HYDROTHERMALE GEOTHERMIE

Maria Magdalena Bollmann

2

Gliederung

Allgemeines Hydraulische Eigenschaften Technische Aspekte Hemmnisse Risiken Wirtschaftlichkeit Vorteile/Nachteile Aussichten – Minimierung der Risiken Geothermieprojekte in Deutschland Geothermie AKTUELL

3

Einteilung der Geothermiequellen

Oberflächennahe Geothermie

Tiefen Geothermie

HochenthalpieLagerstätten

NiederenthalpieLagerstätten

HydrothermaleSystemePetrothermaleSystemeTiefeErdwärmesonden

4

Hydrothermale Geothermie - Definition

Nutzung von natürlich auftretenden tiefen Aquiferen Mittels Tiefbohrung wird heißes

Wasser an die Erdoberfläche gefördert. Das geförderte heiße Wasser wird in einem Kraftwerk zum Antrieb einer Turbine mit gekoppelten Stromgenerator genutzt. Leistungsspektrum von 1 – 6 MWe notwendige Temperaturen von ca. 100°C Bohrungstiefen 3000 – 6000 Metern

Injektion des abgekühlten Wassers zur erneuten Erwärmung in den Aquifer

5

Woher kommt die Wärme ?

Kombination aus Restwärme und stetig neu produzierter Wärme Temperaturanstieg 3 °C/100 km

Restwärme 30 % Abkühlung der Erde seit ihrer

Entstehung Wärmefluss des Erdinneren dringt

nach außen Temperaturen ~ 5000 – 6000 °C

Radioaktiver Zerfall 70 % vorrangig im Erdmantel stetiger Wärmenachschub Temperaturen > 1200 °C

6

Nutzungsmöglichkeiten

direkte Nutzung Thermalbäder Heilzwecke, Kurbäder oder Wellnessbäder

Heizen und Kühlen mit Erdwärme /Warmwassererzeugung

Stromerzeugung aus Geothermie über Hochenthalpielagerstätten aus Geothermie über Niederenthalpiestätten

7

Voraussetzungen

Vorhandensein einer ergiebigen wasser-/gasführenden Gesteinsschicht (Nutzhorizont)

Thermalwasseraquifer in Tiefen mit ausreichend hohen Temperaturen

Aquifer muss gute hydraulische Eigenschaften aufweisen Das Thermalwasser muss sich mit der chemischen

Zusammensetzung, dem Gasgehalt und der mikrobiologischen Zusammensetzung für die vorgesehene Nutzung eignen.

gute Förderrate

8

Hydraulische Eigenschaften

Aquifer Porosität Darcy-Gesetz Durchlässigkeit Permeabilität Transmissivität Speicherkoeffizient

9

Hydraulische Eigenschaften

Aquifer hochpermeable Gesteinsschichten mit ausreichend

durchlässigem Material speichern oder weiterleiten von signifikanten Mengen an

Wasser hochporöser Sandstein oder stark geklüftete oder

verkarstete Sedimentgesteine

10

Hydraulische Eigenschaften

Porosität Anteil des Hohlraumvolumens n [-]

am Gesamtvolumen des Gesteins großen Einfluss auf den Widerstand

bei der Durchströmung einer Schüttung

von Größe und Form der Teilchen abhängig

je kleiner Teilchen und je unterschiedlicher die Form desto enger passen sie zusammen

Sedimente weisen höhere Porosität auf als Magmatit oder Metamorphite.

Gestein Porosität

Sandstein 5 - 40 %Kalkstein 5 - 25 %Tonstein 20 - 45 %Schieferton < 10 %

Lockere Sande

> 40 %

Einstufung der Porosität bei der Lagerstättenbewertung

Einstufung PorositätVernachlässigbar Φ < 4 %Niedrig 4 < Φ < 10 %Gut 10 < Φ < 20 %Ausgezeichnet Φ > 20 %

11

Hydraulische Eigenschaften

Darcy- Gesetz Wassermenge Q , die eine Fläche A in einem porösen Medium

durchströmt und dabei direkt proportional zum hydraulischen Gradienten i ist.

AL

hhkQ cB

f

kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]

hB Standrohrspiegelhöhe an der Stelle B [m]

hC Standrohrspiegelhöhe an der Stelle C [m]

L Fließstrecke zwischen B und C [m]

A Gesamtquerschnitt [m²]

12

Hydraulische Eigenschaften

Durchlässigkeitsbeiwert Durchlässigkeitsbeiwert bezeichnet einen rechnerischen Wert der die

Durchlässigkeit von Boden oder Fels für ein Fluid quantifiziert

kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]

Q Fließrate [m³/s]

l Durchströmte Länge des porösen Körpers [m]

ρ Dichte des Fluids [kg/m³]

g Erdbeschleunigung = 9,81 [m/s²]

A Durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²]

∆p Druckdifferenz [N/m²]

pAglQ

k f

13

Hydraulische Eigenschaften

Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit von Böden oder Felsgestein für

Fließmedien beschränkt sich allein auf die Gesteinseigenschaften

K Permeabilität [m²]

η Dynamische Viskosität des Fließmediums [m³/s]

l Durchströmte Länge des porösen Körpers [m]

∆p Druckdifferenz (stellt sich nach dem Strömen ein) [N/m²]

A Durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²]

AplQ

K

14

Hydraulische Eigenschaften

Transmissivität beschreibt das Produkt des Durchlässigkeitsbeiwert kf und der

Mächtigkeit M der wasserführenden Boden- oder Gesteinsschicht.

Homogen und isotrop

Speicherkoeffizient Der Speicherkoeffizient S ist ein Maß für die Änderung des

gespeicherten Wasservolumens ΔV pro Oberflächeneinheit A bei einer Absenkung Δh um einen Meter.

Homogen und isotrop

MkT f

AhV

SS

15

Technische Aspekte

16

Technische Aspekte Geothermische Reservoire Störungszonen

Sedimentäre- kristalline Gesteine mit zahlreichen Bruchzonen

reichen in große Tiefen Verbindung von Aquiferen in unterschiedlichen

Tiefenlagen großes Potenzial aufgrund von gutem hydraulischen

Leitvermögen Stimulation notwendig Strukturen können sehr gut bis nicht durchlässig

sein ! Weitere grundlegende Forschungsarbeit

erforderlich ! Aquifere

mind. eine Bohrung Wirtschaftlicher zwei Bohrungen Doublette Förder- und Injektionsbohrung Entzug der Wärme im Wärmetauscher

17

Technische Aspekte

Prozesse zur geothermischen Stromerzeugung direkte Nutzung des Fluids ab 150

°C Deutschland, Binäranlagen

Systeme mit Sekundärfluid Verdampfer Turbine Kondensator Pumpe Steuer- und Regelungsinstrumente

Kraftwerksprozesse ORC-Verfahren Kalina-Prozess

18

ORC-Verfahren

Organic-Rankine-Cycle Organischer -Rankine-Kreisprozess

Prinzip: anstatt Wasser zirkuliert ein niedrig siedender organischer Stoff als Arbeitsmedium

19

Kalina Prozess

Ammoniak-Wasser Gemisch günstige Wärmeübertragungsverhältnisse beide Zustandsänderungen nicht isotherm Gemisch verdampft bei stetig steigender

Temperatur bzw. kondensiert unter stetig sinkender Temperatur.

Verluste sind geringer obere Prozesstemperatur wird angehoben untere Prozesstemperatur abgesenkt Nachteile:

aufwendige Wartung Ammoniak stark basisch starkes Stoffwechselgift brennbar und explosionsfähig

20

Hemmnisse

Geologie schwierige Einschätzung und kostenintensive Ermittlung der geologischen Verhältnisse im

Untergrund Fehlen der verallgemeinerungsfähigen Erfahrung, aufgrund realisierter Projekte lange Realisierungszeiträume von bis zu 5 Jahren

hohe Anfangskosten und Anfangsrisiken 15 bis 70 Mio. € Fündigkeitsrisiko, nicht ausreichende Temperatur oder Schüttung (Volumenstrom) zu erschließen

Kostensteigerung und Personalknappheit Anstieg der Bohrkosten gestiegene Weltmarktpreise für Stahl

Erschließung neuer Regionen Einschätzung der Ergiebigkeit der wasserführenden Schicht Wärme in Verbrauchernähe = gewisse Siedlungsdichte vorausgesetzt = nur begrenzter Teil des

Potenzials kann genutzt werden

21

Risiken

Geologisches Risiko

Bohrtechnisches Risiko

Anlagen-technisches Risiko

Seismisches Risiko

Unvorhergesehene Prognosen instabile Schichten, erhöhte Gebirgsdrücke

Fündigkeitsrisiko Temperatur, Ergiebigkeit

Risiko einer Havarie

Gasgefährdung Korrosion Ausfällung Sauerstoffeintrag über Injektion

Erdbeben Veränderungen des Flüssigkeitsdrucks im Erdinneren

22

Wirtschaftlichkeit

Abhängig von den hydraulischen und thermischen Eigenschaften des Aquifers, dem Nutzhorizont und der Zusammensetzung des Wassers

Nutzung der Wärme über das gesamte Jahr – Nah- und Fernwärme, Trocknungsanlagen und Kühlanlagen

Kaskadenprinzip - ökologisch und ökonomisch sinnvoll – Fernwärme (90 – 60°C), Gewächshäuser (60 – 30°C) und Fischzucht (unter 30°C)

! Eigenverbrauch der Anlage!

23

Vorteile/Nachteile

bei jeder Wetterlage nutzbar Tag und Nacht

stabile und sichere Grundversorgung an Strom

gilt als regenerativ unerschöpfliche Ressourcenschonend einheimisch gute CO2 Bilanz multiple Verwendungsmöglichkeiten geringer Platzbedarf direkt vor Ort

Fündigkeitsrisiko tiefe Bohrungen notwendig hohe

Erdbebengefahr Höffigkeit Wasserergiebigkeit im

Untergrund geothermische Dämpfe enthalten nicht

kondensierbare Gase Stromerzeugung nur wirtschaftlich in

Hochenthalpiegebieten aufwendige Vorarbeiten notwendig sehr hohe Bohrkosten

Vorteile Nachteile

24

Aussichten – Minimierung der Risiken

Seismizität Positionspapier – Handlungsanweisung zur Beherrschung von

Seismizität bei Geothermieprojekten Reprocessing vorhandener Seismikdaten

Information Geothermisches Informationssystem

Lehre Ausbildungsprogramme befinden sich im Hochschulbereich im

Ausbau (Karlsruhe, Aachen, Bochum) Kompetenzzentren

25

Tiefengeothermische Projekte in Deutschland

Ausschließlich Hydrothermale Anlagen Anlagen in Betrieb: 23,

Wärmeleistung 222,95 MW Anlagen mit

Stromerzeugung: 5, Wärmeleistung 12,51 MW

Anlagen in Bau oder Planung: ca. 59

26

Hydrothermale Geothermie AKTUELL

St. Gallen 19. Juli 2013 – Freitagmittag – rasanter

und massiver Druckanstieg – kurzzeitiger Austritt eines Wasser-Gasgemisches

Stabilisierung durch Einpumpen von 650 m³ Wasser und schwerer Bohrspülung

20. Juli 2013 – Samstagmorgen – 5:30 Uhr – Erdbeben – Stärke 3,6

Arbeiten am Bohrloch gestoppt Landau

Erdbeben 2009 dritte Bohrung für November geplant Erdbebenrisiko vermindern

27

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

28

Quellen - Inhalt www.uni-kassel.de/fb14/geohydraulik/Lehre/Hydrogeologie/Hydrogeologie.html www.uni-kassel.de/fb14/geohydraulik/Lehre/Geophysik_Geothermie/Geophysik.html www.geo.tu-freiberg.de www.wikipedia.de www.geothermie.de www.udo-leuschner.de www.wir-ernten-was-wir-saeen.de Bayrischer Geothermieatlas; Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und

Technologie; 2010 Tiefe Geothermie, Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und

Reaktorsicherheit; 2011 Bericht der Bundesregierung über ein Konzept zur Förderung Entwicklung und Markteinführung von

geothermischer Stromerzeugung und Wärmenutzung; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit;

Aufbau eines geothermischen Informationssystems für Deutschland; Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Hannover ; 2009

Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung; Silke Köhler und Ali Saadat, GeoForschungsZentrum Potsdam;

29

Quellen - Bilder

http://tu-freiberg.de/ze/geothermie/tg_grundlagen.htmlhttp://www.geotermica.de/waerme-energie.htmlhttp://www.bine.info/publikationen/publikation/aquiferspeicher-fuer-das-reichstagsgebaeude/http://www.grundversorgungskraftwerk.de/techniken/geothermie.htmlhttp://www.energieatlas.bayern.de/thema_geothermie/tiefe/nutzung.htmlwww.lfu.bayern.dehttp://www.ite.tu-clausthal.de/uploads/RTEmagicC_Frontbild_01.jpg.jpghttp://augsburg.agitano.com/wp-content/uploads/2013/02/Geothermie-Bohrturm-in-Bayern.jpghttp://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-05.htmhttp://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/img/klima/Abb_2_Petrothermale_Tiefengeothermie_rdax_413x572.pnghttps://secure.bmu.de/fileadmin/bmu-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdfhttp://www.bine.infohttp://www.mags-projekt.de/MAGS/DE/Bilder/GT_Standorte_g.html