Hydrothermale Reservoire im Oberrheingraben

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1 Hydrothermale Reservoire im Oberrheingraben 6. Tiefengeothermie-Forum Hessen, 15. September 2011 Title Eigenschaften geothermischer Nutzhorizonte im Oberrheingraben 1. Motivation 2. Geologisches Modell - Seismik - Schnitte Tektonik, Mächtigkeiten 3. Durchlässigkeiten - Hydraulische Tests Produktivitätsindex, PoroPermDaten 4. Chemismus der Tiefenwässer Sättigung, Genese 5. Fazit Gliederung

2 1. Motivation Abschätzung des Fündigkeitsrisikos bereits im Vorfeld Temperatur, Durchlässigkeit, Aquifermächtigkeit, Hydrochemie Lebensdauer der geothermischen Anlage Betrieb der Anlage (Förderrate, Wärmeentzug), Abstand der Bohrungen, Bergrechtliches Bewilligungsfeld hydraulischer und thermischer Einflussbereich der Anlage Geowissenschaftliche Informationen über den Untergrund sind bereits in der Planungsphase erforderlich, detaillierte Kenntnisse in der Bau- und Betriebsphase: Informationen zur Durchlässigkeit, Temperatur, Wasserchemie, Gasgehalte, Tektonische Verhältnisse, Aquifermächtigkeit, Speicherfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Strömungs- und Transportmodelle, analytische Berechnungen 1. Motivation 2. Geologie Hydrothermale Ressourcen für Wärme und Strom im Oberrheingraben Thermale Grundwasserleiter: - Oberer Muschelkalk - Buntsandstein - Hauptrogenstein im Süden - Tertiäre Sande im Norden Geologie Seismik Oberrheingraben

3 Seismische Sektionen Erhebung + Digitalisierung seismischer Sektionen im ORG Geologische Schnitte durch den ORG: Geologisches Modell Korrelation seismischer Reflexionshorizonte mit Bohrprofilen Schnitte durch den ORG: Geologisches Modell Tiefenlage, Schichtmächtigkeit, Störungen, Kompression / Dehnung Hinweise auf: Temperatur, Ergiebigkeit Schnitt Strassburg

4 Geologische Schnitte durch den Oberrheingraben Südlich Heidelberg Nördlich Karlsruhe Geologische Schnitte durch den Oberrheingraben Schnitte Mitte Baden-Baden Offenburg

5 Großstrukturen Heidelberger Loch Karlsruher Schwelle Rastatter Senke Kehler Mulde Rheinische Hauptschwelle Kaiserstuhl Hartheimer - u. Kalibecken Buggingen Großstruktu ren 3. Hydraulische und hydrochemische Daten im Oberrheingraben Bohrteufen über 500 m, Daten aus nicht stimulierten Bohrungen Durchlässigkeit (T/H) aus hydraul. Tests Produktivitätsindex (PI), Förderrate / Druckabsenk. Hydrochemische Analysen Hydraulische Tests in Erdöl-/Erdgasbohrungen und in Thermalwasserbohrungen sind sehr unterschiedlich Testdauer Teststrecke Aufzeichnung Bohrungen der KW-Industrie Thermalwasserbohrungen Minuten bis wenige Meter Druck im Stunden Testbereich Tage bis mehrere Wasserstand, Wochen 10er Meter oberflächennaher Druck Datengrundlage

6 Beispiel: Durchlässigkeiten im Aquifer des Oberen Muschelkalks -Baden-Württembergischer- und Französischer Teil des Oberrheingrabens- Hydraulische Tests Medianwert: T/H = 8, m/s 1. Quartil: T/H = 1, m/s 3. Quartil: T/H = 3, m/s T/H mo Problemstellung Problemstellung wenig echte Durchlässigkeitswerte aus hydraulischen Versuchen (= harte Informationen) aber: viele halb-quantitative Angaben, wie: Förderrate, Druckabsenkung Produktivitätsindex Poro-Perm-Daten (Labormessung an Kernen, aus Logs) viele qualitative Angaben, wie: klüftig, kavernös, Störung, Kompression/Dehnung (aus Seismik), Bohrlochrandausbrüche, Hohlräume (aus Logs),..

7 Definition Definition: Produktivitätsindex PI = Q / p [m 3 / (s Pa)] mit: p = ρ g s Förderrate pro Druckabsenkung Umrechnung von Druck in Meter Wassersäule und Bezug auf die Testlänge H kann PI/H direkt mit T/H (= Durchlässigkeit) verglichen werden? Aus dem ORG liegen viele PI-Werte vor, aber relativ wenig Durchlässigkeiten (T/H-Werte). Lässt sich mit den PI/H-Werten der Datenumfang der T/H-Werte ergänzen? Beispiel: Produktivitätsindizes PI im Aquifer des Oberen Muschelkalks -Baden-Württembergischer- und Französischer Teil des Oberrheingrabens- PI/H vs. T/H Produktivitätsindex mo

8 Durchlässigkeit (T/H) vs. Produktivitätsindex (PI/H) - Korrelation vorhanden - PI/H-Werte fallen tendenziell niedriger aus als T/H-Werte - Unterschied zws. Daten von KW- und Thermalwasser-Bohrungen! - größte Unterschiede zu T/H bei den Daten aus KW-Bohrungen mit deutlich zu niedrigen Abschätzungen der Durchlässigkeit (T/H). Fehler bei zunehmender Durchlässigkeit ansteigend!! - beste Übereinstimmung bei Daten aus Thermalwasser- od. Geothermiebohrungen Ursachen für die Unterschiede - kurze Testdauer, insbesondere bei Tests in KW- Bohrungen, selten stationäre Verhältnisse - brunnenspezifische Einflüsse (Skin, Brunnenspeicherung) können nur bei hydraulischen Tests berücksichtigt werden. - positiver Skin (häufig) verstärkte Absenkung zu geringerer PI/H-Wert (verglichen mit T/H). Tests der KW-Industrie, im nicht gereinigten Bohrloch, d.h. positiver Skin pi 2 Box-Whisker-Plots Permeabilitäten Porositäten Poropermdaten

9 Porosit sitäts-perm - Labormessungen Permeabilitäts - geophysikalische Bohrlochmessungen Daten schwanken in sehr weiten Grenzen. ts-daten Daten z.b. für den Oberen Muschelkalk liegen um 10er-Potenzen unter den Werten aus hydraulischen Tests. Labormessungen sind Werte an der Gesteinsmatrix: Werte für große Klüfte oder Verkarstungen können im Labor nicht ermittelt werden! Einfluss Kernverlust? Ermittlung im Labor für sehr kleinen Teufenabschnitt, Übertragbarkeit auf Aquifer? Möglicherweise für gering permeables Gestein geeignet. Inadequate Methode für hochdurchlässige Kluft- und Karstaquifere! PoroPerm 4. Hydrochemie Hydrochemische Charakterisierung der Fluide im Untergrund Bedeutsam für den Betrieb der Anlage Ausfällungen Korrosion Hydrochemie

10 Hydrochemische Eigenschaften der Tiefenwässer im ORG Hauptrogenstein Oberer Muschelkalk Buntsandstein Gesamtlösungsinhalt TDS: > 200 g/kg Tiefe: bis 2100 m Wassertyp in der Tiefe: Na-Cl-Wasser Wassertyp in geringer Tiefe: Ca-HCO 3 Gesamtlösungsinhalt TDS: bis 75 g/kg Tiefe: bis 2500 m Wassertyp in der Tiefe: Na-Cl-Wasser Wassertyp in geringer Tiefe: Ca-SO 4 -HCO 3 Gesamtlösungsinhalt TDS: bis 130 g/kg Tiefe: bis 3200 m Wassertyp in der Tiefe: Na-Cl-Wasser Wassertyp in geringer Tiefe: Ca-HCO 3 Chemie Sättigung der Tiefenwässer bezüglich Calcit Calcite (CaCO3) 2,0 1,5 Buntsandstein Oberer Muschelkalk Hauptrogenstein 1,0 0,5 0,0-0,5 Sättigung

11 5. Fazit Die Güte, Machbarkeit und Lebensdauer eines geothermischen Nutzungssystems steht und fällt mit dem Grad des Kenntnisstandes über den geologischen Untergrundes und seine Eigenschaften: - Geologischer Bau, Schichtenabfolge, Lage von Störungen, - Tektonische Verhältnisse (Dehnung-Kompression), - Tiefenlage der thermalen Grundwasserleiter, Kluft- oder Karst-GW, - Mächtigkeit des Grundwasserleiters, - Hydrochemie der tiefen Wässern, Gasgehalte, - Thermische Eigenschaften, - Hydraulischen Eigenschaften Bereits im Vorfeld: Erkundung der Eigenschaften des Untergrundes. Quali Fazit: Zusammenstellung der mit verschiedenen Methoden ermittelten Durchlässigkeiten im Oberen Muschelkalk Vergleich Permeabilitäten

12 Fazit: Eigenschaften der Tiefenwässer Generell sind die Wässer im Oberrheingraben hochmineralisiert (Na-(Ca)-Cl), gasreich (CO 2, ) Sorgfältige Beprobung, hydrochemische Analysen sowie thermodynamische Berechnungen notwendig Rohr Wässer Fazit Bruchsal: Innenrohr zum Entgasen Folgen: - bei Förderung (Druckentlastung) fällt Calcit aus (Auswahl) - bei Entgasung von CO 2 aus den Wässern fällt Calcit aus - bei Sauerstoffzutritt in die Wässer fällt Eisen, Mangan aus Die geförderten Wässer müssen übertägig in einem geschlossenen System unter einem bestimmten Druck zirkuliert werden. Aragonit Landau: Beschichtung Innenrohr Bruchsal: Beschichtung Innenrohr Baden-Baden: Leitungsrohr Aktuelle Arbeiten STOBER, I. & JODOCY, M. (2011): Geothermische Verhältnisse südlich des Kaiserstuhls Das Hartheimer Becken im südlichen Oberrheingraben.- Grundwasser, Bd. 16, H. 2, S , (DOI /s z). LUDWIG, F., STOBER, I., BUCHER, K. (2011): Hydrochemical Groundwater Evolution in the Bunter Sandstone Sequence of the Odenwald Mountain Range, Germany: A Laboratory and Field Study.- Aquat. Geochem., 17, p , (DOI: /s ). STOBER, I. & JODOCY, M. (2011): Hydrochemie der Tiefenwässer im Oberrheingraben - eine Basisinformation für geothermische Nutzungssysteme. Z. geol. Wiss., 39, 1, S JODOCY, M. & STOBER, I. (2011): Porositäten und Permeabilitäten im Oberrheingraben und Südwestdeutschen Molassebecken.- Erdöl Erdgas Kohle, 127. Jg., H.1, S , Hamburg. JODOCY, M. & STOBER, I. (2010): Geologisch-geothermische Tiefenprofile für den baden-württembergischen Teil des nördlichen und mittleren Oberrheingrabens.- Erdöl Erdgas Kohle, 126. Jg., H. 2, S , Hamburg. STOBER, I. & JODOCY, M. (2009): Eigenschaften geothermischer Nutzhorizonte im baden-württembergischen und französischen Teil des Oberrheingrabens.- Grundwasser Grundwasser, 14, S , Springer-Verlag (DOI /s ). SCHELLSCHMIDT, R. & STOBER, I. (2008): Untergrundtemperaturen in Baden-Württemberg.- LGRB- Fachbericht, 2, 28 S., Regierungspräsidium Freiburg. STOBER, I. (2008): Tiefengeothermische Nutzungsmöglichkeiten im Südwesten Deutschlands.- Freiburger Universitätsblätter, 180, S , Rombach Verlag Freiburg. Literatur

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das Projekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU, Fördernr.: , ) unterstützt. Die Rohdaten wurden vom BRGM und vom WEG zur Verfügung gestellt. Mitarbeiter: Mathias Burisch, Benedikt Hintersberger, Marco Jodocy, Katrin Panschar Fin