Geowissenschaftliche Methoden zur Exploration geothermischer Ressourcen ein Überblick Vortrag zur Vorlesung „Geothermie“ im SoSe 2009 Von Tobias Klaas

Inhalt der Präsentation Ziele und Aufgaben der Exploration Kosten der Exploration Risiko-Management in der Exploration Schritte der Exploration Explorations-Schritte Geowissenschaften in der Exploration Geophysikalische Methoden Nutzbare physikalische Effekte Verbreitete geophysikalische Methoden Detaillierte Betrachtung der Magnetotellurik Besonderheiten bei der Exploration geothermischer Ressourcen Fazit – Stand der Technik in der geothermischen Exploration Ausblick - Forschungsschwerpunkte 27.03.2017

Ziele und Aufgaben der Exploration Ziel der Exploration ist die Lokalisation und Erkundung potentiell wirtschaftlich nutzbarer geothermischer Ressourcen Außerdem die Risiko- und somit Kostenminimierung für notwendige Erkundungsbohrungen zur Erschließung der Ressource Sowie die Erforschung ihrer Charakteristika wie der Gesteinsstruktur und der Menge und Qualität der gewinnbaren Energie „Remote Sensing“-Technologien wie Satelliten Messungen oder Überflug-Messungen zur Lokalisation potentieller Standorte Manifestation geothermischer Anomalien durch Geysire, heiße Quellen etc. oft das einzige Mittel potentielle Standorte zu identifizieren (Kratzen an der Oberfläche des Potentials!) Unterscheidung zwischen oberflächlich zutage tretenden Ressourcen und „versteckten“ Ressourcen Großer Vielfalt an geowissenschaftlichen Untersuchungen zur Minimierung des Risikos vor der Bohrung Nur eine ausreichende Menge an Wärmeenergie sorgt für einen wirtschaflichen Betrieb komplexer Aufbau des geothermischen Reservoirs: Netzwerk aus rissigem oder porösen Gestein, Genaue Lage und Ausdehnung, Form und Größe der Rissen, Menge und Temperatur des Fluids 27.03.2017

Kosten der Exploration Exploration ist der risikoreichste Teil der Entwicklung einer geothermischen Ressource Der Kostenanteil der Exploration an der Erschließung einer geothermischen Ressource beträgt bis zu 50% In der Vergangenheit führte nur eine von fünf Tiefenbohrungen zur Exploration einer geothermischen Ressource zu wirtschaftlichem Erfolg Kosten, die im Voraus und unter hohem Risiko entstehen, stellten und stellen eine große Hürde für viele Unternehmen dar in die Geothermie einzusteigen In Deutschland liegen zudem bisher keine aussagekräftigen Daten über die während einer Exploration in der Regel zu erwartenden Kosten vor Standort, Größe des Projekts und damit Komplexität und Ausgestaltung spielen große Rolle 27.03.2017

Risiko-Management in der Exploration 100% Sicherheit „Rest-Risiko“ Sicherheit für Wirtschaftlichkeit Zeit- und Geld dominieren in der Regel den Ablauf der Exploration Öl- und Gasressourcen lassen sich mit wesentlich höherer Sicherheit auch vor der Bohrphase identifizieren Die entwickelten Geophsikalischen Methoden haben in der Geothermie jedoch nicht die gleiche Aussagekraft Zeit- und Kostenintensive geophysikalische Untersuchungen sind keine Seltenheit Zeit und Geld für Exploration 27.03.2017

Risiko-Management in der Exploration 100% Sicherheit Zeit und Geld für Exploration Sicherheit für Wirtschaftlichekeit Maximaler Wissensgewinn über die geothermische Ressource bei Einhaltung vorgegebener Rahmenbedingungen Zwei mögliche Ansätze: Sammele soviel Wissen wie möglich vor der Bohrung Sammele nur die „wertvollsten“ Informationen  Es besteht immer ein Restrisiko! Frage: Kann man den Wert der Informationen überhaupt im Voraus bemessen? Konflikt: Anbieter einer nachgefragten geophysikalischen Technik stehen immer zwischen den finanziellen Anreizen eines vermeintlichen Auftragen und der Verlässlichkeit ihrer Messungen an einem spezifischen Ort Prozess des Risiko- und Informations-Managements dominiert die geothermische Exploration 27.03.2017

Schritte der Exploration Festlegen des zu untersuchenden Lands und sicherstellen der Nutzungsrechte Recherche: Sichten bereits vorhandenen Datenmaterials, sammeln aller relevanten Daten Erste Begehung: Karten und geologische und geochemische Untersuchungen („Boots on the ground“) Durchführen geophysikalischer Untersuchungen Bohrphase: Messung von Temperaturgradienten und Erkundungsbohrungen -Es wird zunächst ein rudimentäres Modell der möglichen Geothermischen Ressource erstellt welches dann im Verlauf der Exploration immer mehr erweitert und ausdetailliert wird -Die Modellierung folgt hier generell dem Ansatz: „Aufzeichen von Beobachtungen und Aufstellen von Hypothesen“ -“Es gibt geologische, geochemische und geophysikalische Daten, welche darauf hindeuten, dass sich im Untergrund in erreichbarer Tiefe Wasser auf ausreichender Temperatur befindet. Es könnte sich demnach um eine geothermische Ressource handeln“ - Recherche und Auswertung bereits vorhanden Datenmaterials sehr aufwendig Quelle: Nach Taylor 2007, Seite 3 27.03.2017

Geowissenschaften in der Exploration Geologie Geothermische Anomalien Detaillierte Kartierung Geochemie Geothermometrie Analyse vorkommender Mineralien Geophysik (Orts-)Spezifische Zusammenstellung geophysikalischer Methoden Nach Taylor 2007, Seite 14 27.03.2017

Geophysikalische Methoden (1/3) Schwerkraft Elektro-Magnetismus Elektrizität Magnetismus Temperatur Seismik 27.03.2017

Geophysikalische Methoden (2/3) Gravitationsmessungen Messung des Gravitationsfeldes an unterschiedlichen Orten des zu untersuchenden Gebiets Unterschiede in den Messdaten lassen auf unterschiedliche Dichteverteilungen im Untergrund schließen Verschiedene Gesteinstypen können identifiziert werden; Es ist möglich Dichteprofile des Untergrunds zu erstellen Erstellung struktureller Abbildungen des Untergrunds Relativ kostengünstige Methode 27.03.2017

Geophysikalische Methoden (3/3) 3D-Seismik Einbringen künstlicher seismischer Wellen über Vibratoren oder Sprengsätze Erstellung eines dreidimensionalen Bildes des Untergrunds anhand der reflektierten Wellen mittels Messung an mehreren Orten Sehr erfolgreich in der Öl- und Gasexploration, häufig verwendet in der Geothermie Sehr kostenintensiv 27.03.2017

Magnetotellurik – Grundlagen (1/2) Das magnetische Feld der Erde unterliegt natürlichen Schwankungen, durch Stromsysteme in Ionosphäre und Magnetosphäre Weltweite Gewitteraktivität Ursache für Schwankungen sind zumeist Wellen- und Partikelstrahlung durch Sonnenaktivität Grad der Ionisation der Ionosphäre 27.03.2017

Variationen des Erdmagnetfeldes Amplitude der Schwankungen im Erdmagnetfeld über Frequenz bzw. Periode Die Pulsationen im Erdmagnetfeld reichen von Bruchteilen von Sekunden bis zu Minuten 27.03.2017

Magnetotellurik Grundlagen (2/3) Messung von elektrischen und magnetischen Feldern an der Erdoberfläche Berechnung der Impedanz (Verhältnis von elektrischer Feldstärke zu magnetischer Feldstärke) Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrund 27.03.2017

Magnetotellurik – Grundlagen (3/3) Bestimmung der der Gesteinsart über Widerstand Bestimmung der Messtiefe über Skin-Effekt bzw. Skin-Tiefe (Frequenz) Messungen bis zu 100km Tiefe bei niedrigen Frequenzen (mit entsprechendem Zeitaufwand!) 27.03.2017

Besonderheiten bei der Exploration geothermischer Ressourcen Bisher Beschränkung auf Orte an denen geothermische Anomalien „offensichtlich“ zutage treten Komplexer geologischer Aufbau geothermischer Reservoirs erschwert ihre Charakterisierung Geothermische Anomalie allein garantiert keinen wirtschaftlichen Betrieb (Temperatur und Massenstrom müssen stimmen) Große Zeit- und Geldinvestitionen notwendig zur Nutzbarmachung einer geothermischen Ressource im Anschluss an die Exploration Geophysikalische Techniken für die Geothermie noch nicht ausreichend entwickelt Nur ein kleiner Teil der Ressource Base, nämlich der offensichtliche, wird untersucht. Geothermische Exploration findet nur dort statt wo ohnehin beste Chancen auf Erfolg bestehen Geophysikalische Techniken die für die Exploration von Öl- und Gasressourcen entwickelt wurden funktionieren nicht verlässlich auch für geothermische. Oft müssen mehrere Bohrungen gemacht werden um die Wirtschaftlichkeit einer geothermischen Ressourcen sicherzustellen – eine weitere teure und risikoreiche Aufgabe Verkaufspreis der Energie, Form der Energie, Versorgungsnetz, Zeit bis zur Inbetriebnahme sind Unsicherheitsfaktoren die auch nach erfolgreicher Exploration bestehen bleiben Finanzielles Risiko ist in der geothermischen Exploration immer höher als in der Exploration von Öl und Gas. 27.03.2017

Fazit – Stand der Technik Exploration ist sehr teuer und äußerst risikoreich Es gibt keine geophysikalische Methode die allein dazu in der Lage ist eine geothermische Ressource ausreichend genau zu charakterisieren Es ist immer die Zusammenarbeit einer Vielzahl unterschiedliche Experte notwendig Nur die Erkundungsbohrung bringt abschließende Sicherheit über geothermische Ressource! 27.03.2017

Ausblick  Forschungsschwerpunkte Weiterentwicklung der geophysikalischen Methoden Auflösung, Verlässlichkeit Reduzierung von Störungen (Rauschen) Entwicklung neuer Technologien Identifizierung von Permeabilität Identifizierung von Fluid-Strömungen Entwicklung eines umfassenden Daten-Managements / einer Datenbank 27.03.2017

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Literatur: Taylor, Mark A: The state of Geothermal Technology, Part I: Subsurface Technology; Geothermal Energy Association, 2007 Manzella, Adele: Geophysical Methods in Geothermal Exploration; Italian National Researh Council, International Insitute for Geothermal Research, 2006 Börner, Ralph-Uwe: Magnetotellurik – Elektromagnetik; Vorlesungsskript WS 2007/08 Forseo GmbH, Geothermie – Wertschöpfung und Wirtschaftlichkeit von Geothermieprojekten in Deutschland, 2008 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia: Magnetic Pulsations http://roma2.rm.ingv.it/en/themes/22/magnetic_pulsations FU Berlin: Magnetotellurik Grundlagen http://userpage.fu-berlin.de/~mtag/MT-prinzip.html Unsworth, Martin: How magnetotellurics works http://www.phys.ualberta.ca/~unsworth/MT/MT.html 27.03.2017

Scheinbarer Widerstand (1/2) 27.03.2017

Scheinbarer Widerstand (2/2) 27.03.2017

Änderung des Erdmagnetfeldes 27.03.2017

Scheinbarer Widerstand (2/3) 27.03.2017

Kostenstruktur 27.03.2017

Scheinbare Impedanz 27.03.2017