Hydrothermale Geothermie

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1 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 Hochenthalpie Lagerstätten Niederenthalpie Hydrothermale Systeme Petrothermale Tiefe Erdwärmesonden

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 Rund 4 MWe reichen aus, um den Strombedarf einer Kleinstadt mit ungefähr 10‘000 Einwohnern zu decken.

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 Restwärme  30 %  seit Entstehung vor rund 4,5 Mrd. Jahren, Gase Gestein und Staub zur Erde zusammen ballten 99 % der Erde sind über 1000 °C heiß, nur 0,1 % sind kühler als 100 °C heiß

6 Nutzungsmöglichkeiten
direkte Nutzung  Thermalbäder Heilzwecke, Kurbäder oder Wellnessbäder Heizen und Kühlen mit Erdwärme /Warmwassererzeugung Stromerzeugung aus Geothermie über Hochenthalpielagerstätten aus Geothermie über Niederenthalpiestätten  2 Wärme- und Kältespeicherung im Untergrund für Häuser und Wohnanlagen oder auch zur Heizung oder Kühlung von Straßen, Brücken oder Start- und Landebahnen 3 Stromerzeugung --- heimische Energiequelle, ist in der Lage kontinuierlich Strom zu liefern Restwärme kann zu Heizzwecken genutzt werden

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 Im Vorfeld müssen jedoch für die optimale Nutzung von Hydrothermaler Geothermie bestimmte Geohydraulische Voraussetzungen erfüllt sein.

8 Hydraulische Eigenschaften
Aquifer Porosität Darcy-Gesetz Durchlässigkeit Permeabilität Transmissivität Speicherkoeffizient Permeabilität–Beschränkung auf Gesteinseigenschaften Durchlässigkeit– Quantifizierung von Stoffflüssen

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 Karst – m – südlich der Donau Nutzung für Thermal- und Heilwassererschließung

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 % Kalkstein % Tonstein % Schieferton < 10 % Lockere Sande > 40 % Einstufung der Porosität bei der Lagerstättenbewertung Einstufung Porosität Vernachlässigbar 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. kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] hB Standrohrspiegelhöhe an der Stelle B [m] hC Standrohrspiegelhöhe an der Stelle C L Fließstrecke zwischen B und C A Gesamtquerschnitt [m²] Grundlage aller hydraulischen Tests in Bohrlöchern

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] Von großer Bedeutung wenn es um die Quantifizierung von Stoffflüssen im Untergrund geht Geht als Faktor in das Darcy-Gesetz mit ein Durchlässigkeitsbeiwert bezieht die Eigenschaften des zum Teil hoch mineralisierten und Gasreichen Wasser zusätzlich mit ein

13 Hydraulische Eigenschaften
Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit von Böden oder Felsgestein für Fließmedien beschränkt sich allein auf die Gesteinseigenschaften Permeabilität  häufig für die Berechnung von durchströmenden Gasen verwedet – Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert Beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte Permeabilität beschränkt sich auf 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

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.

15 Technische Aspekte

16 Technische Aspekte Geothermische Reservoire Störungszonen Aquifere
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 Die technische Realisierung für eine energetische Nutzung ist meistens aufwendig und sehr stark von den geologischen Verhältnissen abhängig. Bei den natürlichen Thermalwasseraustritten, die über Bohrungen bzw. Brunnen gefasst sind und zu balneologischen Zwecken genutzt werden, handelt es sich zum Teil um Tiefenwässer, die auf solchen Störungszonen bis oder nahe zur Erdoberfläche aufsteigen und dort genutzt werden.

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 1. Kreisprozess dessen Grundlage ein organisches Arbeitsmedium bildet… William John Macquorn Rankine (1820–1872), schottischer Physiker und Ingenieur 2. Substanz fängt bei einer Temperatur weit unter der von Wasser an zu kochen … kann für jede ORC- Anwendung spezifisch ausgelegt werden … am Anfang steht die Befüllung des Verdampfers mit dem austausch Medium … bereits ab 100 °C bei Drücken weit unter 20 bar z.B. OMTS  Octamethyltrilisoxan, Isopentan  Siedepunkt liegt bei 26 °C 3. Heißes Wasser aus dem angezapften Aquifer erhitzt den Verdampfer und somit das Arbeitsmedium 4. Durch Übertragung dieser Energie fängt Medium an zu sieden und erreicht max. Druck von bis zu 10 bar 5. Druck wird über ORC-Turbogenerator entspannt und elektrische Energie wird erzeugt 6. Dampf wird im Kondensator bei einem Unterdruck von 0,1 bar an kalten Rohrbündeln kondensiert und regnet in das Kondessammelgefäß ab 7. Gewisser Füllstand erreicht, tritt Medium über den Rekubator, wo es Energie des austretenden Dampfes der Turbine aufnimmt, um dann in den Verdampfer zu gelangen

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 Ammoniak-Wasser, verwendet. Rankine-Kreislauf und Kalina-Kreislauf, in einem schematischen T-s Diagramm dargestellt. Vorteil des Kalina-Prozesses liegt in den günstigeren Wärmeübertragungsverhältnissen bei Verdampfung und Kondensation (GAJEWSKI ET AL., 1989). Beide Zustandsänderungen erfolgen im Gegensatz zum Rankine Prozess nicht isotherm. Dies geschieht durch Änderung der Konzentration der Einzelphasen von Wasser und Ammoniak bei konstanter Gesamtkonzentration und konstantem Druck. Dabei verdampft das Gemisch unter stetig ansteigenden Temperaturen bzw. kondensiert unter stetig sinkenden Temperaturen. 0 Im Wesentlichen führen zwei Effekte zur Verbesserung des Prozesses gegenüber dem Rankine-Kreislauf: · Durch die nicht isotherme Verdampfung bzw. Kondensation werden die Temperaturdifferenzen in den Wärmeübertragen und damit die Verluste bei der Wärmeübertragung geringer. · Die mittlere Temperatur der Wärmeübertragung (obere Prozesstemperatur) wird angehoben und die mittlere Temperatur der Kondensation (untere Prozesstemperatur) abgesenkt. Beides bewirkt eine Verbesserung des Carnot-Wirkungsgrades, also des bestmöglich zu erzielenden Prozesswirkungsgrades. Nachteil: Aufwendige Wartung – Ammoniak stark basisch – starkes Stoffwechselgift – brennbar und explosionsfähig Vergleich von Rankine- und Kalina-Kreislauf im T-s Diagramm nach GAJEWSKI ET AL. (1989) Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung Silke Köhler und Ali Saadat, GeoForschungsZentrum Potsdam

20 Hemmnisse Geologie hohe Anfangskosten und Anfangsrisiken
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 Gesamtkosten variieren für Wärme- und/oder Stromerzeugung zwischen 15 Mio. und 70 Mio. 50% bis 75% der Gesamtkosten Anfang des Projektes für die Realisierungen der Bohrung Bohrkosten - Dublette (zwei Bohrungen) 10 bis 20 Mio. Euro. Kraftwerk und sonstige Komponenten entfallen dann später noch 25% bis 40% der Gesamtkosten. Wärmeerzeugung dominieren die Kos­ten zur Wärmeverteilung (Wärmenetze). Bohrung und das Heizwerk rund 30% der Gesamtkosten, 70% entfallen auf die Wärmeverteilung. Große Nachfrage aber geringes Fachpersonal und wenig Bohrgeräte im süddeutschen Molassebecken, im Oberrheingraben und mit Einschränkungen im norddeutschen Becken lokal schwer einzuschätzende hydraulische Eigenschaft, die Ergiebigkeit der wasserführenden Schicht Potenziel für die Gebiete ist hoch Wärme in Verbauchernähe und setzt eine gewisse Siedlungsdichte vorraus Bericht der Bundesregierung über ein Konzept zur Förderung, Entwicklung und Markteinführung von geothermischer Stromerzeugung und Wärmenutzung

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 Geologisches Risiko  Wiesbaden – versehentlich eine unter druck stehende Wasserblase angebohrt wurde Bohrtechnisches Risiko  Anlagentechnisches Risiko  Gasgefährdung - Thermalwasser gelöste Gase - H2S oder CH4 Korrosion - korrosionsauslösende Faktoren Sauerstoff, Wasserdampfbildung im Ringraum der Bohrungen, aggressive Kohlensäure, gelöste Chloridionen, Schwefelwasserstoff, pH-Wert, Temperatur und nicht zuletzt konstruktive Verhältnisse der Anlage sein Ausfällung - Verschiebungen des Redoxpotenzials – Löslichkeit bei der Abkühlung des Thermalwassers Injektionsverhalten - Sauerstoffeintrag durch obertägigen Thermalwasserkreislauf Seismisches Risiko  Landau – zeitweise außer Betrieb genommen wegen Gefahr auf Beben Seite 22

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! Eigenverbrauch: Pumpen fördern und zurück pressen Pumenaufwand Neustadt-glewe Eigenverbrauch 60 – 70 % Hohe Subventionierung – billiger strom aus dem Netz zu beziehen anstatt ihn von der eigenen Erzeugung abzuziehen

23 Vorteile/Nachteile Vorteile Nachteile Fündigkeitsrisiko
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 Erdbebengefahr durch aneinanderreihen von Erdschichten  nicht einsetzbar in Erdbebenregionen

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 Ein Positionspapier behandelt eine Fragestellung von großem allgemeinen Interesse, für die keine aktuelle Leitlinie vorliegt.

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 Stromerzeugung: Bruchsal, Unteraching, Insheim, Landau und Waldkraiburg

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 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 png import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdf