Stand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes 3D-Modell der geothermischen Tiefenpotenziale von Hessen Arne Buß Dirk Arndt Andreas Hoppe Ingo Sass Technische Universität Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften Auftraggeber: Kooperationspartner: 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Tiefengeothermische Potenzialkarte Hessen Teilprojekt I Erstellung eines digitalen geologischen 3D- Strukturmodells Modellierung der Störungen und stratigraphischen Horizonte Teilprojekt II Erstellung eines digitalen geothermischen 3D- Potenzialmodells Ermittlung und Zuordnung physikalischer Gesteinsparameter 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 2
Strukturmodell Generierung von Störungsflächen Störungsnetz Geologische Schnitte (Seismik) Generierung von Horizontflächen Bohrdaten Geologische Schnitte Ausbisslinien Isolinien (Seismik) Hoppe & Mittelbach (1999) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 3
Modellhorizonte I Quartär Tertiär Top Keuper Top Muschelkalk Top Buntsandstein Lias Keuper Muschelkalk Buntsandstein Hoppe & Mittelbach (1999) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 4
Modellhorizonte II Zechstein Rotliegend Karbon Top Keuper Top Muschelkalk Top Buntsandstein Top Zechstein Top Rotliegend Schiefergebirge Top Grundgebirge Kristallin Hoppe & Mittelbach (1999) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 5
Verbreitung Keuper Maximale Teufe: ca. 400 m Maximale Mächtigkeit: ca. 400 m Dominierende Gesteine: Tonsteine, Mergelsteine Für die tiefengeothermische Nutzung nicht prioritär. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 6
Verbreitung Muschelkalk Maximale Teufe: ca. 600 m Maximale Mächtigkeit: ca. 200 m Dominierende Gesteine: Kalksteine, Mergelsteine Für die tiefengeothermische Nutzung nicht prioritär. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 7
Verbreitung Buntsandstein Maximale Teufe: im Oberrheingraben bis zu 3.500 m Maximale Mächtigkeit: ca. 1200 m Dominierende Gesteine: Sandsteine, Ton- und Siltsteine Tiefengeothermische Nutzung zukünftig evtl. möglich. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 8
Verbreitung Zechstein Beispiel Top Plattendolomit Maximale Teufe: ca. 1400 m Maximale Mächtigkeit: ca. 550 m Dominierende Gesteine: Salzgesteine, Tonsteine, Mergelsteine, Kalkgesteine Für die tiefengeothermische Nutzung als Deckschicht relevant. Kött & Kracht (2009) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt TOP in m u. GOK < 200 >200-400 >400-600 >600-800 >800-1000 >1000-1200 >1200-1400 >1400 9
Verbreitung Rotliegend Maximale Teufe: ca. 3.800 m Maximale Mächtigkeit: theoretisch 2000 m möglich, ca. 850 m nachgewiesen Dominierende Gesteine: Sandsteine, Konglomerate, Vulkanite Für die tiefengeothermische Nutzung relevant. TOP in m u. GOK Kött & Kracht (2009) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt < 400 >400-800 >800-1200 >1200-1600 >1600-2000 >2000-2400 >2400 10
Verbreitung Grundgebirge Dominierende Gesteine: Metasedimentite (und Metavulkanite), Kristallin Schiefergebirge Für die tiefengeothermische Nutzung relevant. Kristallin 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 11
Bohrungen Mehr als 3900 digitalisierte Bohrungen. Bohrungen aus der Datenbank der Kohlenwasserstoffindustrie müssen noch integriert werden. Teufe 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 12
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Digitalisierung geologischer Schnitte Erfasste geologische Schnitte stammen aus Geologischen Karten GK200, GK25, Geologische Jahrbücher Hessen, Geologische Abhandlungen Hessen, Weitere Literatur. Alle Schnitte (262) wurden gescannt, georeferenziert und in GOCAD integriert. digitalisiert noch ausstehend 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 14
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Isolinienpläne und vorhandene Modelle Vorhandene strukturelle 3D Modelle Nördlicher Oberrheingraben (Bär, 2008) Hanau Seligenstädter Senke (Lang, 2007) Isolinienpläne Basaltbasis Vogelsberg (Ehrenberg 1985) Top Buntsandstein (GK) Top Unterer Buntsandstein (GK) Basis Kupferschiefer (Kulick 1984) Top Plattendolomit (K+S) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 17
Störungen Das Störungsnetz der Geologischen Übersichtskarte 1:300.000 ist sehr detailliert. Auswahloptionen von Störungslinien auf Basis der Tektonischen Karte Deutschlands (Zitzmann 1981). 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 18
Vorgehensweise Strukturmodellierung Modellierungsschritte Schritt 1: Zusammenstellung der digitalen räumlichen Informationen Schritt 2: 3D-Modellierung des vereinfachten Störungssystems Schritt 3: Modellierung der indizierten Formationsoberflächen - die Auflösung des Flächennetzes hängt von der Informationsdichte ab Schritt 4 = Schritt 1 des geothermischen Modells: Aufbau von SGRIDs und Zuweisung geothermischer Gesteinskennwerte 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 19
Bohrungen mit Temperaturdaten Teufe in m unter NN 100 1000 100,000000-1000,000000 < 2000 1000,000001-2000,000000 < 3600 2000,000001-3604,500000 Geologische Übersichtskarte von Hessen, HLUG (2007) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 20
Porositäts- und Permeabilitätsdaten aus der Kohlenwasserstoffdatenbank Während der Bohrarbeiten wurden in relevanten Teufenabschnitten Bohrkerne gewonnen. Die Porositäten und Permeabilitäten wurden im Labor bestimmt. Geologische Übersichtskarte von Hessen, HLUG (2007) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 21
Auswertung von hydraulischen Tests Aus hydraulischen in-situ Tests in Kohlenwasserstoffbohrungen (Oberrheingraben) werden rechnerisch Permeabilitäten ermittelt. Formationsdruck P f Beispiel: Drill Stem Test Druck Fließperiode Druckaufbauperiode Zeit 2. Fließperiode zu offen zu offen zu 2. Druckaufbauperiode verändert nach: Personenkreis Tiefe Geothermie (2008) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 22
Zonen struktureller und lithologisch-fazieller Kriterien zur Beprobung Hessisches Schiefergebirge Taunus Oberrheingraben, Mainzer Becken und Hanau-Seligenstädter Senke Kristalliner Odenwald, Sprendlinger Horst, Spessart Buntsandstein Odenwald, Kinzigtal Vogelsberg Nordosthessische Buntsandsteinscholle Wetterau Hessische Senke und Nordhessische Becken 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 23
Strategie zur Bestimmung der Gesteinskennwerte Dominierende Gesteine Hintertaunus: Silt- und Tonschiefer Taunuskamm: Quarzite und Quarzsandsteine Vordertaunus: Grünschiefer und Phyllite Hintertaunus Taunuskamm Vordertaunus Geologische Übersichtskarte von Hessen, HLUG (2007) 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 24
Wärmeleitfähigkeiten Die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine wird als rein konduktive Größe gemessen und stellt somit einen Gesteinskennwert dar. Da Wärmeleitfähigkeit immer auch konvektiven Einflüssen unterliegt, muss immer das Wertepaar Permeabilität und Wärmeleitfähigkeit gemeinsam betrachtet werden. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 25
Wärmeleitfähigkeit und Permeabilität der Gesteine des Taunus 7,0 Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Silt- und Tonschiefer 0,0 1,0E-18 1,0E-17 1,0E-16 1,0E-15 1,0E-14 1,0E-13 1,0E-12 Permeabilität in m² 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 26
Wärmeleitfähigkeit und Permeabilität der Gesteine des Taunus Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Silt- und Tonschiefer Grünschiefer und Phyllit 0,0 1,0E-18 1,0E-17 1,0E-16 1,0E-15 1,0E-14 1,0E-13 1,0E-12 Permeabilität in m² 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 27
Wärmeleitfähigkeit und Permeabilität der Gesteine des Taunus Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Silt- und Tonschiefer Grünschiefer und Phyllit Quarzit 0,0 1,0E-18 1,0E-17 1,0E-16 1,0E-15 1,0E-14 1,0E-13 1,0E-12 Permeabilität in m² 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 28
Wärmeleitfähigkeit und Permeabilität der Gesteine des Taunus Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 1.0E-18 1.0E-17 1.0E-16 1.0E-15 1.0E-14 1.0E-13 1.0E-12 Permeabilität in m² Silt- und Tonschiefer Grünschiefer und Phyllit Quarzsandstein Quarzit 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 29
Teufenkorrektur der Kennwerte Bei den ermittelten Kennwerten handelt es sich um Messungen an trockenen Bohrkernen unter Umgebungsbedingungen Das Modell soll die temperatur- und tiefenabhängige (Druck) Veränderung der Kennwerte berücksichtigen. Rechnerische Ermittlung von Werten für wassergesättigte Gesteine unter realistischen Druck und Temperaturbedingungen für relevante Teufen und Validierung über Thermotriaxversuche. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 30
Hochdruck-Hochtemperatur Triaxialzelle Druckstempel Kopfplatte Druckkappe σ 1 Porenwasserdruckanschlüsse Druckbehälter σ 3 σ 3 Membran Zellendruckanschluss σ 1 Grundplatte Spezialanfertigung von Wille Geotechnik 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 31
Schnittstelle geologisches geothermisches Modell Die Integration der geothermischen Kennwerte in das Strukturmodell wird voraussichtlich über SGRIDs erfolgen. Bei SGRIDs handelt es sich um definierte Volumenkörper, die sich in ihrer Form an die modellierten Flächen anpassen können. Jedem SGRID können unabhängig eine Vielzahl an (geologischen) Kennwerten zugewiesen werden. Folgende Kennwertzuweisung ist vorgesehen Permeabilität Wärmeleitfähigkeit Porosität Dichte Wärmekapazität Modellqualität Sonstiges Lerch (2005) 10 km 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 32
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Das Projekt wird im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz durchgeführt. Wir danken für die Finanzierung und Förderung des Projektes. Unserem Kooperationspartner, dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie, danken wir für das Bereitstellen der fachlichen Daten und dem intensiven wissenschaftlichen Austausch. 4. Tiefengeothermie-Forum 15. September 2009 Darmstadt 33