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DEPARTMENT FÜR GEO- UND
UMWELTWISSENSCHAFTEN
AG HYDROGEOLOGIE UND UMWELTGEOLOGIE
Zwischenbericht
Vorhabenbezeichnung:
„MonKü – Monitoring von Kühlwasserversickerung bei
tiefen Geothermieanlagen am Beispiel Unterhaching“
Zuwendungsempfänger: Ludwig-Maximilians-Universität München
Förderkennzeichen: 0325039
Laufzeit des Vorhabens: 1. März 2008 bis 31. Mai 2009
Berichtszeitraum: 1. August 2008 bis 31. März 2009
Berichterstatter:
Dipl.-Geol. Markus KANTIOLER, Prof. Dr. Christian
WOLKERSDORFER
Ziel des Vorhabens ist es, am Beispiel der Geothermieanlage Unterhaching eine
ökologisch akzeptable und ökonomisch realisierbare Methode zu entwickeln, um
konditioniertes und eingedicktes Kühlwasser geothermischer Energiegewinnung so
aufzubereiten, dass es bedenkenlos zurück in den Aquifer injiziert werden kann.
Zugleich soll der reaktive Stofftransport in der ungesättigten Zone und im Aquifer
unterhalb des Versickerungsbereichs untersucht werden.
Dazu soll das in der Geothermieanlage anfallende Kühlwasser untersucht und über
eine passive Reinigungsanlage gereinigt werden. Zur Untersuchung des reaktiven
Stofftransports in der ungesättigten Zone soll das bestehende Monitoring ergänzt
werden. Weiterhin wird ein bestehendes numerisches Modell an die aktuellen
Verhältnisse in Unterhaching angepasst und mittels einer neu zu errichtenden
Grundwassermessstation kalibriert.
Die Ergebnisse der Untersuchung lassen sich für dezentrale geothermische
Kraftwerke nutzen, bei denen das Kühlwasser zurück in einen Aquifer gepumpt oder
versickert werden muss und bei denen alternative Kühlwasserreinigungsanlagen
(z.B. Umkehrosmose, Nanofiltration oder Ionenaustausch) nicht in Frage kommen.
Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer
Cape Breton University
Sydney, Nova Scotia, Canada
Dipl. Geol. Markus Kantioler
Luisenstr. 37/I, Zimmer 119
80333 München

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1 Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen
Ergebnisse und anderer wesentlicher Ereignisse
1.1 Laborversuche zur Reduzierung der Sulfatfracht des zu versickernden
Kühlwassers
Als Basis der Laborversuche zur Reduzierung der Sulfatfracht des Kühlwassers
diente eine während eines Probelaufes gewonnene Wasserprobe aus dem Ablauf der
Geothermieanlage. Anhand der Analysedaten dieser Probe wurde das synthetische
Abschlämmwasser hergestellt und in den Laborversuchen als vorübergehendes
Medium verwendet. Während die überwiegende Anzahl der gemessenen Parameter
im Originalwasser die erwarteten Werte zeigten, konnten im Abschlämmwasser
gegenüber dem Grundwasser deutlich erhöhte Gehalte von Kupfer (6,4 μg/L) und
Chrom (64,5 μg/L) nachgewiesen werden, die nicht bereits im Kühlwasser enthalten
waren. Dadurch erweiterte sich die Aufgabenstellung der Experimente um die
Entfernung dieser beiden Metalle aus dem Abschlämmwasser. Insgesamt wurden vier
verschiedene Versuchsaufbauten entwickelt:
Zunächst wurde in einem Kolonnenversuch die Versickerung des Kühlwassers ohne
vorherige Behandlung simuliert, um die Reinigungswirkung des Bodens bzw. des
Grundwasserleiters zu untersuchen. Zur Befüllung der Säule wurde Kies verwendet,
der aus dem Bohrkern der neu errichteten neuen Grundwassermessstation GWM15
gewonnen wurde (siehe Kapitel 1.2). Um die Versickerung realitätsnah
nachzustellen, wurden jeweils vier Liter des Kühlwassers in 22 Umläufen durch die
Säule versickert. Die sich ergebende Sickerstrecke von 22 m entspricht dem vor Ort
gegeben Grundwasserflurabstand.
Trotz der relativ langen Sickerstrecke konnte keine Reduktion der Sulfatfracht des
Kühlwassers festgestellt werden, jedoch reduzierte sich der Kupfergehalt um
durchschnittlich etwa 50 %, das Chrom konnte fast vollständig aus dem Wasser
entfernt werden.
Ein weiterer Versuchsaufbau bildet das in Unterhaching zur Versickerung des
Kühlwassers konstruierte Feuchtgebiet nach. Wie im zuvor beschriebenen Versuch
konnte auch dabei eine deutliche Reduzierung der Chrom- und Kupfergehalte
erreicht werden, während die Sulfatwerte annähernd unverändert blieben.
Um die erhöhten Kupfer- und Chromgehalte gezielt zu entfernen, wurde die Sorbtion
dieser Metalle an Eisenoxihydratoberflächen (Produkt E33 der Bayer AG) untersucht.
Dabei wurde eine mit Eisenoxihydrat gefüllte Säule mit dem hergestellten
Kühlwasser durchströmt. Wiederum konnten die Kupfer- und Chromgehalte des
Kühlwassers nahezu komplett entfernt werden.
In einem vierten Experiment flossen die bisher erlangten Erkenntnisse in die
Entwicklung eines Versuchsaufbaus aus drei hintereinandergeschalteten Säulen ein.
Um reduzierende Bedingungen und damit eine mögliche eine Reduktion des Sulfates
zu Sulfid zu erreichen, wurde die erste Säule mit organischem Material – in diesem
Falle Kompost – befüllt. Eine zweite mit gebranntem Tongranulat befüllte Säule
sollte als Substrat für Sulfat reduzierende Bakterien dienen. Diese Bakterien
siedelten jedoch bevorzugt in der ersten Säule. Um die Entfernung der Chrom- und

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Kupfergehalte des Wassers sicherzustellen, wurde wiederum eine mit Eisenoxihydrat
befüllte Säule angeschlossen.
In Abhängigkeit der erreichten Redoxpotentiale konnte in diesem Experiment ein
leichter Rückgang der Sulfatfracht festgestellt werden. Es besteht jedoch vor allem
in der Stabilisierung des Redoxpotentials noch einiger Forschungsbedarf.

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1.2 Verdichtung des Grundwassermessnetzes im Bereich der
Geothermieanlage in Unterhaching
Um zuverlässige Aussagen über die Beschaffenheit der Grundwasser- und
Tertiäroberfläche treffen zu können, sind Informationen – in der Regel in Form von
Bohrprofilen und Grundwassermessstellen – in ausreichender Zahl, sowie in einer
homogenen Verteilung erforderlich. Im Untersuchungsgebiet dieses Projektes treffen
diese Bedingungen jedoch nur teilweise zu. Während im Norden, Osten und Westen
Grundwassermessstellen in ausreichender Zahl vorhanden sind, liegen im Süden und
vor allem im Zentrum des Gebietes kaum Informationen zum Flurabstand vor. Daraus
ergeben sich große Unsicherheiten bei der Interpolation innerhalb dieser nicht
erschlossenen Bereiche. Um einen möglichst hohen Nutzen der neu zu errichtenden
Grundwassermessstelle zu erreichen, wurde diese im Zentrum des am wenigsten
erschlossenen Bereiches angelegt (siehe Anhang 1)
Während der Einrichtung der Grundwassermessstelle wurde der gesamte
Bauvorgang überwacht und in Form eines Bohrprofils dokumentiert (siehe
Anhang 2). Die Schichtenfolge zeigt die für die Münchener Schotterebene typischen
sandigen, leicht schluffigen Kiese mit vereinzelten konglomeratischen Lagen.
Entgegen der erwarteten Tiefe von etwa 30 m unter Geländeoberkante wurde die
Tertiäroberfläche bereits bei 26,2 m erbohrt, was die bisherige Vorstellung in Bezug
auf die Topografie der Tertiäroberfläche an dieser Stelle vollständig verändert.
Während in der bereits exisitierenden numerischen Strömungsmodellierung eine im
Bereich des Perlacher Forstes annähernd ebene, nur leicht nach Norden geneigte
Tertiäroberfläche angenommen wurde, zeigt sich dort bei der Regionalisierung der
aktualisierten Daten ein ausgeprägter, nach Nordnordost ziehender Höhenrücken
innerhalb dieser Fläche (siehe Anhang 3 und 4). Dieser Höhenzug stellt regional eine
unterirdische Wasserscheide dar, die als neue Randbedingung in der nun
durchzuführenden numerischen Strömungsmodellierung Verwendung findet. Analog
der Tertiäroberfläche liegt auch die Grundwasseroberfläche in diesem Bereich etwa
vier Meter höher als bisher angenommen. Die Anhänge 5 und 6 zeigen die
Grundwassergleichenkarte, je einmal mit und einmal ohne die neue Grundwassermessstelle
GWM15
Diese beiden Erkenntnisse erfordern eine Neuinterpretation der hydrogeologischen
Verhältnisse im Bereich der Geothermieanlage in Unterhaching.

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1.3 Modellierung der hydrogeologischen Situation im Bereich der Geothermieanlage
in Unterhaching
Die numerische Modellierung der hydrogeologischen Verhältnisse im Projektgebiet
hat zum einen das Ziel, die Ausbreitung und Vermischung des versickerten
Kühlwassers mit dem Grundwasser vorhersagen zu können. Zum anderen soll eine
eventuelle Beeinflussung der auf dem nördlich gelegenen Infiniongelände
installierten Kühlanlagen prognostiziert und quantifiziert werden.
Zunächst wurden die durch die zusätzliche Grundwassermessstelle GWM 15
aktualisierten Datensätze der Tertiär- und Grundwasseroberfläche erneut
regionalisiert und die Ergebnisse auf ihre Plausibilität hin untersucht. Anhand dieser
neuen Flächendaten wurde der Bilanzraum der numerischen Modellierung
festgelegt. Im Osten und Westen wird das Modell von Randbedingungen 2. Art
begrenzt. Diese werden durch eine konstante Zu- bzw. Abflussmenge in eine
bestimmte Richtung definiert. Im Fall dieser Modellierung wurde die Zu- bzw.
Abflussmenge gleich null gesetzt, da die Modellgrenzen rechtwinkelig zu den
Grundwassergleichen verlaufen und in dieser Richtung kein Transport stattfindet.
Als nördliche und südliche Grenzen wurden Randbedingungen 1. Art gesetzt. Bei
dieser Art der Modellgrenzen wird eine feste Piezometerhöhe definiert, wobei der
Zu- bzw. Abstrom variabel bleibt. Als Grundlage dieser Begrenzungen wurden
wiederum Grundwassergleichen herangezogen; diesmal ist der Verlauf der Grenzen
jedoch parallel dazu.
Um die hydrogeologischen Verhältnisse des Untersuchungsgebietes realistisch zu
modellieren, muss das numerische Modell kalibriert werden. Da die hydraulische
Durchlässigkeit des Grundwasserleiters die unsicherste veränderbare Größe im
Modell darstellt, wurde die Kalibrierung anhand dieser Variablen durchgeführt.
Zunächst wurden die Bereiche, in denen die hydraulische Durchlässigkeit bekannt
ist, mit den vorhandenen Werten belegt. Alle restlichen Zellen erhielten einen
Mittelwert. Anhand der als Ergebnis der Simulation erstellten Grundwassergleichen
wurden die Unterschiede zur tatsächlichen Grundwasseroberfläche ermittelt und die
hydraulischen Durchlässigkeiten der betroffenen Bereiche verändert. Dieser Vorgang
hat allerdings der Grundannahme zu folgen, dass sich die Münchener Schotterebene
zunächst entlang des Reliefs der Tertiäroberfläche abgelagert haben muss. In Folge
dessen muss eine Abhängigkeit der hydraulischen Durchlässigkeiten von den
Strukturen der Tertiäroberfläche berücksichtigt werden.
Obwohl die Kalibrierung des numerischen Modells zum Zeitpunkt dieses Berichts
noch nicht abgeschlossen ist, kann generell eine Steigerung der hydraulischen
Durchlässigkeit von Süden nach Norden beobachtet werden. Zusätzlich zu diesem
Trend sind Bereiche mit erhöhter Durchlässigkeit vor allem entlang von Vertiefungen
in der Tertiäroberfläche festzustellen.
Insgesamt sind durch diese numerische Modellierung, die das bisherige numerische
Modell (Diplomarbeit MÜLLER 2006) ersetzen wird, gute und belastbare Ergebnisse
zu erwarten.

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2 Vergleich des Standes des Vorhabens mit der ursprünglichen
Arbeits-, Zeit- und Ausgabenplanung
Nach erheblichen Schwierigkeiten mit der Kalina-Technik ist nun in Unterhaching
die Stromerzeugung der Geothermieanlage in Betrieb gegangen. Während die
Experimente zur passiven Entfernung bzw. Reduzierung der Sulfatfracht des zu
versickernden Kühlwassers bisher nur anhand synthetisch hergestellten Wassers
durchgeführt werden konnten, ergibt sich nun die Möglichkeit die Experimente
erstmals mit dem tatsächlich anfallenden Kühlwasser durchzuführen. Zusätzlich kann
nun auch die Sulfataufnahme der im Sickerbecken wachsenden Pflanzen, sowie eine
eventuelle Akkumulation von Sulfatverbindungen in deren Substrat untersucht
werden.
Auf Grund der jetzt entstandenen neuen Situation erscheint eine kostenneutrale
Verlängerung dieses Forschungsvorhabens sinnvoll, da sich der Versuchsteil im
Labor und Gelände aufgrund der oben dargestellten Situation um ca. ein dreiviertel
Jahr verzögert hat.
3 Aussichten für die Erreichung der Ziele des Vorhabens
Nach den in Punkt 2 genannten technischen Schwierigkeiten und den damit
verbundenen Problemen zu Begin dieses Forschungsvorhabens stehen die
Aussichten nun sehr gut, die festgelegten Ziele zu erreichen.
Mit der fast vollständigen Entfernung der Chrom- und Kupfergehalte aus dem
Abschlämwasser konnte ein weiteres, erst im Verlauf des Projektes entstandenes Ziel
erreicht werden.
4 Für die Durchführung des Vorhabens relevante Ergebnisse Dritter
Bisher sind keine ähnlichen Projekte bekannt.
5 Notwendige Änderungen in der Zielsetzung des Vorhabens
Es sind keine Änderungen in der Zielsetzung des Vorhabens notwendig.
6 Verwertungsplan
Es ist keine Verwertung der Ergebnisse zum Erzielen von Gewinnen vorgesehen.

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7 Anhang
Anhang 1
GWM 15
GWM 15
Anhang 1: Übersichtskarte über das Projektgebiet

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Anhang 2
Anhang 2: Bohrprofil und Ausbauplan der neu errichteten Grundwassermessstelle
GWM15

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Anhang 3
GWM 15
Anhang 3: Isohypsenkarte der Tertiäroberfläche mit der neu errichteten Grundwassermessstelle
GWM15

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Anhang 4
Anhang 4: Isohypsenkarte der Tertiäroberfläche ohne die neu errichtete Grundwassermessstelle
GWM15

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Anhang 5
GWM 15
Anhang 5: Isohypsenkarte der Grundwasseroberfläche mit der neu errichteten
Grundwassermessstelle GWM15

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Anhang 6
Anhang 6: Isohypsenkarte der Grundwasseroberfläche ohne die neu errichtete
Grundwassermessstelle GWM15