Forskningsmæssige resultater
Projekts formål har været at øge vores viden om de sandstensreservoirer, som tidligere undersøgelser har påvist i den danske undergrund og med særlig fokus på, om de er egnede til at bidrage til den danske energiforsyning med geotermisk varme. Formålet har endvidere været at tilvejebringe viden, der kan pege på områder med et stort og sikkert potentiale, områder hvor der er behov for yderligere oplysninger, og områder med høj risiko. Denne klassificering har væsentligt styrket sikkerheden i beslutningsgrundlaget for videre efterforskning og optimal udnyttelse af geotermisk energi, samt bidraget til at sikre den bedst mulige fremtidige forvaltning af undergrunden til produktion og lagring af varmt vand.
Projektet har fokuseret på at øge forståelsen af de geologiske og geofysiske parametre, som har størst betydning for en optimal udnyttelse af det geotermiske potentiale. Projektet har analyseret al tilgængelig relevant geologisk og geofysisk information, samt integreret nye data, metoder og modeller med henblik på at definere, kortlægge og karakterisere de potentielle geotermiske reservoirer.
Seismisk kortlægning af undergrunden
Et af projektets hovedresultater er en detaljerede seismiske tolkning og udvikling af en regional 3D dybde model for hele det danske landområde. Denne kortlægning af undergrunden har væsentlig øget forståelsen af variationerne i dybden til og tykkelsen af de potentielle geotermiske reservoirer, og danner et afgørende grundlag for projekts arbejde med at identificere og karakterisere reservoirerne. Denne meget komplekse og krævende opgave er løst ved at udføre en detaljeret og konsistent kortlægning af den strukturelle og geologiske udvikling ud fra integration af seismiske data og data fra dybe boringer (borehuls logs, borespåner og kerner). Ved at kombinere stratigrafiske analyser af boreprofilerne med seismisk kortlægning af de potentielle reservoirer, er det lykkedes at etablere et solidt grundlag for efterfølgende robuste forskningsbaserede geologiske efterforskningsmodeller med en stor prædikativ værdi (1).
3D dybde modellen beskriver den rumlige variation af reservoirerne i undergrunden og danner også et afgørende grundlag for en vurdering af de enkelte reservoirers tykkelse, oprindelige aflejringsmiljø, kontinuitet, samt begravelseshistorie. Kontinuitet er et udtryk for hvor sammenhængende et givet reservoir er, både som følge af den oprindelige aflejringsfordeling af sandstenslag i forhold til lerstenslag, men også som følge af efterfølgende brudzoner og forskydninger af lagene (forkastninger), som kan bryde reservoiret op i mindre og begrænsede enheder uden tilstrækkelig vandvolumen til geotermisk udnyttelse. En detaljeret seismisk kortlægning af interne facies og forkastninger er derfor afgørende, og kortlægningen udgør et solidt og væsentligt grundlag for en vurdering af et områdets geotermiske potentiale. Opbygningen af en robust 3D dybde model, er yderligere et væsentligt grundlag for projektets etablering af en solid 3D termisk model for undergrundens temperaturfordeling.
Resultaterne kan illustreres i form af dybde- og tykkelseskort for geotermiske reservoirer, hvilket gør dem egnede til offentliggørelse på en WebGIS platform. Nedenstående figur viser et eksempel på lokal kortlægning af Gassum reservoiret i et 3D tolkningsmiljø.
Reservoirernes produktive egenskaber
Et andet af projektets centrale forskningsområder har været at øge forståelsen af sandstensreservoirernes petrofysiske egenskaber, idet sandstenslag er gode vandledere, hvis de har et stort porevolumen (god porøsitet), og hvis det varme vand kan strømme frit mellem porerne (god permeabilitet). For at kunne beskrive de potentielle reservoirer er det af afgørende vigtighed for projektets resultater, at sikre, at den geofysiske og geologiske database kvalitetsmæssigt er opdateret og konsistent. Dette er gjort ved en systematisk analyse og kvalitetskontrol af alle tidligere målte kernedata i hele landområdet, suppleret med nye analyser i en række lokalområder (f.eks. Øresundsregionen, Helsingør og Hillerød).
Da det er afgørende at identificere, hvilke petrofysiske egenskaber ud over porøsitet og permeabilitet der er vigtige for potentielle sandstensreservoirers produktionsmæssige egenskaber, er der foretaget en detaljeret analyse af en række af deres væsentligste egenskaber. Gennem petrofysisk logtolkning og korrelation af lithologi og reservoiregenskaber, herunder især porøsitet og permeabilitet er alle brønde detaljeret gennemgået med henblik på at øge sikkerheden i forbindelse med estimering af reservoirenhedens forventede værdier. Dette er gjort ved at udvikle en ‘best pactrice’ teknik og ny metodik, der især har øget pålideligheden af de estimerede transmissiviteter, som er et udtryk for reservoirets produktionskapacitet forud for den første efterforskningsboring (2). Dette systematiske arbejde gør det nu muligt med langt større sikkerhed, at forudsige porøsitet og permeabilitet i sandstensreservoirer specielt i områder med dårlig datadækning. Det er nu muligt at opstille generelle og lokale modeller for reservoiregenskaber.
Diagenetiske processer
Reservoirernes egenskaber, som vi måler dem i dag, er et resultat af mange faktorer og processer, hvoraf de væsentligste er kildeområdets geologiske sammensætning (f.eks. mineralogi og bjergartstype), aflejringsforholdene på dannelsestidspunktet (f.eks. kornstørrelse og sortering), og de efterfølgende påvirkninger af sandstenslagene som følge af mekaniske og kemiske omdannelsesprocesser (diagenese). Derudover er reservoirets begravelseshistorie bestemmende for de påvirkninger, sandstenslagene har gennemgået, især i form af diagenese, fra da de blev aflejret for millioner af år siden og til i dag.
Et af projektets centrale forskningsområder har derfor været analyse af de diagenetiske processers betydning for reservoirkvaliteten, dvs. hvilke af disse faktorer, der har haft størst betydning for reservoirernes nuværende porøsitet og permeabilitet. Dette arbejde har bl.a. været emnet for en afsluttet ph.d. afhandling, og resultaterne heraf er publiceret og under publicering (3, 4, 5)
Termiske egenskaber
For at kunne forstå variationer i undergrundens termiske struktur og gennemføre modellering af undergrundens temperatur og den mulige energiudnyttelse, er det nødvendigt at have detaljeret kendskab til undergrundens bjergartstermiske egenskaber. Der er i projektet udviklet nye forbedrede metoder til bestemmelse af disse egenskaber. Det gælder både nøjagtige metoder til laboratoriemålinger og til indirekte estimering ved hjælp af geofysiske borehulslogs. To klassiske laboratoriemetoder, divided-bar og needle-probe metoden er videreudviklet med anvendelse af numerisk repræsentation af det geologiske prøvemateriale samt invers Monte Carlo modellering i dataanalysen. Begge metoder giver en robust og nøjagtig måling af varmeledningsevne. Med en udvidelse af divided-bar metoden, fra måling under stationære forhold til måling med variabel temperatur, er det nu muligt at gennemføre samtidig, nøjagtig bestemmelse af varmeledningsevne, varmekapacitet og termisk diffusivitet (6).
Der er gennemført sammenlignende laboratoriemålinger af termiske egenskaber på udvalgt geologisk materiale for at analysere forskellige metoders nøjagtighed og pålidelighed. Divided-bar målinger er sammenlignet med målinger med “optisk termisk scanning”. Igen fås robust og nøjagtig bestemmelse af varmeledningsevne med begge metoder, men betydelige forskelle i måling af øvrige termiske parametre.
De aktuelle bjergartstermiske egenskaber kan nu også estimeres med god nøjagtighed fra borehulslogs. Ved at anvende statistisk multivariatanalyse på “modeldata” for et bredt spektrum af sedimenter, er det for første gang blevet muligt at etablere en almen, veldefineret procedure, som kan anvendes for mange forskellige aktuelle kombinationer af borehulslogs (7). Det er et betydeligt fremskridt, da der for de fleste sedimentære bassiner, inkl. det danske, kun findes kernemateriale i begrænset omfang, specielt uden for reservoirenhederne.
Regional 3D termisk model
Et af projektets hovedresultater er udvikling og opstilling af en regional 3D termisk model for hele det danske landområde. Resultaterne fra den seismiske kortlægning danner den meget væsentlige strukturelle geologiske ramme. Hertil kommer kendskab til de forskellige lithologiske enheders termiske egenskaber, der er bestemt gennem ovennævnte analyser. Modellens temperaturfordeling er bestemt gennem numerisk løsning af varmeligningen med anvendelse af “state-of-the-art” modelleringssoftware, MODFLOW og FEFLOW.
Som noget nyt, og næppe tidligere anvendt på et større regionalt område som det danske, er der foretaget en invers kalibrering af de termiske egenskaber i modellen, så der fås optimeret tilpasning af modeltemperaturer til målte temperaturer, hvor de foreligger (8). Der er derfor også gennemført en systematisk analyse og kvalitetskontrol af alle tidligere målte temperaturer i dybe boringer inden for modelområdet, og der er gennemført egne nye målinger i tilgængelige dybe boringer (Års, Farsø og Sønderborg). Modellen indeholder information om temperatur i et tæt net af punkter, der dækker hele undergrunden til stor dybde. Resultaterne kan illustreres i form af temperaturkort for geotermiske reservoirer, der er egnet til offentliggørelse på en WebGIS platform. Figuren viser modeltemperaturer for Gassum reservoiret.
Figur til Venstre: Eksempel fra det nordlige Jylland som viser et udsnit af 3D dybde modellen og en række af de flader i undergrunden, hvoraf den øverste repræsenter toppen af Gassum reservoiret. Bemærk de to seismiske linjer (grålige) og hvordan tykkelsen af lagene varierer og bliver tyndere nord for Limfjorden.
Figur til Højre: Temperatur (°C) for Gassum reservoiret. Eksempel på modeltemperaturer fra ny 3D termisk model for den danske undergrund. Der er her medtaget områder, hvor reservoiret findes indenfor dybdeintervallet 800-3000 m, og hvor tykkelsen er mere end 30 m.
Modellering af energiudnyttelse, levetid og ressourcer
Numeriske simuleringsstudier af energiudnyttelse fra et system med to boringer og kombineret produktion og reinjektion med variation af væsentlige modelparametre (varmeledningsevne, produktionsrate, injektionstemperatur og reservoirtykkelse) viser, at der kan udnyttes betydelige mængder varme fra lagene, der omgiver det geotermiske reservoir (9). Det skyldes delvis “genopvarmning” af det afkølede nedpumpede vand. Det fremgår også, at temperaturfaldet i produktionsboringen ved produktion over lange tidsrum er markant mindre, end hvis “genopvarmningen” ikke medregnes. Ud over parameterstudiet er modelkonceptet anvendt på det geotermiske anlæg ved Margretheholm (Amager). Ved en konstant produktionsrate på f.eks.150 m3/time modelleres her et temperaturfald på kun 3 °C efter 100 år og beskedne 10 °C efter 250 år.
Dette modelleringsstudie danner sammen med den regionale dybde og termiske model grundlag for, at der er foretaget estimering af de geotermiske ressourcer i de fire vigtige geotermiske reservoirer. Der er foretaget beregning af det klassiske “Heat in Place” og også estimater, hvor det supplerede bidrag fra tilgrænsende lag medtages samt for, hvor stor en del af ressourcen, der praktisk må forventes at kunne udnyttes. Resultaterne fremstår som regional fordeling af energitæthed (GJ/m2) og er egnet til præsentation i WebGIS. Der er tale om enorme mængder af varmeenergi, som findes udbredt over det meste af landet. En afgørende konklusion er således, at det ikke er varmemængden, der sætter begrænsninger for udnyttelse, men lokale geologiske forhold, herunder specielt reservoiregenskaberne, der skal betinge en tilstrækkelig produktionsrate af det geotermiske vand.
Erhvervsmæssige-samfundsmæssige resultater
Projektets resultater bekræfter, at den geotermiske ressource i Danmarks undergrund er meget betydelig og vidt udbredt. Store dele af landet indeholder således meget store varmeressourcer, der kan benyttes til opvarmningsformål. I dag udnyttes kun en forsvindende del af de geotermiske ressourcer i de tre eksisterende geotermiske anlæg ved Margretheholm, Sønderborg og Thisted. De bedste muligheder for udnyttelse af den store grønne energiressource knytter sig til sandstensreservoirer, der findes på dybder mellem ca. 800 og 3000 m i områder, hvor geologiske processer har sikret en høj temperatur og bevaret gode produktionsegenskaber i reservoirerne. Projektet har analyseret alle tilgængelige relevante data og viser bl.a. i kortform, hvilke områder fremtidig efterforskning og udnyttelse bør fokuseres mod. Kortene viser f.eks. reservoirernes regionale udbredelse og dybdeforhold, samt afgørende informationer om reservoirernes egenskaber og temperatur. De mange informationer udgør et godt og solidt grundlag for en vurdering af, hvor mulighederne for udnyttelse er gode, og hvor der lokalt kan følges op med detaljerede undersøgelser og økonomiske analyser.
Projektets resultater er løbende blevet anvendt i forbindelse med rådgivning af indehavere af geotermiske licenser og myndighederne med henblik på styrkelse af de økonomiske beregninger og beslutningsgrundlaget forud for en første boring. Det er især vurderinger af potentialet i et licensområde hvad angår prognosticering af reservoirets dybde, tykkelse, temperatur og produktionsegenskaber. Der har således været en betydelig interesse for projektets resultater fra fjernvarmebranchen, boreindustrien og myndighederne under hele projektperioden.
De væsentligste af resultater præsenteres på en nyudviklet geotermisk WebGIS portal (http://www.dybgeotermi.geus.dk), hvor mange af projektets centrale resultater indgår på en form, som er tiltænkt erhvervsmæssig og samfundsmæssig udnyttelse. Det kan være med til at fremme brugen af geotermisk varme og dermed bidrage til Danmarks plan om grøn omstilling indenfor energisektoren. Platformen samler og præsenterer – på en nem og overskuelig måde – alle kvalitetssikrede geologiske data og parametre, som er relevante for udnyttelsen af geotermi i Danmark. Platformen har et alment sigte, idet målgruppen er en række interessenter, såsom fjernvarmeselskaber, myndigheder, kommuner, rådgivere, industri m.m. Den geotermiske WebGIS portal vil i forbindelse med et større arrangement blive offentliggjort og præsenteret i maj 2016.
Nye teknologier, metoder og processer som følge af forskningsprojektet
Projektet har udviklet en forbedret metodik til vurdering af et reservoirs transmissivitet baseret på tolkning af borehulslogs, relation mellem porøsiteter og permeabiliteter målt på kerne-plugs. Der er udviklet nye forbedrede metoder til laboratoriemåling af bjergartstermiske egenskaber samt ny optimeret kalibreringsprocedure ved opstilling af 3D termisk model for undergrunden.
Nye produkter som følge af forskningsprojektet
Projektet har tilvejebragt et væld af data og informationer, der er tilgængeliggjort i en brugervenlig WebGIS portal, som vil facilitere større målrettethed og sikkerhed i kommende geotermiske projekter.
