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Fachbeitrag

Eingang des Beitrages: 20.12.2013 / Eingang des überarbeiteten Beitrages: 07.06.2014 / Online veröffentlicht: 31.10.2014© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

Schadensfallanalyse von Erdwärmesondenbohrungen in Baden-Württemberg

Manuel Grimm · Ingrid Stober · Thomas Kohl · Philipp Blum

Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2014) 19:275–286DOI 10.1007/s00767-014-0269-1

Damage event analysis of drilling borehole heat exchangers in Baden-Württemberg, Germany

Abstract Ever since the first failure events relating to ground source heat pump (GSHP) systems, people have become increasingly skeptical of this technology and the annual number of newly installed GSHP systems in Baden-Württemberg has been declining since 2009. This study en-abled relating causes and effects of GSHP failures to the local geological and hydrogeological characteristics, and has summarised these in conceptual failure models. The analyses showed that in 90 % of the cases, a direct link exists between local groundwater and incomplete, leaking grouting of borehole heat exchangers (BHE). Furthermore, in almost 70 % of all events, failure occurred at the in-terface between the Keuper and Muschelkalk formations. Initial assessments indicated that the probability of failure increased 40-fold, if the interface between the Keuper and Muschelkalk is reached during drilling. Although, more than 30,000 operating GSHP systems exist in Baden-Würt-temberg, the challenge for the future is to minimize the risk of damage using improved risk mitigation strategies.

Keywords Shallow geothermal energy · Borehole heat exchanger · Staufen · Drilling · Risk

Einleitung

Erdwärmesonden (EWS) machen den größten Teil der Nut-zung von Wärme aus dem Untergrund in Baden-Württem-berg aus. Mithilfe dieser Technik können CO2-Emissionen eingespart werden. Für eine durchschnittliche Erdwärme-sondenanlage mit einer Heizleistung von 11 kW beträgt die CO2-Einsparung mindestens 1,8 Tonnen pro Jahr allein in

Zusammenfassung Seit dem Bekanntwerden erster Scha-densfälle im Zusammenhang mit Erdwärmesonden wächst in Baden-Württemberg die Verunsicherung in der Bevölke-rung und die Zahl der jährlichen Neuinstallationen ist seit 2009 rückläufig. In dieser Studie konnten Ursachen und Auswirkungen anhand geologischer und hydrogeologischer Charakterisierung der entstandenen Schadensfälle zu kon-zeptionellen Schadensmodellen zusammengefasst werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in 90 % der Fälle lokale Grundwasservorkommen, mit auf- oder absteigen-den Potenzialen, beteiligt waren und die Ursachen in einer unvollständigen, undichten Hinterfüllung der Erdwärme-sonde liegen. Des Weiteren liegt die Schadensursache in fast 70 % der Fälle im Bereich der Grenze zwischen Keu-per und Muschelkalk. Eine erste Gefahreneinschätzung hat ergeben, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Schaden-falls, mit Erreichen der Grenze zwischen Keuper und Mu-schelkalk um das 40-fache erhöht. Trotz mittlerweile über 30.000 funktionierender Erdwärmesonden allein in Baden-Württemberg gilt es weitere Risikominimierungsstrategien zu entwickeln, um zukünftige Schadensfälle zu vermeiden.

M. Grimm () · Prof. Dr. I. Stober · Prof. Dr. T. Kohl · Prof. Dr. P. BlumKarlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte GeowissenschaftenAdenauerring 20b, 76131 Karlsruhe, DeutschlandE-Mail: manuel.grimm@kit.edu

Prof. Dr. I. StoberE-Mail: ingrid.stober@kit.edu

Prof. Dr. T. KohlE-Mail: thomas.kohl@kit.edu

Prof. Dr. P. BlumE-Mail: philipp.blum@kit.edu

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Baden-Württemberg (Blum et al. 2010). Heute gibt es über 11.500 dieser Anlagen mit mehr als 30.000 einzelnen Son-den (durchschnittlich 2,6 Sonden pro Anlage) und insgesamt ca. 2.800 Bohrkilometern in Baden-Württemberg, die dem Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) offiziell bekannt sind (Stand Dezember 2013). Unter der Annahme einer mittleren Wärmeentzugsleistung von 48 W/m liegt die Gesamtwärmeleistung für das Land Baden-Württemberg bei rund 134 MW (Blum et al. 2011). Die nutzbare Wärmemenge beläuft sich auf 241 GWh/a für den Betrieb mit 1.800 Volllaststunden pro Jahr. Ende der 1990er bis in das Jahr 2008 gab es einen starken jährlichen Anstieg neu installierter EWS-Anlagen (Abb. 1). Seit 2009 sind die Zahlen neu installierter Anlagen allerdings rückläufig. Grund hierfür sind zum einen auslaufende Förderprogramme und zum anderen wahrscheinlich auch die Verunsicherung der Bevölkerung durch das Bekanntwerden erster größerer Schadensfälle. Weitere Gründe sind immer aufwändigere Genehmigungsverfahren und steigende Investitionskosten. Die Absatzzahlen für erdgekoppelte Wärmepumpen in der Bundesrepublik Deutschland zeigen ebenfalls einen rückläu-figen Trend (Abb. 1). Auf dem schnell wachsenden Markt der oberflächennahen Geothermie wird behördlicherseits bereits seit 1995 regulierend in Form von länderspezifischen Leitfäden eingegriffen (Hähnlein et al. 2011). Zusätzlich zu dem bereits in der 5. Auflage vorhandenen Leitfaden in Baden-Württemberg (LFBW 2005) wurde 2009 eine Infor-mationsschrift des Umwelt- und Wirtschaftsministeriums zum Qualitätsmanagement für Erdwärmesonden herausge-geben (QMBW 2009). Dies führte dazu, dass Bohrtechniken weiterentwickelt und Hinterfüllmaterialien verbessert wur-den. Im Jahr 2011 erschienen in Baden-Württemberg zusätz-lich die Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde (LQS

EWS 2011), um weitere Schadensfälle zu vermeiden, denn spätestens seit dem Fall Staufen, bei dem Geländehebungen aufgrund von Anhydritquellen Risse an Gebäuden verur-sachten (Goldscheider & Bechtel 2009; Sass et al. 2009), war das Vertrauen in die EWS-Technologie stark gesunken. Trotz der unumstrittenen Vorteile von EWS-Anlagen, wie z. B. die Einsparung von CO2-Emissionen (Bayer et al. 2012), die erneuerbare und nachhaltige Wärmegewinnung (Hähnlein et al. 2013), die dezentrale Anwendungsmöglichkeit und der geringe Platzbedarf, birgt die Technologie gewisse Risiken (AD-HOC-AG Geologie 2011; Bonte et al. 2011; Butscher et al. 2011). Durch unsorgfältiges Einbauen der Kunststoff-sonden, kann es zu Undichtigkeiten an den Sondenrohren oder u. U. auch zum Entweichen der Erdwärmeträgerflüssig-keit kommen (Klotzbücher et al. 2007). Als noch problemati-scher sind jedoch die Folgen einzuschätzen, die indirekt durch das Schaffen oder Plombieren von Wasserwegsamkeiten im Untergrund und der dadurch bewirkten Änderungen der hydraulischen Verhältnisse entstehen (Butscher et al. 2011; Stober & Bucher 2012). Bei der Verbindung zweier Grund-wasserstockwerke mit unterschiedlichen hydraulischen Potenzialen (kritischer Stockwerksbau) kann die Grundwas-serqualität beeinträchtigt werden (La Vigna et al. 2010). Im Bereich von Altlasten ist sogar die Mobilisation von Schad-stoffen durch künstliche Grundwasserzirkulation möglich (Huggenberger et al. 2010). Veränderte Fließwege können zu einer Entwässerung von Sedimenten führen, wobei es zum Versiegen von Quellen oder zu Setzungen an der Oberflä-che kommen kann (Gambolati et al. 2006). In Gebieten mit salz- oder sulfatführenden Gesteinsformationen besteht die Gefahr von Subrosion (Guerrero et al. 2004; Johnson 2005) und des Gesteinsquellens (Hauber et al. 2005; Anagnostou et al. 2010). In Regionen mit verkarstetem Untergrund kann

Abb. 1 Anzahl der jährlich neu installierten und offiziell dem Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) gemeldeten Erdwärmesonden (EWS) in Baden-Württemberg und die jährlichen, dem Bundes-verband Wärmepumpe (BWP) gemeldeten, Absatzzahlen von erdgekoppelten, mit EWS be-triebenen Wärmepumpen in Deutschland

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werden. Schäden, im Sinne der im Jahr 2011 eingeführten Leitlinien, sind Gebäudeschäden, die durch Setzungen und Hebungen des Untergrundes verursacht wurden. Ebenso werden das dauerhafte Versiegen oder der dauerhafte Rückgang einer Quellschüttung, ein Kurzschluss mehrerer Grundwasserleiter, der zu einer Veränderung der physika-lischen und chemischen Eigenschaften eines Grundwassers führt, und auch Beschädigungen von Kanälen oder das Ver-unreinigen von Oberflächengewässern als Schadensfälle angesehen. Die Auswahl, der in dieser Arbeit zu analysieren-den Schadensfälle basiert einerseits auf der Definition nach LQS-EWS und zum anderen auf deren Medienpräsenz und dem Ausmaß der entstandenen Schäden. Der erste Schritt für die Entwicklung konzeptioneller Schadensmodelle war die Klassifizierung der Schadensfälle nach deren vermuteter Ursachen, Auswirkungen und entstandenen Schäden.

Um die Schadensfälle genauer untersuchen zu kön-nen, wurden Bohrdaten der Schadensbohrungen und von umliegenden Aufschlüssen beim LGRB angefordert und gesichtet. Für einige Fälle konnten keine Aufschlussdaten eingesehen werden, da es sich um laufende Verfahren han-delt, bei denen die Schuldfrage noch nicht geklärt werden konnte. In diesen Fällen wurde zur Interpretation auf Pub-likationen und geologische Karten zurückgegriffen. Des Weiteren wurden Gutachten, Anfragen bei verschiedenen Landratsämtern und Presseberichte als Informationsquellen herangezogen (z. B. SO 2008; StZ 2011, 2013; SWR 2013).

Zusätzlich wurde eine erste Abschätzung der Eintritts-wahrscheinlichkeit für einen Schadensfall in Baden-Würt-temberg (WSchaden) durchgeführt. Diese wurde wie folgt berechnet:

[1]

mit der Anzahl der für Schäden ursächlichen Sonden SSchaden, der Gesamtanzahl von Erdwärmesonden in Baden-Würt-temberg SGesamt und der betrachtete Zeitraum t in Jahren.

Um eine grobe Vorstellung des finanziellen Risikos von Erdwärmesondenbohrungen zu bekommen, wurde außer-dem eine erste Abschätzung der Schadenshöhen der ein-zelnen Schadensfälle mit einem konservativen Ansatz durchgeführt, der sich am Schadensausmaß des Falls Staufen orientiert. Hierbei wird die vom Büro für Baustatik GmbH geschätzte Schadenssumme von 50 Mio. € (Stadt Staufen 2010) durch die Anzahl der beschädigten Gebäude (Stand Herbst 2013: 269 beschädigte Gebäude in Staufen) geteilt. Im Mittel ergibt das einen Schaden von etwa 185.000 € pro Gebäude. Ein zweiter Ansatz ist die Berechnung der Schadenshöhen anhand von Neuherstellungskosten (NHK) für ein Gebäude. Die NHK können der Sachwertrichtlinie des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtent-wicklung entnommen werden (Sachwertrichtlinie 2012).

WS

S tSchadenSchaden

Gesamt

= ×1

das Anbohren von oberflächennahen Hohlräumen zu einem Einsturz führen. Da EWS-Bohrungen oft in eng bebauten Gebieten niedergebracht werden, kann es im Falle von Set-zungs- oder Hebungserscheinungen an der Oberfläche nicht nur lokal, sondern auch auf angrenzenden Grundstücken zu Gebäude- und Straßenschäden kommen (LGRB 2010, LRA Rems-Murr-Kreis 2010). Auch der Austritt von artesisch gespanntem Grundwasser an der Oberfläche hat in der Ver-gangenheit zu Schäden geführt (AD-HOC-AG Geologie 2011). Ein weiteres, nicht zu unterschätzendes, Schadens-risiko birgt das Anbohren von kleineren Erdgasvorkommen (Wyss 2001; Sachs & Eberhard 2010; Butscher et al. 2011). Hierbei kann eine direkte Gefahr für Bohrmannschaft und Anwohner ausgehen. Erbohrte Gaseinschlüsse müssen daher sofort abgeleitet und kontrolliert abgefackelt werden.

Diese Schadenszenarien sind jedoch nicht alle erdson-denspezifisch, sondern können prinzipiell bei jeder Bohrung auftreten. Ziel der vorliegenden Studie ist daher eine qualita-tive und quantitative Untersuchung tatsächlich aufgetretener Schadensfälle, die im Zusammenhang mit Erdwärmeson-denbohrungen in Baden-Württemberg entstanden sind. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Geologie, Hydrogeologie und der Entwicklung konzeptioneller Schadensmodelle, die ein besseres Prozessverständnis der Ursachen und damit auch eine Möglichkeit zur Vermeidung solcher Schadens-fälle mit sich bringen soll. Des Weiteren erfolgt eine erste Risikoabschätzung von Schadensfällen in Abhängigkeit der geologischen Randbedingungen und unter Berücksichti-gung der Schadenshöhe. Die Ergebnisse der Studie werden im Zusammenhang mit den Risikominimierungsstrategien des Landes Baden-Württemberg diskutiert.

Methoden

Das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg hat in den vergangenen Jahren über mehrere Anfragen bei den Landratsämtern Auffälligkeiten im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen gesam-melt (De Haas 2011). In dieser Zusammenstellung tauchen nicht nur Schadensfälle wie Staufen, mit Schäden in Mil-lionenhöhe auf, sondern auch Fragestellungen oder Unklar-heiten, wie z. B. die Direkteinleitung von Bohrspülung in öffentliches Gewässer, ohne die Folge eines direkten Scha-dens oder Fälle, bei denen die Bohrfirmen einen Schaden durch rechtzeitige Gegenmaßnahmen abwenden konnten. Über die Anzahl der nicht gemeldeten Auffälligkeiten bzw. Schadensfälle lässt sich keine Aussage treffen. Fälle, bei denen finanzielle Schäden für den Bauherrn oder Dritte ent-standen sind, bleiben allerdings nur sehr selten unentdeckt. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Studie auf Fälle, die mit hoher Wahrscheinlichkeit als Schadensfälle durch geothermische Erdwärmesondenbohrungen identifiziert

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Prozessverständnis der Ursachen und damit zu einer zukünf-tigen Vermeidung von Schadensfällen beitragen. In Abbil-dung 2 sind die wichtigsten Ursachen und Auswirkungen aufgeführt, die im Zusammenhang mit EWS-Bohrungen in Baden-Württemberg aufgetreten sind oder für die ein grund-sätzliches Schadenspotenzial besteht. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der in dieser Studie bearbeiteten Schadensfälle mit den wichtigsten standortbezogenen Daten, wie entstan-dener Schaden, Schadensursache, Schätzung der Schadens-höhe und betroffene geologische Einheiten. Die Standorte der einzelnen Schadensfälle sind in der geologischen Karte in Abbildung 3 dargestellt. Nachfolgend werden die einzelnen Schadensfälle und die Ursachen näher beschrieben.

In der Stadt Tettnang, die zum Bodenseekreis gehört, ist der älteste bekannte Schadensfall in Baden-Württemberg dokumentiert. Die Bohrung wurde im Jahr 1997 durchge-führt. Bei den Bohrarbeiten für eine EWS wurde ein Arteser angebohrt, der nicht beherrscht werden konnte und in der Folge mehrere Jahre unkontrolliert mit einer Schüttung von 2 bis 3 l/s austrat. Das Bohrloch konnte erst im April 2003 durch die Injektion von 2-Komponenten-Hartschaum erfolg-reich abgedichtet werden. Das in dieser Zeit ausgetretene Grundwasser floss über das Grundstück des Bauherrn ab und hat dieses und ein angrenzendes Grundstück stark vernässt.

Im September 2002 wurden mehrere Erdwärmesonden in Wurmlingen, ein Stadtteil von Rottenburg am Neckar im Landkreis Tübingen, installiert. Im Jahre 2011 traten an der Erdoberfläche erste Setzungen auf, die zu Schäden an Stra-

Für die NHK in dieser Studie wurde der Mittelwert aller in der Sachwertrichtlinie aufgeführten Wohngebäudearten verwendet. Die durchschnittliche Wohnfläche eines Einfa-milienhauses wurde mit 150 m2 beziffert (LSN 2003). Dar-aus ergeben sich Neuherstellungskosten von ca. 125.000 € pro Gebäude. Über die Anzahl an beschädigten Gebäuden je Schadensfall (Anzahl aus Presseberichten oder Anfragen bei den Landratsämtern Stand Herbst 2013) konnte dann eine erste Abschätzung der Schadenshöhe für jeden einzelnen Schadensfall erfolgen. Da bei den meisten Fällen nicht alle Gebäude gleich stark beschädigt wurden, spiegelt die ange-nommene Schadenshöhe von 185.000 € respektive 125.000 € pro Gebäude, welche eine strukturelle Beschädigung voraus-setzt, eine konservative Betrachtung (worst case) wieder. Allerdings wird dies, durch eventuelle Schäden an der Inf-rastruktur, welche hier nicht einbezogen wurden, zum Teil wieder ausgeglichen. Da diese Betrachtung der Schadens-höhen einer gewissen Ungenauigkeit unterliegt, wurden die einzelnen Schadensfälle in folgende drei Schadensklassen unterteilt:  < 1 Mio. €, 1–10 Mio. € und > 10 Mio. €.

Schadensfälle

Die Klassifizierung der Schadensfälle erfolgte über die Zuteilung von auf die Geologie bezogenen Ursachen und Auswirkungen aller Art. Daraus können konzeptionelle Scha-densmodelle entwickelt werden, die zu einem verbesserten

Abb. 2 Prozessdiagramm zur Einordnung von Ursachen und Auswirkungen der betrachteten Schadensfälle (durchgezogene Pfeillinien). Gestrichelte Pfeil-linien zeigen mögliche Verbin-dungen zwischen Ursache und Auswirkung, die bei den vor-liegenden Schadensfällen jedoch nicht beobachtet wurden

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sonden für die Beheizung des neu renovierten historischen Rathauses installiert. Zwei Wochen später bemerkte man erste Risse an diesem Gebäude. Daraufhin wurden weitrei-chende Untersuchungen zur Erkundung der Ursachen der beobachteten Schäden eingeleitet. Durch eine Erkundungs-bohrung konnte ein detaillierter Überblick der anstehen-den Geologie gewonnen werden (Abb. 4a). In einer Tiefe von ca. 28 m wurde der obere Gipsspiegel erreicht, der den Beginn des sulfathaltigen Gebirges kennzeichnet. Der untere Gipsspiegel wurde bei ca. 142 m unter Geländeober-kante (GOK) angetroffen. Der Bereich des sulfatführen-den Gebirges ist noch einmal durch den oberen (ca. 61 m unter GOK) und unteren Anhydritspiegel (ca. 126 m unter GOK) unterteilt. Zwischen oberem und unterem Anhydrit-spiegel tritt Anhydrit in fein verteilten, dünnen Lagen auf. Eine der sieben Erdwärmebohrungen durchteufte die Basis des mittleren Keupers und erbohrte gespanntes Grundwas-ser im Bereich des Unterkeupers, welches voraussichtlich aufgrund undichter Ringraumzementation in Anhydrit-führende Bereiche aufsteigt. Hierdurch wandelt sich der Anhydrit über eine Lösungs-Fällungs-Reaktion in Gips um. Dieser Vorgang ist mit einer Volumenzunahme und Quell-drücken bis zu 7 MPa verbunden (Madsen & Nüesch 1991, Madsen et al. 1995), die bei einem geringen Überlagerungs-druck Hebungen an der Oberfläche verursachen können. Die ausführlichen Untersuchungsergebnisse sind in zwei

ßen und Gebäuden führten. Im Fall Wurmlingen wurde über undichte Hinterfüllungen von Erdwärmesonden ein Kurz-schluss zwischen zwei Grundwasserleitern hervorgerufen. Hierdurch konnte Grundwasser aus dem gespannten Grund-wasserleiter des Muschelkalks in den wahrscheinlich bereits verkarsteten Gipskeuper aufsteigen und den dort anstehen-den Gips weiter auslaugen und bestehende Hohlräume ver-größern. Unterirdische Hohlraumeinbrüche führten dann zu Setzungen an der Oberfläche. Im Oktober 2013 wurden die drei Erdwärmesonden saniert und dadurch die ursprünglichen Grundwasserverhältnisse wieder hergestellt (Mittag 2014).

Bei einer Bohrung in Ravensburg im Landkreis Ravens-burg wurde im November 2006, ebenso wie auch in Tett-nang, artesisch gespanntes Grundwasser angetroffen (Abb. 4c). Bei einem Ausfluss von bis zu 10 l/s wurde viel Material mit dem Grundwasser ausgetragen. Zugesetzte Abwasserkanäle, die anschließend wieder freigespült wer-den mussten, waren die Folge. Darüber hinaus traten auch Wasserschäden im Keller des Nachbargebäudes auf. Die 84 m tiefe Bohrung wurde daher aufgegeben und hinter-füllt. Bei vier weiteren, weniger tiefen Bohrungen mit einer Endteufe von jeweils 60 m wurde kein artesisch gespanntes Grundwasser mehr angetroffen. Die Erdwärmesonden wur-den daher installiert und in Betrieb genommen.

Im September 2007 wurden in Staufen im Breisgau im Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald sieben Erdwärme-

Tab. 1 Übersicht der untersuchten Schadensfälle, deren zugrunde liegender Schadensmechanismus und die betroffenen geologischen EinheitenOrt(Landkreis)

Erdwärme-sondena

Jahr der Bohrung

Geologie Ursache Schäden Geschätzte Schadens-höhe [Mio. Euro]

Tettnang(Bodenseekreis)

1 1997 Quartär Arteseraustritt Vernässung von fremdem Grundstück und angren-zendem Weg

< 1

Wurmlingen(Tübingen)

1 2002 Keuper/Muschelkalk

aufsteigendes Potenzial, Hohlraumbildung durch Subrosion des Gipskeupers

Straßen- und Gebäude-schäden durch Subsidenz

< 1

Ravensburg(Ravensburg)

1 2006 Quartär Arteseraustritt Versandung von Abwas-serkanälen, Wasserschaden im Keller des Nachbarn

< 1

Böblingen(Böblingen)

k.A.b 2006–2008 Keuper/Muschelkalk

Anhydritquellen Gebäudeschäden durch Geländehebungen

k.A.b

Staufen(Freiburg Land)

1 2007 Keuper/Muschelkalk

aufsteigendes Potenzial, Anhydritquellen

Straßen- und Ge-bäudeschäden durch Geländehebungen

> 10

Rudersberg(Rems-Murr-Kreis)

1 2007–2008 Keuper/Muschelkalk

aufsteigendes und/oder absteigendes Potenzial, Anhydritquellen

Straßen- und Ge-bäudeschäden durch Geländehebungen

1–10

Schorndorf(Rems-Murr-Kreis)

2 2008 Keuper/Muschelkalk

GW-Kurzschluss, abstei-gendes Potenzial

Versiegen der Rainbrun-nenquelle, Gebäudeschä-den durch Subsidenz

1–10

Leonberg(Böblingen)

1 2011 Keuper/Muschelkalk

GW-Kurzschluss, abstei-gendes Potenzial

Gebäudeschäden durch Subsidenz

1–10

Renningen(Böblingen)

1 2011 Keuper/Muschelkalk

GW-Kurzschluss, abstei-gendes Potenzial

Versiegen mehrerer Brunnen

< 1

aAnzahl der an dem Schadensereignis beteiligten Erdwärmesondenbderzeit noch keine Angaben möglich

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tion GmbH schätzte die Schadenshöhe schon im Jahr 2010 auf über 50 Mio. € (Stadt Staufen 2010).

Auch in der Gemeinde Rudersberg im Rems-Murr-Kreis treten Geländehebungen auf. In den Jahren 2007 bis 2009 wurden hier 7 Anlagen mit insgesamt 20 Erdwärmesonden installiert. In einer weiteren Bohrung ist das Bohrgestänge in einer Tiefe von 70 m abgerissen und in der Bohrung ver-blieben. Diese havarierte Bohrung wurde weder abgedich-tet, noch wurde der Zwischenfall den Behörden gemeldet (erst später durch anonymen Hinweis entdeckt). Bei einer der 20 installierten EWS wurde eine Undichtigkeit in der Hinterfüllung durch Messung der Ruhetemperaturprofile festgestellt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass über diese und die havarierte Bohrung Grundwasser aus dem Gipskeuper oder dem Unterkeuper in die anhydritführenden Schichten zwischen 46 und 63 m unter Geländeoberkante (oberer und unterer Anhydritspiegel) zufließen und dort, analog zu Stau-fen, Quellhebungen auslösen konnten. Die maximalen, bis

Sachstandsberichten veröffentlicht (LGRB 2010; 2012b). Die ersten Maßnahmen zur Schadensbegrenzung, in Form einer Grundwasserabsenkung im betroffenen Bereich und Abdichtung der im Ringraum undicht hinterfüllten Erdwär-mesonde, wurden zwei Jahre nach Feststellung der ersten Schäden durchgeführt. Im Zuge dieser Sanierungsmaß-nahmen konnte die anfängliche Hebungsrate von 11 mm/Monat auf nun ca. 3,5 mm/Monat reduziert werden (Ruch & Wirsing 2013). Im Zeitraum von Mai 2008 bis November 2012 wurden in der Stadt Staufen Gesamthebungen von ca. 38 cm im zentralen Bereich gemessen (LGRB 2012a). Laut Ruch & Wirsing (2013) kommt hierzu ein weiterer Betrag von einigen Zentimetern für den Zeitraum von September 2007 (Abschluss der EWS-Bohrarbeiten) bis Mai 2008. Zusätzlich zu der vertikalen Hebung wurden in Staufen Horizontalbewegungen von mehreren cm/a an der Oberflä-che festgestellt (Schenk & Westerhaus 2012), durch die über 250 Häuser beschädigt wurden. Das Büro für Baukonstruk-

Abb. 3 Die im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen aufgetretenen Schadensfälle in Baden-Württemberg. Im Hintergrund ist die geologische Übersichtskarte Baden-Württem-berg dargestellt (Angepasst nach LGRB 1998)

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allen drei Fällen ist zudem die Hinterfüllung undicht, sodass Grundwasser aus dem Gipskeuper in die Muschelkalkforma-tion abfließen kann (Abb. 4b). Die Folge ist eine Grundwas-serabsenkung im oberen Grundwasserleiter. In Renningen hat dies zum Versiegen von Brunnen im oberen Grund-wasserleiter geführt. In Schorndorf und Leonberg kam es durch die Grundwasserabsenkung zu einer Verringerung des Porenwasserdrucks und damit auch zu einer Erhöhung der Spannungen im oberen Grundwasserleiter. Dieser Umstand führte zu einer Konsolidierung des Untergrundes, die sich an der Oberfläche durch Subsidenz bemerkbar machte. Auf-grund dieser Setzungen an der Oberfläche, kam es zu Schä-den an mehreren Gebäuden. Der Fall Schorndorf gilt laut Genehmigungsbehörde seit April 2010 als saniert und die ursprünglichen Grundwasserverhältnisse wurden weitest-gehend wieder hergestellt. Im Zuge der Sanierung wurden die Sonden überbohrt und die Bohrlöcher anschließend mit Quellton und Zementsuspension abgedichtet. Der danach festgestellte Anstieg des Grundwasserstandes im oberen Grundwasserleiter auf sein ursprüngliches Niveau kann als deutliches Zeichen für den Sanierungserfolg interpretiert werden. Die vom Landratsamt Rems-Murr-Kreis in Auftrag

September 2013 nachgewiesenen, Absoluthebungen betra-gen ca. 50 cm (LGRB 2013). Wie auch in Staufen haben die Geländehebungen erheblichen Schaden an Gebäuden und der Infrastruktur von Rudersberg verursacht. Ende 2012 bis Anfang 2013 wurde eine Erkundungsbohrung abgeteuft, um die Ursachen der Hebung nachvollziehen zu können. Alle Ergebnisse dieser Kernbohrung wurden in einem Sach-standsbericht veröffentlicht (LGRB 2013). Das im Bohrloch verbliebene Bohrgestänge konnte im Frühjahr 2013 geborgen und die Bohrung sachgemäß abgedichtet werden. Die Erd-wärmesonde mit undichter Hinterfüllung konnte im Frühjahr 2014 durch Überbohren und anschließender Abdichtung des Bohrlochs saniert werden (PM Rems-Murr-Kreis 2014).

In der Stadt Schorndorf, ebenfalls im Rems-Murr-Kreis (Oktober 2008), im Leonberger Stadtteil Eltingen (Juli 2011) und in der Stadt Renningen, beide im Landkreis Böblingen (Juli 2011), liegen die drei jüngsten bekannten Schadensfälle in Baden-Württemberg. Alle drei Schadens-fälle haben eine ähnliche Ursache: den Kurzschluss zweier Grundwasserleiter mit absteigendem hydraulischen Poten-zial (Abb. 2). Die gering durchlässige Trennschicht des Lettenkeupers wurde durch die Bohrungen durchteuft. In

Abb. 4 Schematische Bohrprofile der Fälle a) Staufen, b) Schorndorf und c) Ravensburg (verändert nach originalen Schichtenverzeichnis-

sen aus dem Aufschlussarchiv des LGRB). Die Pfeile geben die Fließ-wege des auf- oder absteigenden Grundwassers wieder

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Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie

Verbindung zwischen Keuper und Muschelkalk. Die unter-suchten Fälle können wie folgt nach deren Ursache unter-teilt werden:

● In zwei Fällen (Unterlangnau und Ravensburg) wurde artesisch gespanntes Grundwasser angebohrt, welches an der Oberfläche, meist mit hoher Materialfracht, unkontrolliert ausgetreten ist und dort zu Vernässung von Grundstücken und verschlammten Abwasserkanä-len führte.

● In vier Fällen kam es zu Anhydritquellungen (Staufen, Rudersberg und Böblingen) oder zu verstärkter Gipsaus-laugung (Wurmlingen) durch den Zufluss von Grund-wasser in Gipskeuperschichten, verursacht durch das Anbohren von gespanntem Grundwasser im Oberen Muschelkalk oder durch den Abfluss von Grundwasser aus höher gelegenen Grundwasserleitern.

● In weiteren 3 Fällen wurden zwei Grundwasserstock-werke mit absteigendem hydraulischem Potenzial durch Erdwärmesondenbohrungen kurzgeschlossen. Daraus resultierte eine Wasserspiegelabsenkung im oberen Grundwasserleiter, wodurch es zu einer Konsolidierung der entwässerten Schichten und damit zu Setzungen an der Oberfläche kam. Bei Brunnen oder Quellen, die in den betroffenen Grundwasserleitern installiert oder durch diese gespeist werden, kann es im Falle einer Grundwasserabsenkung zur Austrocknung kommen (Renningen, Schorndorf). Durch Subsidenz können an nahe gelegenen Gebäuden Schäden verursacht werden (Leonberg, Schorndorf).

Die Qualitätssicherung der Hinterfüllung von Erdwärmeson-den wird in der Zukunft eine sehr wichtige Rolle spielen, um das Risiko von Stockwerksverbindungen und den Zufluss von Grundwasser in sulfathaltige Gesteinsschichten zu minimie-ren. Dies belegt auch eine Untersuchung im Kanton Zürich, bei der die Hinterfüllung von 21 EWS-Bohrungen mit dem Ergebnis überprüft wurde, dass in 52 % keine vollständige Hinterfüllung erreicht werden konnte (AWEL 2007). Die LQS EWS sehen für die Qualitätssicherung von Hinterfüll-materialien schon eine ganze Reihe von Regularien vor. Zum Beispiel muss, schon im Voraus, ein Nachweis zur Eignung eines Hinterfüllmaterials durch ein akkreditiertes Institut erbracht werden. Außerdem muss ein frostfreier Betrieb der Anlage durch die korrekte Auslegung des Systems, d. h. die Anpassung der Sondenlänge auf die benötigte Heizleistung gewährleistet sein um einer Frost-Tauwechsel-Beanspru-chung der Ringraumabdichtung entgegen zu wirken.

Bei der Vermischung von Grundwässern aus verschiede-nen Schichten kann eine Beeinflussung der Wasserqualität durch Stoffaustausch stattfinden (Santi et al. 2006; Stober & Bucher 2012), allerdings wurde dieses in Baden-Württem-berg nicht beobachtet bzw. nicht eingehend untersucht. Die Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde Baden-Würt-

gegebenen Sanierungsarbeiten haben rund 300.000 € gekos-tet (LRA Rems-Murr-Kreis 2010).

Im September 2013 gab das Landratsamt Böblingen bekannt, dass es in der Stadt Böblingen zu Geländehebun-gen durch Anhydritquellen gekommen ist, bei denen meh-rere Häuser beschädigt wurden (PM Böblingen 2013). Laserscanbefliegungen ergaben maximale Absoluthebun-gen von 40–45 cm seit 2002 (PM Böblingen 2014a). Im Verdacht stehen Erdwärmesondenbohrungen aus den Jahren 2006 bis 2008, die bis in den Gipskeuper reichen. Bei Tem-peraturmessungen in mehreren Erdwärmesonden wurden Anhaltspunkte für eine undichte Hinterfüllung gefunden. Laut Experten besteht bisher bei mindestens drei Sonden Sanierungsbedarf (PM Böblingen 2014b).

In angrenzenden Ländern von Baden-Württemberg kam es in den letzten Jahren bisher zu drei größeren Zwischen-fällen im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen. Das Finanzministerium Wiesbaden lies im Jahr 2009 eine Bohrung für die Installation von Erdwärmesonden abteufen, bei der ein artesisch gespannter Grundwasserleiter angebohrt wurde, der neben Wasser auch eine enorme Materialfracht an die Oberfläche förderte. Die höchsten Ausflussraten lagen bei 100 l/s und überfluteten weite Flächen in der Nähe des Finanz-ministeriums. Im nordrheinwestfälischen Kamen-Wasserkurl ereignete sich im Juli 2009 ein sehr schwerer Schadensfall, bei dem etwa 20 Häuser stark beschädigt wurden. Sechs davon mussten später sogar abgerissen werden. Bei einer 70 m tie-fen Erdwärmesondenbohrung wurde ein hydraulischer Kurz-schluss verursacht. Durch den Abfluss von Grundwasser aus dem oberen, im Lockersediment verlaufenden, in den unte-ren Karstgrundwasserleiter wurden etwa 50–60 m3 wasserge-sättigte Sande und Schluffe abtransportiert. Dadurch entstand an der Oberfläche ein 4–5 m breiter und 12 m tiefer Krater, in dem das Bohrgerät fast völlig verschwand. Im elsässischen Dorf Lochwiller (Frankreich) wurde 2013 ein ähnlicher Fall, wie der in Staufen, bekannt. Auch hier wurde ein gespannter Grundwasserleiter angebohrt, aus dem nun Grundwasser in anhydritführende Schichten aufsteigt. Ende 2013 sind bereits einige der über 100 Jahre alten Häuser des Dorfes von den Hebungen betroffen und weisen enorme Schäden auf. Des Weiteren sind auch mehrere Schadensfälle aus der Schweiz beispielsweise von Basetti et al. (2006) dokumentiert. Aller-dings sind diese, zum größten Teil, auf Fehler bei der Sys-temauslegung zurückzuführen.

Diskussion

In allen in Tab. 1 genannten neun Fällen führt eine unvoll-ständige oder undichte Hinterfüllung der Erdwärmesonden zu unerwünschten vertikalen Grundwasserfließbewegungen im Bohrloch. In sieben von neun Fällen liegt die Schadens-ursache außerdem in der Schaffung einer hydraulischen

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Baden-Württemberg ergab eine Eintrittswahrscheinlichkeit für einen Schadensfall von unter 0,002 % pro Jahr. Im Ver-gleich dazu liegt die Wahrscheinlichkeit in Deutschland an den Folgen der Luftverschmutzung durch Kohlekraftwerken zu sterben bei 0,003 % pro Jahr (HEAL 2013) und die Wahr-scheinlichkeit eines schweren Unfalls in einem Kernreaktor weltweit sogar bei 0,02 % pro Jahr (berechnet aus Daten der IAEA 2013). Durch die grobe Abschätzung der Schadens-höhen anhand zweier verschiedener Berechnungsansätze, konnten die einzelnen Fälle den Schadensklassen < 1 Mio. €, 1–10 Mio. € und > 10 Mio. € zugeordnet werden. Beide Berechnungsansätze ergaben dabei die gleiche Zuordnung. Für die Fälle Wurmlingen, Leonberg und Renningen liegen zusätzlich Abschätzungen der zuständigen Genehmigungs-behörden vor. Im Fall Renningen wurde die Zuordnung in die Schadensklasse  < 1 Mio. € damit bestätigt (Steinacker 2014). Im Fall Wurmlingen wurde die Schadenshöhe trotz des konservativen (worst case) Ansatzes unterschätzt und muss somit der Schadensklasse 1–10 Mio. € zugeordnet werden (Mittag 2014). Die Schadenshöhe im Fall Leonberg wurde hingegen überschätzt und muss laut Genehmigungs-behörde der Schadensklasse < 1 Mio. € zugeordnet werden (Steinacker 2014). Der Fall Böblingen wurde nicht in die Betrachtung der Schadenshöhen einbezogen, da dort, die bisher gewonnenen Erkenntnisse nicht für eine Abschät-zung des Schadensausmaßes ausreichen. Abbildung 5 zeigt die Wahrscheinlichkeit mit der ein Schadensfall in Abhän-

temberg schreiben bei der Erwartung größerer Potenzialdif-ferenzen und kritischem Stockwerksbau die Formulierung einer projektspezifischen Arbeitsanweisung vor, die in Pro-blemfällen eine Hilfestellung geben soll (LQS EWS 2011). Im Allgemeinen muss geeignetes Gerät zur Abdichtung von Grundwasserzutritten und Artesern auf der Bohrstelle vor-gehalten werden. Zum Schutz von Grundwasservorkommen gilt daher in allen Bundesländern das Verbot für Erdwärme-sonden innerhalb der Wasserschutzzonen I und II. Die Zone III wird unterschiedlich gehandhabt (Hähnlein et al. 2011).

Die Problematiken, die in Zusammenhang mit sulfat-haltigen Gesteinen entstehen können, sind in Baden-Würt-temberg durch den Tunnelbau schon lange bekannt (Nies 1868). Seit dem Fall Staufen im Jahr 2007 müssen diese nun auch im Bereich der Erdwärmesonden genauer betrach-tet werden. Als eine Reaktion auf diesen Schadensfall hat das LGRB eine Auflagenempfehlung zum Vorgehen beim Abteufen von Erdwärmesondenbohrungen in sulfatführende Gesteine formuliert (LGRB 2009b), die in das Formblatt für einen „Auftrag für eine hydrogeologisch-geotechni-sche Beurteilung von Bohrvorhaben für Erdwärmesonden“ (LGRB 2009a) aufgenommen wurde. Die Bohrung sollte in jedem Fall schon bei Erreichen des Gipsspiegels abgebro-chen werden, da die Unterscheidung von Gips und Anhydrit anhand des Bohrkleins nur mit der Hilfe von zusätzlichen Laboruntersuchungen möglich ist (Scheiber et al. 2011) und daher keine Vor-Ort-Bestimmung zulässt. Um allerdings mehr Planungssicherheit schon im Vorfeld einer Erdwär-mesondenbohrung zu erhalten, müssen Informationen, wie die Lage des Gips-/Anhydritspiegels oder die Ausbreitung von gespannten Grundwasserleitern flächendeckend ver-fügbar sein. Das Informationssystem Oberflächennahe Geo-thermie (ISONG) des Landesamts für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg bietet hierzu einen ersten Ansatz. Das System kann eine erste Abschätzung der Bohr-tiefenbeschränkung basierend auf wasserwirtschaftlichen Fragestellungen und eventueller Bohrrisiken liefern.

Ein weiterer Punkt, der bei der Untersuchung der Scha-densfälle aufgefallen ist, ist die langsame Reaktion nach Bekanntwerden von Auffälligkeiten oder Schäden. Bevor Maßnahmen zur Sanierung oder Schadensfallminimierung eingeleitet wurden, war stets das erste Ziel, den Verursacher zu finden, um die Kosten für die anfallenden Sanierungs-maßnahmen zu sichern. So hat es z. B. im Fall Staufen, über zwei Jahre gedauert, bis nach dem Auftreten der ers-ten Schäden Sanierungsmaßnahmen durchgeführt wurden. Eine Auswirkung des späten Eingreifens spiegelt sich auch in der geschätzten Schadenshöhe von etwa 50 Mio. € für den Fall Staufen wieder. In Baden-Württemberg wurden laut LGRB über 30.000 Erdwärmesonden installiert (Stand Dezember 2013). Eine im Zuge dieser Studie mittels Glei-chung 1 berechnete erste Abschätzung der Wahrscheinlich-keit von Schadensfällen bei Erdwärmesondenbohrungen in

Abb. 5 Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Schadenshöhen in Abhängigkeit der geologischen Verhältnisse

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2010). Tiefenbeschränkungen auf den 1. Grundwasserleiter oder den Gipsspiegel können allerdings, da dann u. U. meh-rere kürzere Sonden installiert werden müssen, die Kosten einer EWS-Anlage deutlich erhöhen und deren Installation damit unwirtschaftlich machen.

Eine weitere wichtige Neuerung, die durch die LQS EWS eingeführt wurde, ist die verschuldensunabhängige Versicherung mit einer Deckungssumme von mindestens 1 Mio. €, durch die etwaige, durch die Bohrung verur-sachte Schäden abgedeckt werden. Eine Ausweitung der verschuldensunabhängigen Versicherung auf Schadensab-wehrmaßnahmen, wie beispielsweise die Absenkung des Grundwasserspiegels oder das nachträgliche Abdichten einer Bohrung, könnte die Entwicklung des Schadensaus-maßes schon im Voraus erheblich einschränken.

Schadensfälle in anderen Bundesländern oder im Aus-land, wie z. B. der Arteseraustritt in Wiesbaden (Hessen) oder Hebungen durch Anhydritquellung in Lochwiller (Frankreich), zeigen, dass Schäden im Zusammenhang mit Erdwärmesondenbohrungen nicht auf Baden-Württemberg beschränkt sind. Um weitere Schadensfälle in der Zukunft noch effektiver vermeiden zu können, sollten diese Fälle, grenzübergreifend in die Ursachenforschung mit einbezo-gen und gemeinsame Forschungsprojekte zur Verbesserung der Qualitätssicherung gefördert werden. Denn nur durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Bohrtechniken, Hinterfüllmaterialien, Monitoringmaßnahmen und Risiko-minimierungsstrategien kann die Häufigkeit von Schadens-fällen gemindert und das Vertrauen der Gesellschaft in die EWS-Technologie zurückgewonnen werden.

Danksagungen

Die Studie wurde teilweise im Rahmen des BWPLUS Pro-jekts Nr. L7512001 Arbeitspaket 2 durchgeführt. Bedanken möchten wir uns bei Frau Eva de Haas vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg für die Unterstützung der Studie und das Bereitstellen ers-ter Falldaten. Herrn Dr. Christian Trapp vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) in Baden-Würt-temberg danken wir für die Bereitstellung von Aufschluss-daten und Statistiken. Des Weiteren gilt unser Dank Herrn Gerhard Blechschmied (Landratsamt Bodenseekreis), Herrn Peter Mittag (Landratsamt Tübingen), Frau Petra Wehland (Landratsamt Emmendingen), Herrn Franz Wie-der (Landratsamt Ravensburg), Herrn Andreas Steinacker (Landratsamt Böblingen), Herrn Andreas Krumwieh (Land-ratsamt Rems-Murr-Kreis) und Frau Simone Walker-Hert-korn (tewag GmbH) für ihre Unterstützung. Abschließend danken wir beiden Gutachtern für ihre Kommentare, die zur Verbesserung und Klarheit des Beitrages geführt haben.

gigkeit von dessen Schadenshöhe und der anstehenden Geologie, eintritt. Wird bei einer EWS-Bohrung die Grenze zwischen Keuper und Muschelkalk erreicht, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit und das Risiko eines Schadensfalls um ein Vielfaches gegenüber einer Bohrung, bei der diese Grenze nicht erreicht wird. Bei Schadenshöhen im Bereich von 1–10 Mio. € und > 10 Mio. € wurden bisher nur Scha-densfälle bekannt, deren Ursachen im Bereich der Grenze zwischen Keuper und Muschelkalk liegen. Das aber auch diese, geologisch oft sehr heterogenen Verhältnisse grund-sätzlich beherrschbar sind, zeigen die etwa 820 Anlagen mit zumeist mehreren Bohrungen (Trapp 2013), die die Grenze zwischen Keuper und Muschelkalk erreicht haben.

Fazit

Die Untersuchung der bisher im Zusammenhang mit Erd-wärmesondenbohrungen aufgetretenen Schadensfälle in Baden-Württemberg zeigt, dass sich die Ursachen eng ein-grenzen lassen. Hauptursache bei allen Schadensfällen war eine unvollständige, undichte Abdichtung der Bohrungen bei kritischem Stockwerksbau oder gespannten Grundwas-serleitern. Das Schadensausmaß wurde in mehreren Fällen durch die Anwesenheit von sulfathaltigen Gesteinen noch erhöht. Durch die im Jahr 2011 veröffentlichten Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonde (LQS EWS) wurden in Baden-Württemberg im Bereich Hinterfüllung, Vorgehen bei kritischem Stockwerksbau und gespannten Grundwas-serleitern sowie dem Umgang mit sulfatführenden Gesteinen bereits Maßnahmen zur Qualitätssicherung umgesetzt. Zur Weiterentwicklung der Erdwärmesondentechnologie tragen weitere, vom Land finanzierte Forschungsprojekte, wie z. B. die Projekte EWSPlus (Riegger et al. 2012) und EWS-tech, bei. Zusätzlich können Anpassungen des Sondendesigns (z. B. Koaxialsonden) helfen, Fehlstellen beim Einbringen der Hinterfüllung zu vermeiden (Stober & Bucher 2012). Eine deutlich erhöhte Sicherheit für Erdwärmesondenboh-rungen würde, z. B. bei kritischem Stockwerksbau, aber nur eine Tiefenbeschränkung auf den 1. Grundwasserleiter geben, wie sie im Jahr 2011 für etwa 3 Monate, bis zum Erscheinen der LQS EWS, auch bestand. In Bayern hin-gegen wurde das Durchteufen von stockwerkstrennenden Schichten über den „Leitfaden Erdwärmesonden in Bayern“ generell verboten (LFB 2012). Aufgrund der Problematik mit sulfathaltigen Gesteinen wurde in Baden-Württemberg eine Tiefenbegrenzung auf den Gipsspiegel schon im Jahr 2009 eingeführt. Im schweizerischen Kanton Basel Land-schaft wurde 2010 die Wärmenutzung in Karstgebieten und Gebieten, in denen die Gefahr der Subrosion und des Gebirgsquellens besteht, aufgrund von Problemen bei geo-technischen Projekten in sulfathaltigen Gesteinen (Grob 1975; Madsen et al. 1995), für unzulässig erklärt (ENK BL

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