Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie: Hydrothermale und Petrothermale Systeme Florian Hosak 16.09.2010

Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie:

Hydrothermale und Petrothermale Systeme

Florian Hosak

16.09.2010

1. Begriffsbestimmungen

2. Geophysikalische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung geothermischer Parameter

3. Hydrothermale Systeme

4. Petrothermale Systeme

5. Zusammenfassung

Agenda

2Florian Hosak

1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen

4. PetrothermaleSysteme

3. HydrothermaleSysteme

5. Zusammen-fassung

Die tiefe Geothermie wird durch folgende Systeme beschrieben:

(Maßgebend hierfür ist die Enthalpie – der Wärmeinhalt)

Hydrothermale Systeme• In Tiefen von ca. 2.000 – 4000 Metern werden Wasser führende

Schichten angezapft• Mit dem heißen Thermalwasser ist bereits das Medium vorhanden,

mit dem die Wärme an die Erdoberfläche gefördert wird• Hydrothermale Geothermie unterscheidet

Systeme mit niedriger Enthalpie Systeme mit hoher Enthalpie

3Florian Hosak


5. Zusammen-fassung



Petrothermale Systeme:• Überwiegend Nutzung der im Gestein gespeicherten Energie• Bis zu 6000 m Tiefe unter der Erdoberfläche• Im Unterschied zur hydrothermalen Geothermie sind in der Tiefe

keine oder nur unzureichende Thermalwasservorkommen

„sitzt auf dem Trockenen“

• Daher häufig auch als „Hot-Dry-Rock-Verfahren“ bezeichnet

4Florian Hosak

2. Geophysikalische Untersuchungen



5. Zusammen-fassung


Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert (hydraulische Leitfähigkeit) :• Beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer

viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte• Permeabilität K beschränkt sich auf die Gesteinseigenschaften

• Durchlässigkeitsbeiwert kf bezieht die Eigenschaften des z.T. hoch mineralisierten, gasreichen Wassers zusätzlich mit ein

k f Q

i A

k f K g

kf: Durchlässigkeitsbeiwert in ms-1

Q: Volumenstrom in m3s-1

i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m2

K: Permeabilität in m2

μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser

5Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Als wichtigste Umfelduntersuchung vor der eigentlichen Bohrtätigkeit ist

die Erstellung eines 3D-Seismikmodells unerlässlich

Warum?

• Erkundung der Geometrie des Reservoirs und Störungsmuster

damit essentielle Festlegung des Bohrungsstandortes

• Beurteilungen über die Ergiebigkeit einer Geothermiebohrung während der geophysikalischen Untersuchung des Bohrloches

Kenntnisse über das Umfeld der Bohrung ausschlaggebend

6Florian Hosak




5. Zusammen-fassung

3D Seismik-Modell:• Dreidimensionales Abbild des Untergrundes

• Informationen über den Verlauf und die Mächtigkeit der wasserführenden Schichten in der Zieltiefe

• Gesteinsschichten und räumlicher Verlauf der Bruchzonenerkennbar

7Florian Hosak




5. Zusammen-fassung

Quelle: [8]


Prinzip (Reflexionsseismik): • Vibrationsfahrzeuge oder kleine Sprengladungen erzeugen

Schallwellen, die von den verschiedenen Gesteinsschichten im Untergrund reflektiert werden

• Die „Echos“ der Schallwellen werden an der Oberfläche von den Geophonen registriert und anschließend ausgewertet

8Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [5] Quelle: [7]

Bestimmung hydraulischer Eigenschaften des Nutzhorizontes durch

bohrlochgeophysikalische Verfahren

wireline logging („klassische Technik“)• über eine Messsonde, die über ein Kabel

mit der Registrierstation verbunden ist,werden Daten aufgenommen

• Die Messungen erfolgen beim Ziehen der Sonde mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min

• Alle 15 cm wird ein Messpunkt erfasst

logging while drilling (LWD)• Direkt während des Bohrvorgangs wird gemessen

9Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [2]

Geophysikalische Messungen in Bohrlöchern tragen u.A. zur

Lösung folgender Aufgaben bei:

• Dokumentation des Bohrprofils auf der Basis physikalischer Messgrößen

• Quantitative Bestimmung von Parametern• Ableitung von Aussagen zur stofflichen bzw. mineralogischen

Zusammensetzung• Dokumentation und Überwachung des technischen Zustandes

von Bohrungen• ...

10Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Bohrlochmessverfahren zur Bestimmung physikalischer Größen der

Bohrlochumgebung :

11Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [2]

Hydrothermale Systeme

• Heißes Thermalwasser in 2.000-4.000 Meter Tiefe• Temperaturabhängig können hydrothermale Systeme sowohl

zur Wärme- als auch zur Stromerzeugung genutzt werden• Hydrothermale Geothermie kennt drei unterschiedliche

Wärmequellen:• Thermalwasserfelder

– Heißwasser-Aquifere (Grundwasserleiter)– Störungen bzw. Störungszonen

• Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen

5. Zusammen-fassung

12Florian Hosak





13Florian Hosak




5. Zusammen-fassung

Turbinenkreislauf

Thermalwasserkreislauf

Förderbohrung

Injektions-bohrung


Quelle: [4]

Hydrothermale System

Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie (Thermalwasserfelder)

• Meist Dublettenbetrieb mit zwei getrennten Kreisläufen(Förder- und Injektionsbohrung)

• Förderbohrung: heißes Thermalwasser wird an die Oberfläche gebracht

• Gefördertes Thermalwasser zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf

• Gewonnene Wärme wird über einen Wärmeübertrager an einen sekundären Kreislauf abgegeben

• Injektionsbohrung: Abgekühltes Thermalwasser wird über zweite Bohrung wieder in den Untergrundgeleitet und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde

14Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [1]

Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie

(hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen)

• Temperaturen bis 250°C• Dampf- oder Zweiphasensysteme zur direkten Wärme- und

Stromerzeugung• Vorkommen stehen meist unter hohem Druck• Beim Anbohren kommt es zur Entspannung und ein Wasser-Dampf-

Gemisch oder trockener Dampf entweicht• Über einen konventionellen Dampfprozess wird Elektrizität erzeugt• In Deutschland und Mitteleuropa kaum geeignete geologische

Bedingungen

15Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Anwendungsgebiete der Hydrothermalen Geothermie

• Speisung von Nah- und Fernwärmenetze• landwirtschaftliche bzw. industrielle Zwecke• Sonderfall: balneologische Anwendung in Thermalbäder

Einzelne (Produktions-) Bohrung ausreichend

Nachteil der hydrothermalen Geothermie:• räumlich beschränkte Verbreitung der Reservoirgesteine• Bindung an bestimmte Regionen für die Wärmenutzung

z.B. Oberrheingraben

16Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Petrothermale Systeme

• Klassischer Begriff Hot Dry Rock• aber auch Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured

Rock oder Stimulated Geothermal System

„Enhanced Geothermal System (EGS)“

• Bis zu 6.000 Meter Tiefe unter der Erdoberfläche• Im folgenden Konzentration auf das klassische HDR-Verfahren• Zielhorizont ist meist das kristalline Grundgebirge

17Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Turbinenkreislauf

Thermalwasserkreislauf

Förderbohrung

Injektions-bohrung

Förderbohrung

18Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [4]

Petrothermale System

Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik

• Derzeitiger Stand: Kristallines Grundgebirge der oberen Erdkruste ist geklüftet Die Klüfte sind z.T. geöffnet, mit hoch mineralisiertem Wasser

gefüllt und mit einander durch ein Kluftnetz verbunden

• Durch Einpressen von Wasser in eine abgeteufte Bohrung wird das natürliche Kluftsystem geweitet bzw. werden auch neue Klüfte (fracs) geschaffen

Die natürliche Permeabilität wird erhöht; zusätzliche und bessere Wasserwegsamkeiten werden geschaffen

„Stimulation“

19Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [1]

Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik

• Um Durchflussraten und Temperatur dauerhaft zu erzielen, muss das Riss-System eine Mindestgröße für die Wärmeübertragerfläche aufweisen

• Durch eine zweite Bohrung muss der stimulierte Bereich durchteuft werden

• Man schickt durch den „Wärmeübertrager“ Oberflächenwasser über Injektions- und Förderbohrungen, um die Gebirgswärme aufzunehmen

„Wasser ist der Wärmeträger, das Gebirge die Wärmequelle“

20Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [1]

Außerdem unter Petrothermale Systeme aufgeführt:

Tiefe Erdwärmesonden

• Energienutzung aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit geschlossenem Kreislauf des Wärmeträgermediums in der Sonde

• Bisher nur Wärmegewinnung, kein Strom

• Kein Eingriff in das Stoffgleichgewicht des Gebirges

21Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quelle: [1]

Zusammenfassung:• Die tiefe Geothermie unterscheidet hydrothermale und

petrothermale Systeme• Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert beschreiben die

Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte

• Wichtigste Umfelduntersuchung vor der Bohrtätigkeit:Erstellung eines 3D-Seismikmodells

• Anhaltspunkte zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des Nutzhorizontes können bohrlochgeophysikalische Verfahren liefern

• Hydrothermale Nutzung: Wasser bzw. Heiß- und Trockendampf aus tiefen Grundwasserleitern (Aquifere)

• Petrothermale Nutzung: Gewinnung geothermischer Energie aus dem tiefen Untergrund unabhängig von wasserführenden Horizonten

22Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


Quellenverzeichnis:

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.): Tiefe Geothermie: Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland. 2. akt. Auflage, Berlin: 2010

[2] Internetseite der RWTH Aachen: http://www.geophysik.rwth-aachen.de/html/loginterpretation_grundlagen.htm am 07.09.2010

[3] Internetseite der Webseite des GtV – Bundesverband Geothermie e.V. (GtV-BV): www.geothermie.de am 08.09.2010

[4] Internetseite der Agentur für Erneuerbare Energie: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme/detailansicht/article/87/wie-funktioniert-die-hydrothermale-geothermie.html am 08.09.2010

[5] Internetseite des Geothermie-Projektes der Stadt St. Gallen: http://www.geothermie.stadt.sg.ch/index.php am 11.09.2010

[6] Internetseite des Bundeslandes Sachsen-Anhalt: http://www.sachsen-anhalt.de/LPSA/index.php?id=20048am 11.09.2010

[7] Internetseite Planet Erde Welt der Geowissenschaften: www.planeterde.de/.../image_preview am 11.09.2010

[8] Internetseite der GeoEnergy GmbH: www.geoenergy.de/.../Brhl/3D_Seismik_Modell.jpg am 11.09.2010

23Florian Hosak




5. Zusammen-fassung


http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme/detailansicht/article/87/wie-funktioniert-die-hydrothermale-geothermie.html

http://www.geothermie.de/

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