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

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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

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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

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Risiko-Management in der Exploration

100% Sicherheit

Zeit und Geld für Exploration

Sich

erhe

it fü

r Wirt

scha

ftlic

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„Rest-Risiko“

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Risiko-Management in der Exploration 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!

100% Sicherheit

Zeit und Geld für Exploration

Sich

erhe

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scha

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Schritte der Exploration

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Geowissenschaften in der Exploration

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Geophysikalische Methoden (1/3)

Schwerkraft

Elektrizität

Temperatur

Seismik

Magnetismus

Elektro-Magnetismus

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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

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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

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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

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Variationen des Erdmagnetfeldes

• Amplitude der Schwankungen im Erdmagnetfeld über Frequenz bzw. Periode

• Die Pulsationen im Erdmagnetfeld reichen von Bruchteilen von Sekunden bis zu Minuten

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MagnetotellurikGrundlagen (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

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Magnetotellurik – Grundlagen (3/3)

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• 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!)

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

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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!

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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

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Literatur:Taylor, Mark A: The state of Geothermal Technology, Part I: Subsurface Technology;

Geothermal Energy Association, 2007Manzella, Adele: Geophysical Methods in Geothermal Exploration; Italian National

Researh Council, International Insitute for Geothermal Research, 2006Börner, Ralph-Uwe: Magnetotellurik – Elektromagnetik; Vorlesungsskript WS 2007/08Forseo GmbH, Geothermie – Wertschöpfung und Wirtschaftlichkeit von

Geothermieprojekten in Deutschland, 2008Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia: Magnetic Pulsations

http://roma2.rm.ingv.it/en/themes/22/magnetic_pulsationsFU Berlin: Magnetotellurik Grundlagen

http://userpage.fu-berlin.de/~mtag/MT-prinzip.htmlUnsworth, Martin: How magnetotellurics works

http://www.phys.ualberta.ca/~unsworth/MT/MT.html

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