Die Höhle
Am KIT befindet sich auch unsere „Höhle“ und weitere Exponate rund um das Thema Tiefe Geothermie. Diese Exponate präsentiert das LFZG zum Beispiel gemeinsam mit seinen Partnerinstitutionen auch auf Fachmessen und Besuchermessen.
An Experimenten können interessierte Bürger und Bürgerinnen einen Einblick in die Technologie der Tiefen Geothermie gewinnen und gesteinsphysikalische Parameter „erleben“.
Dabei werden sowohl das Potenzial und die Chancen, aber auch die Risiken dieser Technologie im Rahmen der Energiewende dargestellt und kritisch beleuchtet.
Rütteltisch-Experimente
Bei unserem Exponat handelt es sich um experimentelle Aufbauten und einen Rütteltisch, wie er in der Industrie zum Verdichten von Materialien eingesetzt wird.
Mit dem Rütteltisch lässt sich Folgendes simulieren:
- Sandverflüssigung: wie scheinbar fester Sanduntergrund flüssig wird
- Erdbeben(un)sicheres Bauen: Der Einfluss der Bauweise auf die Standsicherheit von Gebäuden bei Erdbeben.
Sandverflüssigung
Werden locker gepackte Sandschichten in Schwingungen versetzt, verlieren die Sandkörner im locker gepackten Korngerüst durch die Erschütterung ihren Kontakt. Das Korngerüst verliert seine Stützwirkung. Die Sandkörner versuchen, eine „dichtere Packung“ zu erhalten, das überschüssige Wasser fließt ab. Das Sand-Wasser-Gemisch verhält sich beim Rütteln ähnlich wie eine Flüssigkeit. Objekte, die sich auf dem Sand befinden, sinken durch die Sandverflüssigung ein. Dies kann bei gewaltigen tektonischen Erdbeben, bei denen große Gebiete mehrere Minuten durchgeschüttelt werden, auftreten. Dann können Häuser im Sand kippen und einsinken.
Erdbeben(un)sicheres Bauen
Wesentlich für die Wirkung eines Bebens sind die Zeitverläufe der Bodenbeschleunigung, Bodengeschwindigkeit und Bodenverschiebung. Anwohner von Geothermieanlagen befürchten Schäden aufgrund der induzierten Seismizität, die bei Geothermieanlagen vereinzelt aufgetreten ist. Oft wird dabei das Beben der Magnitude 3.4 in Basel vom Dezember 2006 angesprochen. Dieses induzierte Beben führte an einer Station in unmittelbarer Nähe zu einer maximalen Bodenverschiebung von 0.27 mm. Zum Vergleich, das tektonische Beben mit der Magnitude ~ 7 im Jahre 1356 führte zu einer maximalen Verschiebungen von 150 bis 200 mm. Die Beschleunigungen auf dem Rütteltisch simulieren unterschiedliche Erdbebenmagnituden.
Permeabilität
Die Permeabilität eines Gesteins beschreibt, wie durchlässig es für Gase und/oder Flüssigkeiten ist. Die physikalische Einheit dieses Parameters entspricht einer Fläche [m², cm²] und wird in „Darcy“ [1 D ~ 1 x 10-12 m²] angegeben. In unserem Experiment wird die Permeabilität verschiedener Gesteinsproben untersucht: Wir durchströmen mit einer Luftpumpe die Gesteinsproben. Die Luftballons zeigen uns, welche Gesteine besonders durchlässig sind.
Wie durchlässig ein Gestein für Fluide ist, hängt vor allem von der Porengröße und -verteilung sowie der Klüftigkeit (Anzahl der Klüfte in einem bestimmten Volumen) ab. Je grobkörniger ein Gestein mit offenen Poren ist, desto höher ist seine Permeabilität. Auch die Form und die Ausrichtung der Körner sind für den Fluidtransport von Bedeutung. Die Permeabilität hängt damit auch davon ab wie kompliziert der Weg des Fluids um einzelne Minerale ist. Viele Tonsteine mit ihren blattförmigen Mineralen haben eine recht hohe Porosität, aber trotzdem eine sehr geringe Permeabilität. Je nach Form und Ausrichtung der Körner ist der Weg des Fluids durch das Gestein in manche Richtungen stark behindert. Mit wachsender Verfestigung des Gesteins, also Zunahme der Dichte und Zementation (Verkittung) der Gesteinsbestandteile, nehmen sowohl die Porosität als auch die Durchlässigkeit ab.
Porosität
Die Porosität beschreibt den Hohlraumanteil eines Gesteins. Sie gehört zu den wichtigen Gesteinseigenschaften bei der energetischen Nutzung des Untergrundes (unterirdische Erdgas- oder Erdöllagerstätten, Gasspeichern, sowie für die Nutzung von Erdwärme. Klastische Sedimente wie beispielsweise Sandstein oder manche Kalksteine weisen absolute Porositäten von bis zu 40% auf. Die Porosität von Tiefengesteinen wie Granit oder Gneiss liegt meist bei 0–2%. Viele Eigenschaft von Gesteinen hängen von der Form, Größe, Anzahl und Verteilung der Hohlräume ab. Obwohl Hohlräume auch Risse oder Spalten sein können, können sie meist als kugelförmig angenähert werden und werden deshalb als Poren bezeichnet – daher auch der Name „Porosität“.
