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Eingegipst? Stuttgart 21 und die Erdwärme

September 2nd, 2010

Stuttgart Hbf alt (gemeinfrei, Andreas Praefcke)

Stuttgart Hbf alt (gemeinfrei, Andreas Praefcke)

Selten – und wenn dann meist am Rande – kommt mal ein Geologe zu Wort. Was der dann zu sagen hat, ist meist unerfreulich.

Der Tübinger Geologe Jakob Sierich, ein Spezialist für anhydrit- und gipsführende Erdschichten, hat für das Magazin [Stern] das Gutachten analysiert. Sein Befund lautet: „Bei Stuttgart 21 geht es nicht um mögliche Risse in Häusern, es geht um mögliche Krater, in denen Häuser verschwinden können. Es geht um Menschenleben.“

Genau erklärt wird das Problem in den Medien aber kaum. Sie würde wie eine frische Fleischwunde die politischen und wirtschaftlichen Widersprüche offen zur Schau stellen.

Um diese Geschichte von Anfang an zu erzählen, müssen wir eine Weile zurückblicken. Vor rund 200 Millionen Jahren war es in Südwestdeutschland warm und feucht. Die Region lag am Rand eines großen Ozeans, von dem es durch eine Barriere abgetrennt war. Die Sonnenstrahlung dampfte einen großen Teil dieses Beckens ein. Minerale reicherten sich an, ähnlich wie das heute im Toten Meer passiert. Als fast das gesamte Wasser verdampft war, fiel Anhydrit aus. Dieses Mineral – Kalziumsulfat – reagiert wegen seiner Entstehungsgeschichte extrem empfindlich auf Wasser. Wenn er mit Tonsedimenten wasserdicht abgedeckt wird, kann er sich jedoch unbeeindruckt über hunderte Millionen Jahre halten.

In der schwäbischen Hauptstadt liegen diese Anhydritschichten heute wieder an der Oberfläche. Und nicht erst seit Stuttgart-21: Die auch als Gipskeuper bezeichnete Schicht wurde durch Erosion in der jüngeren geologischen Geschichte freigelegt. Das Resultat: Überall, wo Regen- und Grundwasser eindrang, reagierte es mit dem Anhydrit und formte Gips. Dieser Prozess der chemischen Lösung ist das täglich Brot einer ganzen Handwerkerinnung: „Gips“ aus dem Baumarkt enthält zum großen Teil Anhydrit, der mit Wasser abbindet. Was den Gipser wenig stört: Das Mineral Anhydrit ist deutlich kompakter als der entstehende Gips. Das Volumen des gehärteten Gips liegt um 60% über dem des eingesetzten Anhydrits. Aus einer Packung Anhydrit entstehen so 1,6 Packungen Gips.

Woher holt der Gips im Untergrund diesen Platz? Er nimmt ihn sich! Wenn aus einer mit Anhydrit geschwängerten wässrigen Lösung Gips entstehen kann, wird er entstehen. Der sogenannte Quelldruck kann schon mal ein paar hundert Meter Erdreich in die Höhe stemmen.

Genau das passierte nach einer Erdwärmebohrung im malerischen Staufen im Breisgau: Die Stadt ist durchzogen von zwei Störungszonen, die sehr viel Wasser führen. Gleichzeitig stehen die geologischen Schichten senkrecht, inklusive des anhydritreichen mittleren Muschelkalks. Die Bohrung verband die wasserführenden Klüfte mit senkrecht stehenden Anhydritschichten. Das Resultat: Der Staufener Untergrund begann sich an manchen Stellen um mehr als 40 Zentimeter zu heben. In den historischen Gebäuden der mittelalterlichen Altstadt entstand erheblicher Sachschaden (Schad & Gehlen, 2008).

In Stuttgart ist die geologische Situation eigentlich überschaubarer: Der anhydritführende Gipskeuper liegt schon seit Jahrtausenden an der Oberfläche und ist ausgelaugt, also in Gips umgewandelt. Wo ist das Problem?

Geologisches Profil Stuttgart (nachgezeichnet nach Ufrecht 2003, Amt für Umweltschutz, Stuttgart)

Geologisches Profil Stuttgart (nachgezeichnet nach Ufrecht 2003, Amt für Umweltschutz, Stuttgart)

Nun: Der Gipskeuper ist nicht komplett ausgelaugt. In der nebenstehenden Abbildung erkennt man eine feine rot gestrichelte Linie, die den Gipskeuper (hellblaue Schicht) durchzieht. Der Gipsauslaugungshorizont. Der Hauptbahnhof liegt im Bereich „Stadtmitte“, der hier den Stuttgarter Talkessel markiert. Gräbt man hier einen unterirdischen Bahnhof und „unterfährt“ die Stadt mit weiteren Tunneln, muss man direkt in den Gipskeuper bohren. Solange man dies in der ausgelaugten Zone (über der Strichellinie) macht, besteht kein Risiko. Arbeiten darunter schaffen eine Wegsamkeit für Grund- und Regenwasser zu unausgelaugtem Anhydrit. Und hier beginnt das Problem. Denn wo diese Auslaugungsfront exakt liegt, kann man nicht überall sagen.

Ein weiteres Problem entsteht in Gebieten, die bereits vor langer Zeit ausgelaugt worden sind: Der Gips hat sich hier Wegsamkeiten geschaffen, hat Gestein und Erdreich in seiner Umgebung weggeschoben und dabei oft Hohlräume geschaffen, die später wieder teilweise verschüttet wurden. Beim Bohren von Tunneln können diese Schuttkegel unwissentlich geöffnet werden. Diese führen manchmal bis an die Oberfläche, so dass nachstürzendes Geröll ganze Gebäude gefährden kann.

Natürlich ist den Genehmigungsbehörden am Umweltamt genau das klar. Daher wurde der Stuttgarter Untergrund ausgiebig erkundet. Hunderte Bohrungen wurden niedergebracht. Während des Baus senken etliche Brunnen im Stadtbereich den Grundwasserpegel ab, um zutretendes Wasser zu reduzieren. Doch der alte Bergmannsspruch vor der Schippe ist es dunkel gilt auch für Stuttgart 21: Wie es unter der Erde wirklich aussieht, wird man erst beim Graben erfahren, egal wie gut vorher erkundet wurde.

Die dargestellte Profilzeichnung stammt übrigens aus einer Broschüre des Amtes für Umweltschutz zur Nutzung der Geothermie in Stuttgart. Die Behörden im Ländle sind besonders besorgt, dass ausufernde geothermische Bohrungen zur Energieversorgung von Gebäuden bald auch Anhydritschichten durchstoßen. Die schlechten Erfahrungen aus Staufen im Breisgau sollen sich in der Landeshauptstadt nach Möglichkeit nicht wiederholen. Daher wird seit rund zwei Jahren verlangt, dass jede Erdwärmebohrung beim ersten Anzeichen von Sulfatgestein (Anhydrit oder Gips) zu stoppen und sofort zu verfüllen ist.

So eine Güterabwägung gehört klar zu den Aufgaben eines Amtes: Die Versorgung mit sauberen erneuerbaren Energien steht hier der Sicherheit der Gesellschaft gegenüber. Das lässt sich aber offenbar nur gegenüber kleineren Akteuren durchsetzen.

Menschen machen Erdbeben

August 6th, 2010

Florian Freistetter vom Blog Astrodictum simplex hat sich ausgiebig über die Erdbebenwaffe des US-Militärs HAARPS echauffiert. Weil sie gar keine Erdbebenwaffe ist, sondern ein großes Instrument zur Untersuchung der Ionosphäre. Nutzer der Anlage ist auch nicht nur das Militär, viele zivile Wissenschaftler mit sind dabei. Und er echauffierte sich eigentlich auch nicht über HAARPS, sondern über Verschwörungstheoretiker, die in HAARPS eine Erdbebenwaffe sehen. Oder noch Schlimmeres. Aber lest selbst.

Dass eine Messstation für die Ionosphäre irgendwo auf der Welt Erdbeben auslösen könnte, ist natürlich Unsinn. Da gebe ich Florian recht. Er weist darauf hin, dass Menschen auf ganz anderem Wege Erdbeben auslösen:

[…] in der Wissenschaft gibt es tatsächlich Geräte, die solche künstlichen „Erdbeben“ auslösen. Das Verfahren nennt sich Vibroseis und man versetzt dabei den Erdboden in Schwingung (mit Sprengungen bzw. speziellen schweren und vibrierenden Fahrzeugen) und misst dann, wie sich diese Schwingungen im Boden fortbewegen.

Menschen haben die Werkzeuge, um Erdbeben zu machen (beccaplusmolly auf Flickr, CC-NC-SA)

Menschen haben die Werkzeuge, um Erdbeben zu machen (beccaplusmolly auf Flickr, CC-NC-SA)

Diese geophysikalische Messmethode – die Vibrationsseismik – ist aber nicht das Paradebeispiel für menschgemachte Erdbeben. Die Erschütterungen sind hier recht gering. Der Mensch ist aber in der Lage, die Erde deutlich nachhaltiger zum Beben zu bringen. In Tschechien und Polen – einer sehr berbaureichen Region – bebt die Erde häufig, wenn die alten Stollen in Bewegung geraten. Natürliche Erdbeben treten hier mittlerweile deutlich seltener auf (Giardini, 2009).

Wenn sich diese Art von menschgemachten Beben noch als ungewollt bezeichnen ließen, sind Fluidinjektionen ein Beispiel für gewollt erzeugte Erschütterungen: Möchte man etwa Erdwärme aus großen Tiefen gewinnen und zur Stromproduktion nutzen, werden Klüfte benötigt. Diese feinen Risse existieren aber in drei bis fünf Kilometern Tiefe nur selten. Bei der Methode Enhanced Geothermal Systems wird Wasser oder Säure mit extrem großen Drücken in ein Bohrloch gepresst. Dabei bricht das Gestein auf und es entsteht ein Netz aus feinen Rissen über hunderte Meter in alle Richtungen.

Der Nebeneffekt: Die Erde bebt. Meist sind diese Beben gering, weit unter der Wahrnehmungsschwelle von Menschen. Nach einer Fluidinjektion in Basel musste 2006 die dortige Errichtung eines Geothermiekraftwerks abgebrochen werden. Eines der Mikrobeben hatte die Magnitude 3,4 erreicht. Oberhalb von 3,0 können Menschen die Erschütterung spüren und in Gebäuden entstehen erste Risse.

In Basel kamen keine Menschen zu Schaden und auch Gebäude stürzten nicht ein. Dass Geothermiebohrungen so starke Beben erzeugen können, war zuvor einfach für nicht möglich gehalten worden. Bei der Auswertung der Basler Ereignisse wurde kontrovers diskutiert, ob Tiefenbohrungen nicht nur schwache Beben induzieren können, sondern auch starke Beben triggern: Der Mensch erzeugt schwache Vibrationen in einem Gebiet, das durch natürliche Erdbeben gefährdet ist. Wenn hier sowieso starke Spannungen im Untergrund existieren, könnten kleine schwache Beben vielleicht ein starkes zerstörerisches Beben anstoßen oder triggern. Das wurde jedoch verneint – selbst im äußerst erdbebengefährdeten Basel sind getriggerte Starkbeben nicht wahrscheinlich.

Die gleiche Technik – Fluidinjektion – wird übrigens auch bei der Erdölförderung eingesetzt. Auch hier werden willentlich schwache Beben erzeugt. Das merkt aber meist niemand, weil im Umfeld der Bohrungen niemand lebt.

Siehe auch

Ölschiefer, geothermische Beben und das ungeliebte CO2

Juli 19th, 2010

(CC-BY, inju auf Flickr)

(CC-BY, inju bei Flickr)

Das kleine Estland, seit 2004 Mitglied der EU und seit 2010 im Euroland, hat eine steinzeitliche Energieversorgung. Davon berichtet eine als Blog verfügbare Seminararbeit. Man gewinnt mit großem technischen Aufwand Ölschiefer, einer Art geologisch unterentwickelter Kohle, die extrem feucht ist. Dafür werden ähnlich unserem heimischen Braunkohletagebau  ganze Landschaften umgegraben. Zuvor wird meist viel gerodet, denn Estland ist zu 44 Prozent bewaldet.

Die tiefe Geothermie gilt als schwacher Hoffnungsträger für die Stromversorgung der Zukunft. Denn um die Technik bei uns rentabel zu betreiben, müsste man drei bis fünf Kilometer tiefe Löcher bohren und hier den Untergrund stimulieren, also mit der Injektion von Wasser Klüfte öffnen. Dabei entstehen jedoch schwache Beben, die meist von der lokalen Bevölkerung abgelehnt werden. An der TU Darmstadt forscht man nun an der Minimierung der Erdbeben, schreibt die Berliner Zeitung.

Die Geothermie wird auch von anderer Seite bedrängt: Aktuell wird ein neuer Gesetzesentwurf zur Einlagerung von CO2 in den Untergrund erarbeitet. In Brandenburg kam es bereits zu ersten Konflikten mit geplanten geothermischen Bohrungen.

Russische Kreise hatten BP vorgeschlagen, das Leck am Meeresboden einfach mit einer atomaren Explosion abzuschließen. Matthias Reich hält diese Herangehensweise (wenig erstaunlich) für „Schwachsinn“. Er ist Professor für Bohrtechnik an der Bergakademie Freiberg und hat der taz ein Interview gegeben. Reich erklärt auch, warum eine momentan „dichte“ Absaugglocke noch viel größere Probleme schaffen könnte.

Ein Dämon aus der Tiefe

Februar 13th, 2010

Erdbeben: Ein Dämon aus der Tiefe? (public domain)

Ein Dämon aus der Tiefe (gemeinfrei)

Wem lief dabei kein kalter Schauder über den Rücken: Die Gefährten begeben sich in die Hallen der alten Zwergenstadt Moria. Überall lauern unsichtbare Schatten und es flüstern lange gefallene Krieger. Die Unachtsamkeit von Merry und Pippin weckt den in unbeschreiblicher Tiefe ruhenden Balrog, einen Dämon aus alter Zeit.

Das erste, was man von ihm wahrnimmt, ist das Donnern seiner Schritte, dem einer gigantischen Pauke nicht unähnlich. Die Erde erzittert unter dem Dröhnen. Das Ungetüm zeigt sich schließlich, schwarz und doch feuerüberströmt. Die seismischen Vorboten seiner Schritte bereiten auf das kommende Unheil vor: Die Vibration bringt sogar die Brücke von Khazad-dûm zum Einsturz.

Dämonen schlafen in der Erde, wer sie erzürnt, muss einen Preis zahlen. Vulkanausbrüche und Erdbeben sind die Waffen der Erdengeister. Tatsächlich gehören Erdbeben zu den Naturkatastrophen, die wir erst erschreckend kurz verstehen. Alfreds Wegeners Deutung der Plattentektonik konnte glaubhaft erklären, warum sich Epizentren großer Beben auf dem Globus aneinanderreihen wie Perlen an einer Kette. Platten werden übereinander geschoben, prallen frontal aufeinander oder gleiten aneinander vorbei. All diesen Szenarien für die Entstehung starker Erdbeben ist gemein: Keine Dämonen sind hier am Werk, sondern die Kräfte der Physik. Dichteunterschiede zwischen kontinentalen und ozeanischen Platten und ein kontinuierlicher Wärmestrom hält den tektonischen Kreislauf am Leben.

Menschgemachte Beben

Epizentren von Erdbeben weltweit markieren die Grenzen tektonischer Platten (NASA/gemeinfrei)

Bebenkarte weltweit: Die Epizentren markieren die Grenzen tektonischer Platten (NASA/gemeinfrei)

In vorindustrieller Zeit konnten allen Beben natürlichen Ursachen zugeschrieben werden. Heute ist der Fall komplizierter gelagert. Der Mensch selbst hat angefangen, Beben zu verursachen. Lokale anthropogene Erschütterungen werden durch alte Bergbaustollen, Staudämme oder den Tunnelbau, aber auch durch vorbeifahrende Lastwagen und Busse verursacht. In Tschechien und Polen gibt es heute mehr Erschütterungen durch alte Minen als durch natürliche Ursachen.

Die Dämonen werden nicht nur unabsichtlich gerufen – man spannt sie zunehmend sogar zu eigenen Zwecken ein. Eine Veröffentlichung des US-Geologen Jean Elkhoury zu Folge, könnten schwache Beben die Förderleistung von Erdöl und Gas verbessern.

Im schweizerischen Basel bebte im Dezember 2006 die Erde. Im Stadtzentrum hatte die Geopower AG eine 5.000 Meter tiefe Geothermiebohrung abgeteuft, um hier ökologisch und klimafreundlich Strom und Wärme für die Stadt zu gewinnen. Dazu muss Wasser durch den Untergrund zirkuliert werden, der hier eigentlich nicht genügend Wasser durchlässt. Daher schaffte man künstlich ein Kluftsystem: Wasser wurde mit Drücken bis zu 300 bar eingepresst, im kristalline Gestein entstanden tausende schmale Klüfte. Der gewollte Nebeneffekt der Schockbehandlung: Erdbeben. Die Mikrobeben sollten einen kleinen Versatz der Risse verursachen und so verhindern, dass sie sich gleich wieder schlössen.

In Basel ging aber etwas schief: Mit Magnitude 3,4 waren die Beben nicht wie geplant unterhalb der Wahrnehmungsschwelle von Menschen. In vielen Gebäuden entstanden Risse. Der öffentliche Aufschrei war groß – das Misstrauen gegenüber der Geothermie erreichte weltweit einen Tiefpunkt. Offensichtlich war das Risiko für ein solches Ereignis nicht ausreichend an Politik und Bevölkerung kommuniziert worden. Den Dämon wollte plötzlich niemand mehr eingeladen haben (zu geothermischen Beben gibt es aktuell einen Artikel von mir auf Telepolis).

Das Beben von Basel hatte die alten Ängste der Menschen vor den Dämonen der Tiefe geweckt. Dabei ist die Aufregung über das ausgelöste Beben ein Sturm im Wasserglas. Weltweit gibt es jährlich 50.000 Beben zwischen den Magnituden drei und vier. Gebäude nehmen bei diesen Erschütterungen zwar leichten Schaden, etwa können Risse entstehen. Keine Versicherung zahlt aber für Erdbebenschäden, die unterhalb von 10 Prozent des Gebäudewerts liegen. Wenn das Erdbeben natürliche Ursachen hatte. In Basel berufen sich die Geschädigten darauf, dass der Dämon vom Menschen gerufen wurde. Die Versicherung musste auch zahlen – obwohl in keinem Fall schwere Schäden entstanden waren.

Es brauchte einen der mächtigsten Zauberer der Zeit, Gandalf den Grauen, um den Balrog aufzuhalten. Der nahm nicht nur die Brücke von Khazad-dûm mit in den Abgrund sondern auch den Magier selbst. Das Unheil kehrte in den Berg zurück, aus dem es gekommen war – für dieses Mal.

http://www.raumfahrer.net/astronomie/kepler/home.shtml

Wir brauchen die Geothermie

Dezember 23rd, 2009

Jede neue Technologie erfordert es, Chancen und Risiken fair gegeneinander abzuwägen. Keine Technik ist ohne Risiken, das ist auch bei erneuerbaren Energien nicht anders. Die Geothermie ist nach den Basler Beben und dem Bröckeln der Staufener Altstadt heftigen Angriffen ausgesetzt. Ein solches Kraftwerk wie in Basel will man nicht in seinem Hinterhof haben. Schon werden Projekte wie das in Landau in Frage gestellt, weil auch hier die Erde schwach bebte.

In Deutschland wird der größte Teil der Primärenergie zum Heizen verwendet. Wir brauchen die Geothermie, gerade in Ballungsräumen. Die tiefe Erdwärmenutzung wie in Basel benötigt günstige geothermische Bedingungen, die im dicht besiedelten Rheingraben vorliegen. Wenn man neben marginaler Stromerzeugung auch noch ein Fernwärmenetz speisen will, sucht man bewusst die Nähe zu urbanen Räumen.

Doch was sind die Alternativen zur Geothermie? Bioenergie wird diese Last regenerativer Heizungen nicht alleine schultern können, wenn man nicht Monokulturen und die Abholzung des Regenwalds für Palmölplantagen in Kauf nehmen will. Fossile Energieträger sind sowieso in Verruf. Man hat sie zwei Jahrhunderte lang genutzt, obwohl auch diese Technik viele negative Folgeerscheinungen hatte. Luftverschmutzung, Ölpest, Klimawandel: Was ist dagegen ein schwaches Erdbeben?

Nachtrag

Dieser Beitrag ging auch als Leserbrief an die TAZ – und in der Tat, am Dienstag wurde er gedruckt.

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