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Integrated Exploration, Geothermal Modelling and Techno-Economic Resource Assessment of the Crystalline Basement in the Northern Upper Rhine Graben

Frey, Matthis (2023)
Integrated Exploration, Geothermal Modelling and Techno-Economic Resource Assessment of the Crystalline Basement in the Northern Upper Rhine Graben.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024572
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Copyright Information: In Copyright.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Integrated Exploration, Geothermal Modelling and Techno-Economic Resource Assessment of the Crystalline Basement in the Northern Upper Rhine Graben
Language: English
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo ; Calcagno, Dr. Philippe
Date: 16 October 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 235 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 30 June 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024572

The climate crisis is already causing significant humanitarian and economic impacts that will intensify in the future if global greenhouse gas emissions are not immediately reduced. Under the Climate Protection Act, Germany is therefore obliged to achieve net carbon neutrality by 2045. To meet this ambitious target, a far-reaching transformation of the energy sector is necessary, with imports of fossil fuels being replaced by domestic renewable energy production. In addition to established energy sources, deep geothermal energy, as a low-emission, base-load capable, local and scalable solution, will likely become a cornerstone of energy supply in the upcoming decades. The crystalline basement offers the greatest geothermal potential, which could be exploited through so-called enhanced geothermal systems (EGS). Particularly favourable conditions for geothermal utilization exist in the Upper Rhine Graben (URG), where compared to other regions in Germany higher reservoir temperatures and permeabilities are observed. To date, however, deep geothermal energy occupies only a small niche due to the comparatively high costs and risks associated with drilling, development, and operation of geothermal power plants. In addition, geological uncertainties in the basement are particularly large, as it has been insufficiently explored by the hydrocarbon industry and previous geothermal research projects. This thesis aims to quantify and reduce these uncertainties to promote geothermal development in the northern URG. A comprehensive lithological, petrophysical and structural reservoir characterization is carried out by combining geological and geophysical techniques on multiple scales. All relevant data are integrated into a 3D geothermal model that enables a regional resource assessment for the basement. In the northern ORG, geologic modelling of the basement faces significant challenges because well data from the basement are very sparse and 3D seismic data are often not openly available. Therefore, gravity and magnetic data were additionally considered in a stochastic joint inversion that provided new insights into the structure and composition of the basement while also quantifying model uncertainties. The inversion demonstrates that the geologic units of the graben shoulders can be traced below the sedimentary filling. Comparison of the inverted petrophysical properties with existing databases and newly collected susceptibility measurements yielded a map of the predicted basement lithology in the northern URG. Accordingly, most areas are dominated by granitoids, which tend to have higher permeability than shales and gneisses and thus are preferred targets of geothermal drilling. In contrast, a predominantly metamorphic basement can be assumed in the Saxothuringian Zone and at the northwestern rift margin. The developed 3D basement model and inversion results were key input for a techno-economic resource assessment, which furthermore incorporated data from thermal and geomechanical models, operating geothermal power plants, and financial aspects of geothermal utilization. Calculation of resources at the regional scale was based on the widely used volumetric 'heat in place' method, whereby model uncertainties were quantified by means of Monte Carlo simulation. The recoverable heat along large-scale fault zones, considered as preferential fluid pathways, was estimated as a function of the slip and dilation tendency in the recent stress field. The economically exploitable part of the resources (reserves) was subsequently investigated by a sensitivity analysis of relevant parameters. The assessment reveals that the basement in the URG is characterized by a vast resource base, of which between 8 and 16 PWh are potentially recoverable with current EGS technologies. This could sustainably provide a significant fraction of the heat and power supply in the northern URG. About 65% of the resources were economically recoverable at market conditions in January 2022. In view of the enormous increases in energy prices resulting from the war in Ukraine, the share is now likely higher. A comparison of the calculated resources with the socio-economic-environmental conditions for geothermal utilization at the surface shows a high level of correlation, especially in the densely populated areas around Mannheim and Darmstadt. As groundwater flow in the crystalline basement is mainly controlled by open fractures, accurate knowledge of the natural fracture network is essential for the planning, development and operation of geothermal power plants. Image logs from deep boreholes provide the most meaningful information on fracture properties, but these are very rare and often inaccessible in the URG. A comprehensive structural outcrop analog study was conducted to compensate for the lack of borehole data. The Tromm Granite in the southern Odenwald was selected as the study area as it is both a suitable analog for the granitoid reservoirs in the northern URG and a potential site for the upcoming GeoLaB project. Here, lineament analyses and lidar surveys in abandoned quarries were combined, resulting in a multiscale description of the basement's fracture network. Discrete fracture network (DFN) models were then developed based on the obtained properties to estimate the permeability under assumed reservoir conditions. While the Tromm Granite is overall intensely fractured and the network is well connected, the density and orientation of fractures is strongly influenced by nearby fault zones. Fractures cluster roughly in the N-S direction, parallel to σHmax, resulting in an order of magnitude higher permeability than in the E-W direction. The structural investigations were complemented by geophysical surveys, designed to map and characterize the buried faults in the Tromm Granite. As in the regional modelling, potential field methods (terrestrial gravimetry and aeromagnetics) were applied and additionally the radon activity concentration was measured along one profile. The gravity data show rather broad anomalies, which cannot be assigned to single faults, but rather to zones of increased fault and fracture density. Inversion of the gravity data indicated a fracture related porosity of up to 9% along the pluton margins. The drone-based aeromagnetic survey, conversely, allows a more detailed mapping of the fault network. After filtering, the dataset revealed a complex network of linear anomalies that are interpreted as altered fault zones with increased reactivation potential, thus representing preferred fluid pathways. In conclusion, the crystalline basement is an attractive target for deep geothermal exploitation in the northern URG due to the vast resource base. As part of the dissertation, a new detailed geothermal 3D model and a regional map of the resources have been developed, providing politicians, investors, and project engineers with a more reliable basis for decision-making. Furthermore, the understanding of the fracture network properties and thus of the hydraulic properties in the northern URG was improved. Nevertheless, significant uncertainties remain at the local scale that can only be eliminated through targeted exploration measures and coupled numerical modelling. Besides, the risk of noticeable induced seismicity persists, which is a major obstacle to the exploitation of deep geothermal energy. Great hope therefore lies in the development of new safe stimulation techniques for EGS reservoirs, which will be advanced in particular within the framework of the upcoming GeoLaB project.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Klimakrise zeigt bereits heute erhebliche humanitäre und wirtschaftliche Auswirkungen, die sich in Zukunft noch verstärken werden, wenn die globalen Treibhausgasemissionen nicht schnellstens minimiert werden. Gemäß dem Klimaschutzgesetz ist Deutschland daher verpflichtet, bis 2045 klimaneutral zu werden. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifender Umbau des Energiesektors notwendig, bei dem Importe fossiler Energieträger durch heimische erneuerbare Energieerzeugung ersetzt werden. Neben den etablierten Energiequellen wie Wind, Sonne, Wasser und Biomasse wird die Tiefengeothermie als emissionsarme, grundlastfähige, lokale und skalierbare Anwendung in den kommenden Jahrzehnten vermutlich zu einem Eckpfeiler der Energieversorgung aufsteigen. Das größte geothermische Potenzial bietet das kristalline Grundgebirge, das durch sogenannte Enhanced Geothermal Systems (EGS) erschlossen werden könnte. Besonders günstige Voraussetzungen für die geothermische Nutzung bestehen im Oberrheingraben (ORG), wo die Reservoirtemperaturen und -permeabilitäten im Vergleich zu anderen Regionen Deutschlands generell erhöht sind. Aufgrund der relativ hohen Kosten und Risiken, die mit Bohrung, Erschließung und Betrieb von Geothermiekraftwerken verbunden sind, nimmt die Tiefengeothermie bisher jedoch nur eine kleine Nische ein. Zudem sind die geologischen Unsicherheiten im Grundgebirge besonders groß, da dieses durch die Kohlenwasserstoffindustrie und vorangegangene geothermische Forschungsprojekte nur unzureichend erkundet wurde. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Unsicherheiten im nördlichen ORG zu quantifizieren und zu reduzieren, um die geothermische Entwicklung in der Region voranzutreiben. Es erfolgt eine umfassende lithologische, petrophysikalische und strukturelle Reservoircharakterisierung durch die Kombination strukturgeologischer und geophysikalischer Ansätze auf multiplen Skalen. Alle verfügbaren Daten werden in ein 3D Modell integriert, das eine regionale Ressourcenbewertung für das Grundgebirge ermöglicht. Im nördlichen ORG steht die geologische Modellierung des Grundgebirges vor großen Herausforderungen, da nur sehr wenige Bohrlochdaten aus dem Grundgebirge existieren und 3D-seismische Daten häufig nicht offen zugänglich sind. Daher wurden zusätzlich Schwere- und Magnetikdaten in einer gemeinsamen stochastischen Inversion berücksichtigt, die neue Einblicke in die Struktur und Zusammensetzung des Grundgebirges liefert und gleichzeitig die Modellunsicherheiten quantifiziert. Die Inversion zeigt, dass die geologischen Einheiten der Grabenschultern unterhalb der sedimentären Füllung nachverfolgt werden können. Durch einen Vergleich der invertierten petrophysikalischen Eigenschaften mit bestehenden Datenbanken und neu erhobenen Suszeptibilitätsmessungen konnte eine Karte der voraussichtlichen Grundgebirgslithologie im nördlichen ORG erstellt werden. Demnach werden die meisten Gebiete von Granitoiden dominiert, die tendenziell eine höhere Permeabilität als Schiefer und Gneise aufweisen und somit bevorzugte Ziele geothermischer Bohrungen darstellen. Im Saxothuringikum und am nordwestlichen Grabenrand kann dagegen von einem überwiegend metamorphen Grundgebirge ausgegangen werden. Das entwickelte 3D-Grundgebirgsmodell und die Inversionsergebnisse waren der zentrale Bestandteil einer technisch-ökonomischen Ressourcenbewertung, in die zudem Daten aus thermischen und geomechanischen Modellen, aus dem Betrieb geothermischer Kraftwerke und aus finanziellen Aspekten der geothermischen Nutzung einflossen. Die Berechnung der Ressourcen auf regionaler Ebene beruht auf der etablierten volumetrischen "heat in place"-Methode, wobei Modellunsicherheiten mittels Monte-Carlo-Simulation quantifiziert wurden. Die gewinnbare Wärme entlang großräumiger Störungszonen, die als bevorzugte Fluidpfade gelten, wurde als Funktion der sogenannten Slip und Dilatation Tendency im rezenten Spannungsfeld abgeschätzt. Der wirtschaftlich nutzbare Teil der Ressourcen (Reserven) wurde anschließend durch eine Sensitivitätsanalyse der relevanten Parameter untersucht. Die Bewertung zeigt, dass das Grundgebirge im ORG über enorme geothermische Ressourcen verfügt, von denen zwischen 8 und 16 PWh mit den derzeitigen EGS-Technologien potenziell gewinnbar sind. Damit könnte ein erheblicher Teil der Wärme- und Stromversorgung im nördlichen ORG nachhaltig gesichert werden. Rund 65% der Ressourcen sind zu Marktbedingungen im Januar 2022 wirtschaftlich förderbar. Angesichts der enormen Energiepreissteigerungen infolge des Krieges in der Ukraine dürfte der Anteil inzwischen sogar höher sein. Ein Vergleich der berechneten Ressourcen mit den sozioökonomisch-ökologischen Bedingungen für die geothermische Nutzung an der Oberfläche zeigt eine hohe Übereinstimmung, insbesondere in den dicht besiedelten Gebieten um Mannheim und Darmstadt. Da der Grundwasserfluss im kristallinen Grundgebirge hauptsächlich durch offene Klüfte gesteuert wird, ist die genaue Kenntnis des natürlichen Kluftnetzwerkes für die Planung, die Entwicklung und den Betrieb geothermischer Kraftwerke unerlässlich. Die aussagekräftigsten Informationen über die Klufteigenschaften liefern Image Logs aus Tiefbohrungen, die im ORG jedoch sehr selten und oft nicht zugänglich sind. Um den Mangel an Bohrlochdaten zu kompensieren, wurde eine umfassende strukturelle Aufschlussanalogstudie durchgeführt. Der Tromm Granit im südlichen Odenwald wurde als Untersuchungsgebiet ausgewählt, da dieser zum einen ein geeignetes Analogon für die granitoiden Reservoire im nördlichen ORG darstellt und zum anderen ein potentieller Standort für das kommende GeoLaB Projekt ist. Hier wurden Lineamentanalysen und Lidar-Untersuchungen in fünf aufgelassenen Steinbrüchen kombiniert, womit eine multiskalige Beschreibung des Kluftnetzes des Grundgebirges erreicht wurde. Auf der Grundlage der gewonnenen Eigenschaften wurden daraufhin diskrete Kluftnetzwerkmodelle (DFN) entwickelt, um die Durchlässigkeit des Grundgebirges unter angenommenen Lagerstättenbedingungen abzuschätzen. Das Kluftnetzwerk im Tromm Granit zeigt sich als generell stark geklüftet und gut verbunden, wobei die Dichte und Orientierung von Klüften durch nahegelegene Störungszonen beeinflusst werden. Klüfte clustern in N-S Richtung, also etwa parallel zu σHmax, sodass die Reservoirpermeabilität etwa eine Größenordnung höher ist als in O-W Richtung. Die strukturgeologischen Untersuchungen wurden durch geophysikalische Messungen ergänzt, mit denen die überdeckten Störungen im Tromm Granit kartiert und charakterisiert wurden. Wie bei der regionalen Modellierung kamen auch dabei wieder Potenzialfeldmethoden (terrestrische Gravimetrie und Aeromagnetik) zum Einsatz und zusätzlich wurde die Radonaktivitätskonzentration entlang eines Profils gemessen. Die Schwerefelddaten zeigen eher breite Anomalien, die nicht einzelnen Verwerfungen, sondern Zonen mit erhöhter Störungs- und Kluftdichte zugeordnet werden können. Die Inversion der Schweredaten deutet auf eine Kluftporosität von bis zu 9 % entlang der Plutonränder hin. Die drohnengestützte aeromagnetische Vermessung ermöglicht im Vergleich eine detailliertere Kartierung des Störungsnetzwerkes. Nach der Filterung zeigt der Datensatz ein komplexes Netzwerk von linearen Anomalien, die als alterierte Störungszonen mit erhöhtem Reaktivierungspotenzial interpretiert werden und somit mögliche Fluidwegsamkeiten darstellen. Abschließend ist festzustellen, dass das kristalline Grundgebirge aufgrund der großen Ressourcenbasis ein attraktiver Zielhorizont der Tiefengeothermie im nördlichen ORG darstellt. Im Rahmen der Dissertation wurden ein neues detailliertes geologisches Modell und eine regionale Ressourcenkarte entwickelt, die PolitikerInnen, InvestorInnen und ProjektingenieurInnen eine zuverlässigere Entscheidungsgrundlage bieten. Zudem wurde das Verständnis der Kluftnetzwerkeigenschaften und damit der hydraulischen Eigenschaften im nördlichen ORG verbessert. Dennoch verbleiben erhebliche Unsicherheiten auf der lokalen Skala, die nur durch gezielte Erkundungsmaßnahmen und gekoppelte numerische Modellierung reduziert werden können. Zudem besteht weiterhin das Risiko spürbarer induzierten Seismizität während der Entwicklung und des Betriebes des Kraftwerkes, die ein großes Hindernis für den Ausbau der Tiefengeothermie darstellt. Große Hoffnung liegt daher in der Entwicklung neuer sicherer Stimulationstechniken für EGS-Reservoire, die insbesondere im Rahmen des anstehenden GeoLaB-Projekts vorangetrieben werden sollen.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-245725
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 16 Oct 2023 12:09
Last Modified: 18 Oct 2023 07:20
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24572
PPN: 512321221
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