: Vorderansicht Bohrgelände, aus: VOLAND, Stefan (2011): Fotographie zur Exkursion Süddeutschland Bild 5.5: Ausschnitt der Aufstellfläche & Überblick über die Lage der Bohrungen, aus: VOLAND, Stefan (2011): Fotographie zur Exkursion Süddeutschland Bild 5.6: Auflichtmikroskop (Voland 2011), aus: VOLAND, Stefan (2011): Fotographie zur Exkursion Süddeutschland Bild 5.7: Erwartete geologische Profile (Voland 2011), aus: VOLAND, Stefan (2011): Fotographie zur Exkursion Süddeutschland

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8 Besuch der BAUER Spezialtiefbau GmBH Exkursionsbetreuung: Team J. und Chr. Soier Berichterstatter: Hannes Kriester, Jan Rehda Das sehr traditionsreiche Unternehmen BAUER mit Hauptsitz in Schrobenhausen (Bayern, Bild 6.1), hat eine Geschichte, die bis ins 18. Jahrhundert zurückreicht. Mit der Beauftragung zum Bau eines Brunnens wurde der Grundstein für das Familienun-ternehmen gelegt. Als sich der Betrieb ab 1956 auf den Spezialtiefbau konzentrierte,

wurde eine Firmengeschichte geschrieben, welche bis heute anhält. 50 Jahre später ging die Firma BAUER an die Börse und ist mit ihren über 110 Toch-terfirmen und über 9 000 Mitarbeitern auf jedem Kontinent der Erde vertreten. Es bil-deten sich neben dem Bereich des Spezialtiefbaus noch Segmente im Bereich des Maschinenbaus und des Schutzes von Boden und Grundwasser aus. Dieses breitge-fächerte Spektrum macht BAUER zu einem sehr attraktiven und kompetenten An-sprechpartner für Auftraggeber.

Bild 6.2: Vereinfachte Darstel-lung der Gründung des Burj Khalifa

Bild 6.3: Bohrgeräte bei Gründungsarbeiten am Burj Khalifa in Dubai, VAE

Bild 6.1: Hauptsitz der Firma BAUER in Schrobenhausen

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Dabei gilt die Arbeit an der Gründung des höchsten Gebäudes der Welt, der Burj Kha-lifa in Dubai, sicherlich mit zu den berühmtesten Projekten der BAUER Gruppe (Bild 6.2). Hierbei wurden insgesamt 850 Bohrpfähle im Kontraktorverfahren hergestellt (Bild 6.3). Die Pfähle haben einen Durchmesser von bis zu 1,5 m und können eine Tiefe von 70 m unter dem Meeresspiegel erreichen.

Dabei kam eines der Hauptprodukte von BAUER zum Einsatz: Das Drehbohrgerät. Dies war das erste in Eigenproduktion hergestellte Bohrgerät der Firma BAUER im Jahr 1976 (Bild 6.5). Im Laufe der Zeit wurde dieses weiterentwickelt und so werden mittlerweile Drehbohrgeräte in verschiedenen Größen, mit unterschiedlichen Leistungen und mit den verschiedensten Bohrverfahren konstruiert. Der Hauptsitz in Schrobenhausen wurde erweitert, 2 Werke entstanden in direkter Nähe und die Straße des Firmensitzes wurde nach BAUER benannt. Der Drang nach ständigem Wachstum einer an der Börse notierten Firma brachte BAUER zu ihrem neusten Projekt, der Entwicklung und dem Bau von Tiefbohranlagen.

Bild 6.4: Erstellung eines Gründungspfahles

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Bild 6.5: BG7, das erste eigens konstruierte Bohrgerät

Bild 6.6: Besuch der TU Freiberg im BAUER-Werk Aresing

Mit der Übernahme, der „Site Group for Services and Well Drilling Ltd. Co.” („SITE Group“) im April 2009 verstärkte BAUER sein Leistungsangebot im Bereich der Tief-bohrtechnik und Wassergewinnung. Die SITE Group ist ein jordanisches Unterneh-men, das vorwiegend für den Betrieb von leistungsfähigen Tiefbohranlagen bekannt ist und über gute Kontakte zu nahezu allen, weltweit führenden Erdöl- und Erdgasun-ternehmen verfügt. Durch diese starke Marktposition der SITE Group wurde die Mark-tentwicklung in dem für BAUER noch teilweise neuen Tätigkeitsfeld erheblich erleich-tert. Noch im selben Jahr stellt BAUER seine erste eigens entwickelte Tiefbohranlage, die TBA 300/440 (Bilder 6.7 und 6.8) vor. Gefertigt wurde die ca. 41 m hohe Tiefbohranla-ge in dem neu errichteten Werk in Edelshausen.

Bild 6.7: Modifizierte TBA 300/440 Bild 6.8: TBA 300/440 mit vollautomatische pipe handler(rot)

Die primären Einsatzmöglichkeiten der TBA 300/440 liegen in der Exploration von Erdöl/Erdgas, sie findet aber auch Verwendung bei der Erschließung von Grundwas-ser und Tiefengeothermie. Insbesondere unterscheidet sich die elektro-hydraulische

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Tiefbohranlage durch ihren hybrid betriebenen Topdrive, der eine maximale Hakenlast von 440 t besitzt. Aufgrund der Hydraulikkomponenten (Bilder 6.9 und 6.10) wird ein exakteres Führen des Bohrgestänges ermöglicht, was zum einen wartungsärmer und zum anderen 30% energieeffizienter als bei herkömmlichen elektrischen Tiefbohranla-gen ist. Auch andere Vorteile ergeben sich aus diesem Hybridsystem, so kann auf Grund ihrer Kinematik ein schnelles Auf- und Abbauen ermöglicht werden, was ein Umsetzen der Anlage auf einen neuen Bohrpunkt zusätzlich erleichtert.

Bilder 6.9 und 6.10 Elektrohydraulischer Topdrive Im Juni 2011 verkaufte BAUER seine erste TBA 300/440 an eine venezolanische Bohrfirma. Nach ihrer Fertigstellung wurde die Anlage vielfältig und kundenspezifisch modifiziert und getestet, um sie auf Ihren Einsatz zur Öl-Explorationsbohrung im Ori-noco-Delta vorzubereiten. Die geplante Übergabe der Tiefbohranlage an den Kunden findet Ende 2011 statt. Quellenverzeichnis: http://www.bauer.de/de/investor_relations/releases/press/2011_06_07_bauer_tba.html http://www.bauer.de/de/press/press_articles/2009/2009_04_tba_300.html http://www.bauer.de/de/investor_relations/releases/press/archiv_2009/2009-04-29_news.html http://www.bauer.de/de/bma/products/tba/m_series.html Bauer- Bau-Maschinen-Resources, 09/2010 www.Bauer.de www.nextroom.at CD-Rom: Bauer Maschinen Bildverzeichnis: Bilder 6.1,6.2,6.3,6.5: BAUER-Gruppe Bild 6.4: www.brueckner-grundbau.de Bild 6.7: http://www.bauer.de/de/investor_relations/releases/press/2011_06_07_bauer_tba.html Bilder 6.8 – 6.10: Aufnahmen 2011 von Hannes Kriester

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7 Besuch der Kontinentaltiefbohrung in Windischeschenbach

Exkursionsbetreuung: Dr. Holzförster Berichterstatter: F. Anding Lage und Zielstellung Das GEO-Zentrum ist eine Lehr- und Forschungsanstalt in der Nähe von Windisch-eschenbach unmittelbar am ehemaligen Bohrplatz der Hauptbohrung des kontinen-talen Tiefbohrprogrammes (KTB) der BRD. Finanziert durch die damaligen Bundesministerien für Forschung und Technologie (BMFT) sowie für Bildung und Forschung (BMBF) war es das erste deutsche Groß-projekt der geowissenschaftlichen Grundlagenforschung. Die Kosten beliefen sich insgesamt auf etwa 270 Mio. €. Die allgemeine Zielstellung lautete: „Grundlagen-forschung über die physikalischen und chemischen Zustandsbedingungen und Prozesse in der tieferen Erdkruste zum Verständnis von Dynamik und Evolution intrakontinentaler Krustenbereiche“. Im Klartext vermutete man an der gewählten Lokation (an der Westflanke des Böhmischen Massivs, nahe der Bruchzone der Fränkischen Linie) eine Überschiebung des Moldanlubikum über das Saxothuringi-kum. Bei der Kollision beider Platten im Karbon (vor 320 Mio. Jahren) war es zu einer Gebirgsauffaltung gekommen, von welcher heute nur noch die Hügellandschaften der Oberpfalz erhalten sind. Ursprünglich tiefliegende Schichten sind aufgeschoben und nun sehr viel flacher gelagert. Von besonderem Interesse waren Proben aus jenem Teufenbereich, in dem die Gesteine auf Belastung nicht mehr spröde, sondern duktil reagieren. Die Bedingungen hierfür erwartete man bei einem Druck von 2 bis 3 kbar und etwa 300°C, bei einer geschätzten Teufe von 10 bis 12 km. Als Nebeneffekt wollte man durch das Durchteufen der beiden Platten genauere Informationen über die geologische Situation, Wärmequellen und Verteilung sowie Hinweise über Einflussfaktoren auf gesteinsverändernde- und erzbildende Prozesse erhalten.

Bild 7.1: Geologisches Profil [6]

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Bild 7.2: Profil von Vor- & Hauptbohrung links, Verrohrungsschema rechts [7]

Herangehensweise Bei der Standortwahl wurde ein Gebiet von 19 x 19 km mit 2D-Seismik erkundet und die bekannte Plattengrenze genauer untersucht. Aus 12 Flachbohrungen bis 400 m wurde in Windischeschenbach mit etwa 20°/km der geringste geothermische Gradient ermittelt. Dies war ein wichtiges Kriterium, da einige der zu verwendenden Bohr- und Messwerkzeuge bei hohen Temperaturen versagen (Elektronik z. B. bei ca. 175°C). In der 4 000 m tiefen Vorbohrung stellte sich jedoch heraus, dass der abnormale Temperaturverlauf nur bis in eine Teufe von 1 500 m anhält und daraufhin verlegte man den ursprünglichen Bohransatzpunkt um etwa 200 m. Die Vorbohrung wurde von 1987 bis 1989 abgeteuft und war zu 97% gekernt. Die Bohrkerne wie auch neue

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Seismikverfahren stellten wichtige Informationen für die Planung der Hauptbohrung dar.

Bild 7.3: Schema des halbautomati-schen Pipehandlers [7]

Bild 7.4: Lithologie [7]

 

Für die Hauptbohrung wurde in 11 Monaten die damals größte und modernste Landbohranlage gebaut. Im noch immer erhaltenen 83 m hohen Turm war ein halbautomatisches Pipehandling-System untergebracht, welches die 40 m langen Gestängezüge beim Trippen ins sternförmige Magazin abstellte. Durch die Verwendung von Gestängeförderer, Wechselelevatorensystem, Iron Roughneck und automatischen Abfangkeilen (Bild 7.3) konnte die Arbeitszeit gegenüber bisherigen Anlagen um ca. 1/3 gesenkt werden. Auch hinsichtlich der Umweltverträglichkeit setzte die Anlage Maßstäbe, durch den Einsatz von biologisch abbaubaren Polymerspülungen und Rückgewinnung von elektrischer Energie aus den Hebewerksantrieben beim Bremsen.

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Im lokalen Feldlabor konnten die gewonnenen Proben schnellstmöglich petrologisch untersucht werden. Zum Einsatz kamen u. a. Dünnschliff-Polarisationsmikroskopie zur Bestimmung der einzelnen Gesteinsfolgen und Charakterisierung der Mineralegefüge (größtenteils Gneise und Amphibolite, Bild 7.4). Die Bohrkerne wurden von Felsmechanikern untersucht, um Rückschlüsse auf die in-situ Spannungsverhältnisse zu ziehen und weiterhin die Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Wellen bzw. die seismischen Messungen insgesamt neu interpretieren zu können (seismische Messungen im kristalline Grundgebirge waren vorher niemals ausgewertet worden) und um Kenntnisse über die Ausbreitung von Erdbeben zu gewinnen. Eine kontinuierliche Bohrkleinbeprobung alle 3 Minuten und chemische Analyse davon durch vollautomatische Röntgenfluoroszenzanalyse und –diffraktometrie zur Analyse der Strukturgitter waren ebenfalls vorhanden. Die zentrale Datensammlung wurde an das GFZ Potsdam übergeben wo die Messergebnisse für zukünftige Forschungs-vorhaben bereit gehalten werden. Ergebnisse und Ausblick Die erhofften Druck- und Temperaturbedingungen wurden schon in 9101 m gemes-sener Teufe erreicht. Es wurde aber nicht wie geplant die Überschiebung durchteuft, sondern man ist in der Erbendorf -Vohenstrauss Zone geblieben. Die 35 Kernproben, von etwa 640 m Länge, wurden bevorzugt an Strukturübergängen gewonnen. Durch geoelektrische Messungen konnte eine elektrisch leitfähige Struktur unterhalb von 10 km bestätigt werden. Ferner konnten Risserzeugung und -ausbreitung mittels Fracing umfassend untersucht und ein neuartiges automatisches Vertikalbohrsystem erfolgreich getestet werden, welches essentiell war für die geringen lateralen Abweichungen gerade in den oberen Bohrlochabschnitten. Weitere Resultate sind umfangreiche Datensätze, sowie die Möglichkeit zur Kalibrierung der Seismik und Messsonden. Das KTB war rückblickend das Pilotprojekt und Initiator des Internationalen Kontinentaltiefbohrprogrammes (ICDP). Die heutige Nutzung besteht im Bohrturm zu Veranschaulichungszwecken des angrenzenden Museums und vor allem der zugänglichen Bohrung über ein Messfahrzeug vom GFZ. Trotz der Existenz von hydraulischer Konnektivität zwischen den 2 relativ nah beieinander liegenden Tiefbohrungen ist eine Nutzung zu Zwecken der Geothermie nicht geplant. Die Bohrungen sollen weiterhin für Forschungszwecke zugänglich bleiben. Quellen & Literatur: 1 Führung im Geozentrum, Dr. Holzförster 2 KTB – Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland (Informationsbroschüre des GEO-Zentrums Windischeschenbach) 3 http://www.icdp-online.de/sites/ktb/ 4 http://www.vfmg-weiden.de/ktb.htm 5 http://www.icdp-online.org/front_content.php?idcat=708 6 http://www.geozentrum-ktb.de/Frameset-Tiefbohrung.htm 7 http://slb.com/resources/publications/oilfield_review/en/1995/or1995_spr.aspx 8 http://de.wikipedia.org/wiki/Kontinentales_Tiefbohrprogramm_der_Bundesre- publik_Deutschland