Petrothermales Potenzial. und Möglichkeiten der Erschließung

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1 Petrothermales Potenzial und Möglichkeiten der Erschließung Forschungs- und Entwicklungsprojekt 3D-Modellierung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen Ingo Sass & Kristian Bär 7. Tiefengeothermie-Forum Hessens tiefengeothermisches Potenzial 8. Oktober 2012, Darmstadtium, Wissenschafts- und Kongresszentrum Darmstadt Auftraggeber: Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Kooperationspartner: Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

2 3D-Modellierung der tiefengeothermischen Potenziale von Hessen Geologisches 3D-Strukturmodell von Hessen Modellierung stratigraphischer Horizonte und Störungen Erstellung stratigraphiebezogener 3D-Volumenkörper (S-GRIDs) Untergrundtemperaturmodell Geothermisches Modell Ermittlung thermophysikalischer und hydraulischer Gesteinseigenschaften Attributierung des 3D-Modells mit geothermischen Gesteins- und Gebirgskennwerten Quantifizierung des tiefengeothermischen Potenzials und dessen qualitative Ausweisung Rhenoherzynikum und Nördliche Phyllitzone Mitteldeutsche Kristallinschwelle 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 2

3 Wie wurde das Potenzial definitiert? Ohne Berücksichtigung geologischer Kennwerte oder der Tiefenabhängigkeit thermophysikalischer oder hydraulischer Reservoireigenschaften 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 3

4 Vereinfachung erforderlich: Modelleinheiten Hessen3D 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 4

5 Für petrothermale Systeme nutzbare Einheiten Vulkanite des Rotliegend Granitoide der Mitteldeutschen Kristallinschwelle Quarzite, Grauwacken, Sandsteine, Kalksteine und Metavulkanite des Rhenoherzynikums Serizitgneise, Grünschiefer und Phyllite der Nördlichen Phyllit-Zone 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 5

6 Grundgebirge in Hessen: Lithologische Einheiten Geologie nach Voges et al. (1993) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 6

7 Grundgebirge in Hessen: Variszische Zonengliederung Geologie nach Voges et al. (1993) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 7

8 Grundgebirge in Hessen: Genetische Einheiten Geologie nach Voges et al. (1993) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 8

9 Grundgebirge in Hessen: Variszische Zonengliederung 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 9

10 Geologischer Profilschnitt Modellunterkante Rhenoherzynikum Nördliche Phyllit-Zone Mitteldeutsche Kristallinschwelle Deckgebirge, undifferenziert 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 10 nach Behr & Heinrichs (1987)

11 Magnetische Totalfeldanomalien: Strukturen des tiefen Untergrunds von Hessen Die Korrelation von Aufschlussgebieten und Geophysikalischen Messungen ermöglicht die Identifikation von Intrusivgesteinen und metamorpher Schieferserien Geologie nach Voges et al. (1993) Magnetische Totalfeldanomalien aus Gabriel und Vogel (2010) 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 11

12 Teilpotenziale als Kennwerte (Definition) Potenzial sehr gering gering mittel hoch sehr hoch Matrixwärmeleitfähigkeit [W/(m K)] < 1,0 > 1,0 > 2,0 > 3,0 > 5,0 Reservoirtemperatur [ C] < 60 > 60 > 100 > 120 > 150 Geothermischer Gradient [K/km] < 20 > 20 > 30 > 40 > 50 Permeabilität [m²] < > > > > Durchlässigkeit [m/s] < > > > > Transmissibilität [m 3 ] < > > > > Transmissivität [m²/s] < > > > > Wichtungsziffer nach Multikriterienanalyse < 0,2 < 0,4 < 0,6 < 0,8 < 1,0 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 12

13 Anzahl der Messungen und Mittelwerte für die Modelleinheiten Modelleinheiten Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] n Spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] n Gesteinspermeabilität [log m²] n Tertiäre Basalte 1,81 ± 0, ± ,0 ± 1,0 364 Muschelkalk 2,01 ± 0, ± ,1 ± 0,8 309 Buntsandstein 2,57 ± 0, ± ,6 ± 1, Zechstein 2,26 ± 1, ± ,1 ± 1,2 958 Rotliegend 2,21 ± 0, ± ,1 ± 1,4 882 Grundgebirge RH & NPZ 2,71 ± 1, ± ,8 ± 1, MDKS 2,40 ± 0, ± ,4 ± 0,9 926 GESAMT Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 13

14 Gesteinskennwerte der Mitteldeutschen Kristallinschwelle Gesteinsarten Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] n Temperaturleitfähigkeit [10-6 m²/s] n Spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] n Amphibolit 1,88 ± 0, ,81 ± 0, ± Gabbro 2,10 ± 0, ,01 ± 0, ± Diorit 2,23 ± 0, ,03 ± 0, ± Tonalit 2,36 ± 0, ,14 ± 0, ± Granodiorit 2,51 ± 0, ,26 ± 0, ± Granit 2,58 ± 0, ,33 ± 0, ± Gneis 2,59 ± 0, ,33 ± 0, ± GESAMT Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 14

15 Gesteinskennwerte der Mitteldeutschen Kristallinschwelle Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Amphibolit Diorit Dioritporphyrit Gabbro Glimmerschiefer Gneis Granit Granodiorit Ho-Bio-Gneis Kataklasit Kersantit Metagranit Quarz-Phyllit Tonalit Tonschiefer Temperaturleitfähigkeit [10-6 m²/s] 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 15

16 Gesteinskennwerte der Mitteldeutschen Kristallinschwelle Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Amphibolit Diorit Dioritporphyrit Gabbro Glimmerschiefer Gneis Granit Granodiorit Ho-Bio-Gneis Kataklasit Kersantit Metagranit Quarz-Phyllit Tonalit Tonschiefer Log Permeabilität [m²] 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 16

17 Gesteinskennwerte des Rhenoherzynikums Gesteinsarten Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] n Temperaturleitfähigkeit [10-6 m²/s] n Spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] n Metapelit 2,14 ± 0, ,41 ± 0, ± Grauwacke 2,79 ± 0, ,81 ± 0, ± Sandstein 3,41 ± 0, ,55 ± 0, ± Kieselschiefer 5,02 ± 0, ,72 ± 0, ± Quarzit 5,36 ± 0, ,36 ± 0, ± Metabasalt 1,85 ± 0, ,97 ± 0, ± Kalkstein 2,66 ± 0, ,68 ± 0, ± GESAMT Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 17

18 Gesteinskennwerte Rhenoherzynikum & Nördliche Phyllit-Zone 6.0 Kalkstein Quarzit Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Quarzsandstein Konglomerat Grauwacke Kieselschiefer Metapelit Buchit Metaandesit Phyllit Metarhyolit Metatrachyt Metabasalt Amphibolit Temperaturleitfähigkeit [10-6 m²/s] 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 18

19 Gesteinskennwerte Rhenoherzynikum & Nördliche Phyllit-Zone 7.0 Kalkstein Quarzit 6.0 Quarzsandstein Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Konglomerat Grauwacke Kieselschiefer Metapelit Buchit Metaandesit Phyllit Metarhyolit Metatrachyt Metabasalt Amphibolit Log Permeabilität [m²] 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 19

20 Vergleich der Gesteins- und Gebirgspermeabilität (RH & NPZ) Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 20

21 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität des Grundgebirges 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 21

22 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität des kristallinen Grundgebirges 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 22

23 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität Beispiel Quarzit 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 23

24 Tiefenabhängigkeit der Gebirgspermeabilität Beispiel Quarzit Option 2 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 24

25 Vergleich der Homogenität der Grundgebirgseinheiten Modelleinheiten Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] Temperaturleitfähigkeit [10-6 m²/s] Spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)] Grundgebirge RH & NPZ 0,5 bis 6,5 0,4 bis 4,5 500 bis 950 MDKS 1,4 ± 3,8 0,6 bis 2,0 650 bis 880 Die thermophysikalischen Kennwerte der Gesteine der Mitteldeutschen Kristallinschwelle weisen geringe Schwankungsbreiten auf. Bei den Gesteinskennwerten des Rhenoherzynikums und der Nördlichen Phyllitzone zeigen sich deutlich größere Schwankungsbreiten und Inhomogenitäten. Für die Mitteldeutsche Kristallinschwelle sind die Eigenschaften gut prognostizierbar. Für das Rhenoherzynikum und die Nördliche Phyllitzone ergeben sich geringere Prognosesicherheiten. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 25

26 Untergrundtemperatur Temperaturen von mehr als 120 C sind im Oberrheingraben in Tiefen von mehr als 2000 m zu erwarten. Im Odenwald und Spessart muss mindestens 2500 bis 3000 m tief gebohrt werden um 120 C Reservoirtemperatur zu erreichen. In Nordhessen wird dieses Temperaturniveau erst in Tiefen von mehr als 3500 km angetroffen. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 26

27 Untergrundtemperatur Temperaturen von mehr als 150 C sind im Oberrheingraben in Tiefen von mehr als 2750 m zu erwarten. Im Odenwald und Spessart muss mindestens 3500 bis 4000 m tief gebohrt werden um 150 C Reservoirtemperatur zu erreichen. In Nordhessen wird dieses Temperaturniveau erst in Tiefen von mehr als 4500 km angetroffen. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 27

28 Temperatur an der Oberkante Grundgebirge Im Oberrheingraben werden an der Oberkante des Grundgebirges bereits Temperaturen von mehr als 130 C erreicht. Damit fällt die durch die geologische Vorgeschichte aufgelockerte Zone (Verwitterung etc.) mit ihren erhöhten Permeabilitäten bereits innerhalb des nutzbaren Temperaturniveaus an. Im übrigen Hessen steht das Grundgebirge in geringerer Tiefenlage an und ist dementsprechend kälter. Die Erschließung müsste daher z. T. in kompakterem Gebirge erfolgen. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 28

29 Berechnung des Wärmeinhaltes von Reservoirsystemen E th c G G V nach Muffler & Cataldi (1978) ( T TO ) G Mächtigkeit des Rotliegend [m] E th c G ρ G V T G T O Wärmeinhalt [J] spezifische Wärmekapazität des Gesteins [J/(kg K)] Dichte des Gesteins [kg/m³] Gesteinsvolumen [m³] Temperatur des Gesteins [ C] Temperatur an der Erdoberfläche [ C] Mittlere Temperatur des Rotliegend [ C] 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 29

30 Petrothermales Stromerzeugungspotenzial in Hessen bis 6 km Tiefe Reservoirformation Mittlere Temperatur [ C] Volumen [km³] Therm. Energie [EJ] Verstrombarer Anteil [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [TWh] Rhenoher zynikum ,5 4, , , Σ (RH+NPZ) ,5 55, Mitteldt. Kristallinschwelle ,1 2, ,4 7, , Σ (MDKS) ,5 68, Buntsandstein ORG (Hessen 3D) Rotliegend ORG (Hessen 3D) 40,7 13,1 2,65 0,32 87, ,8 17,01 1,92 530,56 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 30

31 Vergleich der tiefengeothermischen Stromerzeugungspotenziale in Hessen Reservoirformation Mittlere Temperatur [ C] Volumen [km³] Therm. Energie [EJ] Verstrombarer Anteil [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [TWh] RH+NPZ ,5 55, MDKS ,5 68, Buntsandstein 40,7 13,1 2,65 0,32 88 Rotliegend ,8 17,01 1, Die petrothermalen Potenziale zur Stromerzeugung machen 98,2% des tiefengeothermischen Gesamtpotenzials in Hessen aus. Die hydrothermalen Potenziale zur Stromerzeugung haben demgegenüber nur einen Anteil von 1,8% am tiefengeothermischen Gesamtpotenzial von Hessen. Der Fokus zukünftiger Forschungen sollte auf die Erschließung der petrothermalen Potenziale Hessens ausgerichtet werden. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Das Projekt wurde im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz durchgeführt. Wir danken für die Finanzierung, Förderung und vielfältige Unterstützung des Projektes. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Unserem Kooperationspartner, dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie, danken wir für die sehr gute fachliche und organisatorische Zusammenarbeit, die vielen konstruktiven Anregungen und Diskussionen und für das Bereitstellen der fachlichen Daten. 8. Oktober Tiefengeothermie-Forum Ingo Sass & Kristian Bär 32