Ansätze zur Quantifizierung des Fündigkeitsrisikos von geothermischen Bohrungen Rüdiger Schulz

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1 Ansätze zur Quantifizierung des Fündigkeitsrisikos von geothermischen Bohrungen Rüdiger Schulz Geothermische Anforderungen Definition: Fündigkeitsrisiko Erfolgswahrscheinlichkeit Beispiel Unterhaching Ausblick FH DGG, Offenburg,

2 Geothermische Stromerzeugung Installierte elektrische Leistung (MW e ) Jahr Quelle: IGA

3 Geothermische Energie Speichersysteme Nutzungsarten Petrothermale Systeme Gestein, Magma Hydrothermale Systeme (>150 C) Hochdruckwasserzonen Dampfsysteme Heißwassersysteme Hydrogeothermische Systeme (<150 C) Aquifere Thermalwasser Oberflächennahe Systeme max. 25 C, 400 m Hot-Dry-Rock - Technologie Stromerzeugung Stromerzeugung (>100 C) Direkte Nutzung Wärmepumpen

4 Geothermische Wärmenutzung & Stromerzeugung Aquifere Oberrheingraben Norddeutsches Becken Molassebecken Norddeutsches Becken Speicherkomplex Lias-Rät Mittlerer Buntsandstein Rotliegend-Sandsteine Unterkreide-Sandsteine Dogger-Sandsteine Keuper-Sandsteine Oberrheingraben Oberer Muschelkalk Mittlerer Buntsandstein Molassebecken Malm (Oberer Jura)

5 Direkte Nutzung 1-40 MW t Geothermische Heizzentrale Abnehmer Dublette Förderbohrung Injektionsbohrung Tiefe: m

6 Geothermische Stromerzeugung Anforderungen an die geothermischen Verhältnisse ORC - / Kalina - Zyklus Mindesttemperatur: 100 C Abkühlung auf: 70 C Förderrate: 30 l/s, besser 100 l/s Kraft-Wärme-Kopplung Direkte Nutzung Abkühlung auf: 50 C Wärmepumpe Abkühlung auf: 15 C

7 Bohrungskosten (Mio. Euro)

8 Fündigkeitsrisiko: Definition Das Fündigkeitsrisiko bei geothermischen Bohrungen ist das Risiko, ein geothermisches Reservoir mit einer (oder mehreren) Bohrung(en) in nicht ausreichender Quantität oder Qualität zu erschließen. Die Quantität wird definiert über Leistung P = ρ F c F Q (T i T o ) Die ausreichende Energieabgabe ist Betriebsrisiko Energie E = ρ F c F Q(T i T o ) Δt

9 Fündigkeitsrisiko: Parameter Aquifertyp: porös, klüftig, karstig Tiefe / Struktur: Reflexionsseismik Temperaturen: Abgeleitet aus der Tiefe Anforderungen der Verbraucher Ergiebigkeit: Abgeleitet aus Aquifertyp und Bohrungen Wirtschaftlichkeitsberechnung

10 Fündigkeitsrisiko: Erfolgswahrscheinlichkeit Zielhorizont: Warmwasser-Aquifer, Tiefe bekannt Temperatur T 1 T 2 p 1 p 2 Ergiebigkeit Q 1 Q 2 q 1 q 2 Erfolgswahrscheinlichkeit p 1.q 1 p 2.q 2 nicht fündig teilfündig fündig

11 Geologische Karte von Bayern Regensburg Profilschnitt Landshut Passa München Bayer. GLA (1996)

12 Schnitt durch die bayerische Molasse N S Oberer Jura (Malm) Bayer. GLA (1996)

13 Interpretation der seismischen Profile 05 Bohrung Gt 1 Schnittpunkt 1 km 04 0 s OSM OMM Aquitan ms TWT WSW 05 ENE NNW 04 SSE Chatt-Sande Baust.Sch. Rupel-Tonmer. Kreide- Bändermer. Malm Grundgebirge 2.5 s TWT

14 Temperatur an der Malm - Oberkante München Stand 1989

15 Temperaturverteilung T ( C) München- Pasing 7934 Starnberg Nord 8034 Starnberg Süd 7835 München 7935 München- Solln 8035 Sauerlach 7836 München- Trudering 7936 Zorneding 8036 Otterfing Temperatur- Tiefen- Profil z (m) Γ = 40 K km -1 Gebiet München- Süd Γ = 20 K km Γ = 30 K km

16 Temperaturverteilung Tiefe 2500 m Gebiet München Süd T ( C)

17 Beispiel: Unterhaching Gt 1 Karst- Aquifer, Tiefe 3000 m Median - Wert Temperatur Datenbasis 107 C 100 C 0, C 0,64 lokal km² N = 10 Ergiebigkeit Erfolgswahrscheinlichkeit nicht fündig teilfündig fündig

18 Hydraulische Teste im Malm (Thermal -) Bohrungen Geothermie - Bohrungen rot: Bohrungen im zentralen Molassebecken Stand: Februar 2007

19 Ergiebigkeit Q ~ T r s Förderrate (m³/h, l/s) T r Transmissivität (m²/s) s Absenkung (m) s/s m = Q /Q m laminares Zuströmen s/s m = (Q + b Q²) / (Q m + b Q m ²) laminar turbulentes Zuströmen t B 2 ρaca 4π Ma = thermischer Durchbruch bei einer Dublette ρ c 3 Q F F

20 Hydraulische Teste im Malm (Thermal -) Bohrungen s (m) rot: Geothermie - Bohrungen Bohrungen im zentralen Molassebecken nicht fündig laminar 300 m lam.-turb. 150 laminar 150 m lam.-turb fündig Q (l/s) Stand: April 07 Erforderliche Absenkung zum Erreichen der Förderraten Theoretische Kurven für 300 m (150 m) Absenkung

21 Gewichtung der Tests POS = w i a i w i 4 für Geothermie - Bohrungen im Zentralbecken w i = 2 für Geothermie - Bohrungen außerhalb 2 für sonstige Bohrungen im Zentralbecken 1 für sonstige Bohrungen außerhalb a i = 1 0 erfolgreich nicht erfolgreich

22 Beispiel: Unterhaching Gt 1 Ergebnis Sept. 04 Karst- Aquifer, Tiefe 3000 m 3002 m Median - Wert 107 C 100 C 0,86 Temperatur 105 C 0,64 121,7 C Datenbasis lokal km² N = 10 Prod. Index [m³/ (h MPa)] mit Stimulation 65 l/s 0,91 Ergiebigkeit (Absenkung 300 m) (79) Erfolgswahrscheinlichkeit 100 l/s 0,85 > 150 l/s (122) (> 203) regional km² N = 32 0,78 0,54 nicht fündig teilfündig fündig

23 Geothermiebohrung Unterhaching Gt 1 Festlegung des Bohraufschlagpunktes aufgrund der Seismik (Störungszone in einem Niedriggeschwindigkeitsbereich) Vorhergesagte Teufe des Top Malm: 3017 m Bohrung im September 2004 erfolgreich abgeteuft Erbohrte Teufe des Top Malm : 3002 m Temperatur: 121,7 C Bohrteufe: 3446 m (3350 m TVD) Temperatur: 130,5 C Förderrate: 65 l/s bei s = 82 m (Pumptest) 150 l/s bei s = 180 m (hochgerechnet)

24 Beispiel: Unterhaching Gt 2 Karst- Aquifer, 2. Bohrung Temperatur Ergebnis: Feb. 07 Ergebnis: Dez. 06 Versicherung nicht erforderlich! Prod. Index [m³/ (h MPa)] nicht fündig Absenkung (Ergiebigkeit 150 l/s) mit Stimulation Vertiefung 500 m(110) 0,91 0,78 Erfolgswahrscheinlichkeit 0,91 0,78 teilfündig > < m (280) regional km² N = 34 fündig

25 Temperaturverteilung Stand 2002 Stand 2007 T ( C) Tiefe 2500 m T ( C)

26 Gutachten zur Fündigkeit Anzahl EEG Oberrheingraben Molassebecken Gesamt Jahr Gesamt Stand: Jan. 2008

27 Risikoklassen Region Aquifer Typ Datenbasis Risiken Molasse Malm karstig I Oberrheingraben T Q Bohrdichte Norddeutsches Becken Tertiär porös II Jura - Muschelkalk klüftig - karstig o o o II Buntsandstein klüftig - porös o - o II Rotliegend klüftig - porös o - - III Kristallin klüftig o - - III Rhät - Unterkreide porös I Buntsandstein klüftig - porös + o + II Rotliegend klüftig - porös II Rotliegend klüftig + -- o III Deutschland Kristallin klüftig (HDR) o -- - III

28 Fündigkeitsrisiko Förderrate Q 2 Q 1 nicht fündig teilfündig fündig fündig Leistung P ~ Q ΔT T i T th T el Temperatur

29 Ausblick > > > > Entscheidender Parameter: Leistung P ~ Q ΔT Förderrate Q bei Absenkung s Temperatur T in Tiefe z Erfolgswahrscheinlichkeit (POS): p q p für T : lokal q für Q : regional Schlechte Datenlage zur Berechnung von q Bewertung der POS

30 Geothermisches Informationssystem Deutschland Förderung: BMU Laufzeit: 3 Jahre bis Mai 2009 Partner: LBEG LUNG LGRB FU GTN Niedersachsen, Hannover Mecklenburg-Vorpommern, Güstrow Baden-Württemberg, Freiburg Berlin in Kooperation mit LfU Bayern Neubrandenburg Wiss. Begleitung: PK Tiefe Geothermie der Staatlichen Geologischen Dienste