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Untersuchung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen

Bär, Kristian Manuel :
Untersuchung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „3D-Modell der geothermischen Tiefenpotenziale von Hessen“ erstellt. Ziel dieses Projektes war die Untersuchung und Quantifi-zierung des tiefengeothermischen Potenzials von ganz Hessen. Dabei entstand das erste digitale geo-logische Strukturmodell und tiefengeothermische Modell eines kompletten Bundeslandes. Die Quantifizierung der im Untergrund gespeicherten Wärme und die Bestimmung des Potenzials basieren auf einem geologisch-geothermischen 3D-Modell und erfolgte für verschiedene tiefen-geothermische Nutzungssysteme. Im Sinne eines Multikriterienansatzes wurden die für die Tiefe Geothermie als relevant eingestuften thermophysikalischen und hydraulischen sowie geologische Eigenschaften entsprechend einer nutzungsartabhängigen Wichtung zur Potenzialausweisung be-rücksichtigt. Als Grundlage dazu dienen für jede Eigenschaft definierte Grenzwerte. Diese legen fest, ob für den vorliegenden Wertebereich ein sehr hohes, hohes, mittleres, geringes oder sehr geringes Potenzial vorliegt. Aus dem attributierten geologischen 3D-Modell können auf infrage kommende Zielhorizonte und Standorte alle relevanten Eigenschaften abgefragt und zur Berechnung des lokalen geothermischen Potenzials herangezogen werden. Abschließend können in einem weiteren Schritt die lokalen Ergebnisse für jede potenziell geeignete Formation und Nutzungsart in die Fläche inter-poliert und in Karten oder Schnitten dargestellt werden. Als Basis für die standortabhängige Beurteilung des tiefengeothermischen Potenzials sind Kenntnisse der geothermischen Kennwerte der potenziellen Reservoirgesteine erforderlich. Hierbei sind neben den hydraulischen besonders die thermischen Eigenschaften von Bedeutung. Datengrundlage sind in Aufschlussanalogstudien ermittelte thermophysikalische, hydraulische sowie felsmechanische Laborkennwerte von Gesteinseinheiten, die andernorts in Hessen in Tiefen vorkommen, die für die Nutzung der Tiefen Geothermie grundsätzlich ausreichend sind. Da für Hessen keine ausreichende Anzahl an gekernten Tiefbohrungen (größer 1.000 m) vorliegt, an deren Kernproben die benötigten Gesteinseigenschaften bestimmt werden könnten, sind Messungen an einer ausreichend hohen Anzahl von Gesteinsproben aus Aufschlüssen und flacheren Kernbohrungen eine ideale Möglichkeit, eine solide geothermische Datenbasis aufzubauen. Da sowohl die hydraulischen als auch die thermophysikalischen Gesteinseigenschaften von den in situ Bedingungen der Reservoirgesteine abhängig sind, müssen die im Labor oder durch Aus-wertung von Felddaten ermittelten Kennwerte unter Berücksichtigung der Druck-, Temperatur und Tiefenabhängigkeit korrigiert werden. Hierzu dienen sowohl eigens empirisch ermittelte Korrektur-algorithmen, als auch solche, die in der Kohlenwasserstoffindustrie seit langem zur Umrechnung der Kennwerte auf die in situ Reservoirbedingungen in Gebrauch sind. Als Basis des geothermischen Modells wurde ein geologisches Modell mit der Software GOCAD erstellt. Dafür wurden mehr als 4.150 Bohrungsdaten aus der Bohrdatenbank des Hessischen Landes-amts für Umwelt und Geologie (HLUG) sowie der Bohrdatenbank des Kohlenwasserstoffverbundes der Staatlichen Geologischen Dienste Deutschlands am Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen (LBEG) genutzt. Zusätzlich fanden die geologischen Schnitte der geologischen Karten von Hessen Verwendung. Weitere Literaturdaten, wie z. B. Isolinienpläne, paläogeografische Karten und Strukturmodelle wurden ebenfalls für die Modellierung genutzt. Um Dritten Informationen zur Genauigkeit des 3D-Modells zugänglich zu machen, wurden diese den Flächen direkt als Attribute zugewiesen. Anhand des geologischen Strukturmodells wurden „Stratigraphic Grids“ erstellt. DieZellen dieser 3D-Objekte wurden mit den thermophysikalischen und hydraulischen Gesteins- und Gebirgskennwerten attributiert. In Abhängigkeit der verfügbaren Eigenschaften bietet sich das Modell an, mittels der hier vorgestellten Methode Geopotenziale dreidimensional zu identifizieren und zu visualisieren. Die Methode zur Bestimmung der Geopotenziale nutzt den weitverbreiteten „Analytic Hierarchy Process“ (AHP) zur Unterstützung von Entscheidungen. Für die Beurteilung der geothermischen Tiefenpotenziale von Hessen steht mit den zusammen-getragenen und durch die statistische Auswertung aufbereiteten thermophysikalischen Gesteins-kennwerten wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität sowie hydraulischer Kennwerte wie Gesteinspermeabilität, Gebirgspermeabilität und Transmissibilität eine umfangreiche geothermische Datenbasis zur Verfügung. Diese Datenbasis wird durch Porositäts-daten, Gesteinsdichten und z. T. felsmechanische Kennwerte ergänzt und bildet gemeinsam mit dem dreidimensionalen geologischen Strukturmodell von Hessen und dem Modell der Untergrund-temperaturverteilung eine umfassende Datensammlung für die Beurteilung der tiefengeothermischen Potenziale Hessens. Zusätzlich sind die geothermischen Gesteinskennwerte der einzelnen Reservoireinheiten für weitere Berechnungen oder numerische Modellierungen geothermischer Projekte nutzbar und können somit maßgeblich zur Qualitätsverbesserung bei der Projektierung geothermischer Anlagen beitragen. Im nördlichen Oberrheingraben kann für das Rotliegend aufgrund der Reservoirtemperatur, der Gesteins- und Gebirgspermeabilität, der Wärmeleitfähigkeit und unter Berücksichtigung des zu erwartenden Kluft- und Störungssystems ein mittleres bis hohes Potenzial für die hydrothermale Stromerzeugung ausgewiesen werden. Für die unterlagernden Granite, Granodiorite und Gneise des kristallinen Grundgebirges ergibt sich aufgrund der hohen Temperaturen von deutlich mehr als 150 °C und den guten Wärmeleitfähigkeiten ein hohes Potenzial für petrothermale Stromerzeugung. Unter Berücksichtigung der starken tektonischen Zerlegung des Untergrundes des nördlichen Oberrheingrabens und der daraus resultierenden Klüftung sind sogar höhere Gebirgspermeabilitäten, als die im Modell angegebenen zu erwarten Weiterhin ergeben sich für die im südlichsten Teil des nördlichen Oberrheingrabens vorkommenden Gesteine des Buntsandsteins mittlere bis hohe hydrothermale Potenziale. Zusätzlich liegen auch in den Gesteinen der tertiären Grabenfüllung aufgrund der vereinzelt hohen Gebirgspermeabilitäten und der regional erhöhten Untergrundtemperatur geringe bis mittlere Potenziale für die hydro-thermale Heizwärmegewinnung vor. An der Basis des Tertiärs wurden in der Pechelbronn-Formation mittlere Potenziale für die hydrothermale Stromerzeugung identifiziert. Somit kann im nördlichen Oberrheingraben insbesondere die gemeinsame Erschließung mehrerer übereinanderliegender Reservoirgesteine (Tertiär, Buntsandstein, Rotliegend, Grundgebirge) zu einer wirtschaftlich viel-versprechenden Nutzung der tiefengeothermischen Potenziale führen. Für die geschlossenen tiefengeothermischen Systeme ergibt sich im Gebiet des Oberrheingrabens und angrenzender Gebiete aufgrund des hohen geothermischen Gradienten und der geringen bis hohen Wärmeleitfähigkeiten ein mittleres bis hohes Potenzial. Die Regionen nördlich des Oberrheingrabens können hingegen nur mit störungsbezogenen oder petrothermalen Systemen genutzt werden, da alle sedimentären Einheiten, die aufgrund ihrer thermophysikalischen und hydraulischen Eigenschaften als hydrothermale Reservoirhorizonte in Frage kommen würden, in geringer Tiefenlage anstehen und daher zu niedrige Temperaturen für die tiefengeothermische Nutzung aufweisen. Es zeigt sich, dass die hydrothermalen und petrothermalen Potenziale Hessens durch das Modell gut erfasst wurden. Genauere Beurteilungen der tiefengeothermischen Potenziale können nur auf Basis zukünftiger Explorationstätigkeiten (Bohrungen, Seismik, Gravimetrie, Magnetik u.v.m.) erfolgen, die einen Einblick in den strukturellen geologischen Aufbau und die lithofazielle Gliederung des tieferen Untergrundes ermöglichen. Diese Kenntnisse können in Kombination mit den im Rahmen des Pro-jektes ermittelten umfangreichen Daten zu thermophysikalischen und hydraulischen Eigenschaften der Gesteine zur genaueren Bestimmung der tiefengeothermischen Potenziale in kleinräumigen Regionen (Konzessionsfeldern) Hessens dienen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present thesis was part of research project "3D-Model of the deep geothermal potentials of Hesse". Within the scope of this project the deep geothermal potential of the Federal State of Hesse was assessed in a quantitative analysis. The quantification of the heat stored under ground and the analysis of the deep geothermal potential was done for different geothermal systems. These are open systems as hydrothermal and petrothermal systems as well as fault zones and closed systems as deep borehole heat exchangers. For the assessment of the deep geothermal potential, knowledge of the geological structure and the geothermal properties of the potential reservoir rocks are indispensable. Therefore, a 3D model of the deep geothermal potential of the Federal State of Hesse (Germany) has been developed. The modeling was conducted using the software GOCAD. More than 4,150 well data from the Hessian well database, hosted by the Geological Survey of Hesse (HLUG), as well as from the Hydrocarbon Well Database of the German Geological Surveys, hosted by the Geological Survey of Lower Saxony (LBEG), were used. Furthermore, all geological cross-sections from geological maps and from other literature were taken into account. Additional data such as contour maps, palaeogeographic maps and existing structural models were used. In order to provide uncertainty information to third party users, it was integrated into the model itself. Stratigraphic Grids were created from the structural model to attribute them with thermophysical and hydraulic rock properties and create the geo-thermal model. For the assessment of deep geothermal potentials, the reservoir temperature is the key parameter. Therefore, the temperature distribution in the subsurface was modeled to a depth of 6 km below ground using actual data measured in deep wells in the region of the northern Upper Rhine Graben. In the rest of Hessen variable geothermal gradients based on actual temperature logs and depending on the depth of the Moho were used for modeling. This model allows the prognosis of the temp-erature in the subsurface with an accuracy of ±5 K ± 5 K/km depth. To allow predictions of the geothermal properties, a data set of outcrop analogue studies, borehole data and core investigations as well as hydraulic test data has been compiled for all relevant for-mations. Systematic measurements of thermophysical and hydraulic rock properties such as thermal conductivity, thermal diffusivity, heat capacity, density, porosity and permeability of relevant geo-logic formations have been combined with in situ temperature measurements, hydrothermal upwelling zones, characteristics of geological faults and were added to the 3D geological structural model. Since both the hydraulic and thermophysical properties strongly depend on the in situ conditions of the reservoir, the lab and field data need to be adapted considering the temperature and pressure within the reservoir. Therefore, the outcrop analogue data was compared with in situ data from old hydrocarbon exploration wells within the Upper Rhine Graben and from deep wells in adjacent regions to develop empiric functions for the depth and temperature dependence of the hydraulic properties. For the thermophysical properties established functions from crustal scale thermal models were used. To analyze the deep geothermal potentials the various rock and reservoir properties were assessed using a multiple criteria approach incorporating their relevance for the different geothermal systems. Depending on the chosen parameters, the model is highly capable to evaluate geopotentials. The presented method for geopotential evaluation is based on the Analytic Hierarchy Process (AHP), which is a very common Multiple Criteria Decision Support System. The method can be used to identify and visualize different geopotentials cell based using many different parameters determining each potential. Therefore, threshold values for each parameter were defined specifying whether the potential is very high, high, medium, low or very low. This method was tested for the one-dimensional case (virtual drilling) and the two-dimensional case (geological-geothermical cross-sections) before being applied to the geothermal 3D model. The resulting geothermal model, which incorporates the quantification and the analysis of the deep geothermal potentials, is an important tool, which can be used at an early stage of the planning phase for the design of geothermal power plants. Furthermore, it allows quantification of the deep geothermal potential and is intended to be an instrument for public information.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 14 Aug 2012 11:10
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30671
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Hoppe, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 9 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3067
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