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Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Geothermische Bereitstellung von Strom,

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1 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Geothermische Bereitstellung von Strom, Wärme oder Kälte Strom: Groß Schönebeck Wärme, Kälte: Parlamentsbauten Ernst Huenges GeoForschungsZentrum Potsdam

2 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Geothermische Energie Chancen: umweltfreundlich saison- und tageszeitunabhängig ressourcenschonend mit großem Potenzial auch in unseren Breiten 1904 Larderello, Italien: nach Lund (Geo-heat center, Oregon)

3 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef,

4 Bereitstellung von ca. 9 GW elektr. und ca. 18 GW therm. aus Geothermie weltweit Bedarf an geothermischer Technologie für non hot spots

5 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Planungen in den USA (DOE 2007)

6 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Commercial Potentially commercial productive hydrothermal HotDry Rock *Mechanical, chemical, or thermal stimulation, directional drilling etc. Suitable for reservoir enhancement* High Zero natural permeability mod.from USGS Groß Schönebeck Soultz-sous Forets Cooper Basin AUUnterhachingBasaltic rocks ISLandau

7 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Entwicklung geothermischer Technologien Nutzung Organic Rankine oder Kalina Cycle Prinzip Thermalwasserkreis ~ °C, ~ km tief Herausforderung: das Reservoir finden die Wärme effizient fördern und wandeln erschließen und stimulieren

8 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Hydrothermale Ressourcen in Deutschland

9 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, profile line I-GET Experiment, Site Groß Schönebeck

10 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Forschungsstandort Groß Schönebeck 2 Forschungsbohrungen im Sedimentgestein in 4.3 km Tiefe bei 150 °C Was wurde gemacht und erreicht: erfolgreiche Stimulation der Speichergesteine durch hydraulic- fracturing in 1.Bohrung 2. Bohrung mit neuem Erschließungs- konzept (großer Durchmesser, geneigter Verlauf und speicherschonender Aufschluss) Ziel: Nachhaltige Zirkulation mit heißem Tiefenwasser, Steigerung bis zum wirtschaftlich nutzbaren Bereich

11 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Produktivitätssteigerung (hydraulic fracturing) Erzeugung einer Zone erhöhter Permeabilität Vergrößerung des scheinbaren Bohrlochradius Überwindung ev. geschädigter Übergangszone im Nahbereich der Bohrung Verbesserung der Zuflussbedingungen

12 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, waterfrac Nov/Dec 2003 wellbore completion frac string installation HP triplex pumps 80 l/s bei 500 bar 4000 kW 1500 m³ storage acidization filter systems

13 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, production test Groß Schönebeck productivity index ~ 14 m³/(h fracture opening/closure pressure enhanced from 0.6 m³/(h MPa)

14 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Beginn der zweiten Tiefbohrung in Groß Schönebeck c Geothermal Education Office

15 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Komplettierung des Geothermielabors Groß Schönebeck Drilling challenges großer Durchmesser balanced drilling gerichtetes Bohren Richtbohrkonzept

16 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Drilling Performance ROP much less than expected: significantly larger diameter Insufficient pumping capacity improper bit selection 16 PDC-bit after drilling of 7m unexpectedly abrasive sandstone

17 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Drilling problems Total fluid loss during cementation of casing 16 x 13 3/8 (density 1450 kg/m³) To prevent thermally induced casing damage (during production) => squeeze cementation from top - down

18 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Drilling problems 9 5/8 liner collapsed after reduction of the mud density from 2000 kg/m³ to 1060 kg/m³ Causes not yet clear: Design – according to the rules with an overburden pressure gradient of 2,3 Casing material – certified quality Anisotropic stress due to well inclination of about 20° in connection with anhydrite content of the salt? Ovality 8 mm

19 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Remedy for the collapse Replacement of the collapsed 9 5/8 liner by a 7x7 5/8 liner after sidetracking Repeated attempts (4 times) to set the mechanical anchor of the whipstock required the modification of the anchor for a reliable operation in mud with 40% baryte content

20 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Remedy for the collaps Loss of one casing dimension: Adjustment of the borehole design 5 7/8 drilling of the Rotliegend section Running and cementing of a combined 5 liner with an uncemented section of preperforated pipes at the bottom.

21 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Ausbau Geothermielabor Groß Schönebeck Vor uns liegende Ziele: 1. Fündigkeit für 750 kW-Kraftwerk 2. Nachweis der Nach- haltigkeit (Zirkulation)

22 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Geothermische Stromerzeugung

23 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Binäranlagen Einsatzgebiet – Temperatur & Druck des Thermalwassers – Mineralisation des Thermalwassers Verfügbare Systeme – Organic Rankine Cycle (ORC) – Kalina Kreislauf Leistungsbereich 0,1 – 5 MW Unabhängig von Saison, Wetter und Tagesgang Wie wird ein Geothermievorkommen am effektivsten genutzt? Köhler 2005

24 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Wirkungsgrade geothermischer Kraftwerke Köhler 2005

25 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Ausgangssituation Wärmequelle –Temperatur 100°C – 200°C – Massenstrom 50 – 200 m³/h (~14 – 55 kg/s) – Begrenzte Wärmeleistung ~ 5 to 50 MW th pro Bohrung – Sensible Wärme Ziel – Elektrische Energie – Wirkungsgrad Weg – Systeme – Auslegung & Freiheitsgrade – Eignung der Systeme

26 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, ORC im Temperatur-Entropie-Diagramm Köhler 2005

27 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Kalina KCS 34 Schema Köhler 2005

28 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Kalina Wärmeübertragungsdiagramm Köhler 2005

29 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Systemwirkungsgrad ORC & Kalina 0 – 10 %

30 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Abschätzung der Generatorleistung

31 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Energie = Exergie + Anergie Exergie = (reversibeler Prozessanteil) universell umwandelbar Anergie = (irreversibel Prozessanteil) nicht in Exergie umwandelbar Anergieanteil Braunkohle:65 % Geothermie:50 – 80 % = Generatorleistung/(m(h-h o -T o (s-s o )) T o Umgebungstemperatur s-s o Entropieproduktionsstrom

32 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Abschätzung der Erträge mWasserkühlung mOhne Kühlturm m8000 Volllaststunden mVergütung nach EEG (0,15 /kWh) mBetriebskosten nicht berücksichtigt

33 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Thermische Untergrundspeicher in Energiesystemen (Parlamentsbauten) Optimierung der Einbindung der Aquiferspeicher in die Wärme- und Kälteversorgung der Parlamentsbauten im Berliner Spreebogen 19°C 12°C

34 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Stromgeführte KWK: Beispiel Parlamentsbauten

35 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Verhalten der Aquiferspeicher Be- und Entladung

36 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Wärmespeicher Energiemengen und Rückgewinnungsgrad

37 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Der energieeffiziente Betrieb von Versorgungssystemen mit Aquiferspeichern verlangt die Entwicklung moderner Einsatzstrategien

38 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Oberflächennahe Geothermie Erfolgsstory: Zurzeit ca. 1 GW therm installiert; Anlagen, davon neue im Jahre 2006, das entspricht jedem 10. Neubau Einsatz von Wärmepumpen notwendig; Jahresarbeitszahlen= Nutzwärme zu Pumpenergie liegen bei 3 Luft und 4 Erde Saisonale Untergrundspeicherung von Wärme und Kälte in mehreren Beispielen eindrucksvoll demonstriert (z.B. Spreebogen, Rostock,.) Integration saisonale Untergrundspeicherung in Versorgungsstrukturen mit Berücksichtigung der spezifischen Be- und Entladecharakteristik

39 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Tiefe Geothermie (Stand/ Tendenzen) Tiefe Geothermie bietet die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte in der Grundlast Technik wird demonstriert für Wärme in Waren, Neustadt Glewe, Erding, Straubing, Unterschleißheim, Riem, Weinheim u.a., Strom in Neustadt Glewe Nach Brancheneinschätzung befinden sich ca. 50 Anlagen > 10 MW therm in der Ausbauplanung zur Bereitstellung von Strom und/oder Wärme Herausforderungen durch hohe Anfangsinvestitionen und Bohr- sowie Fündigkeitsrisiken

40 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Tiefe Geothermie Forschung und Entwicklung erforderlich in Planungssichere Erkundung Innovativen Bohrtechnologien mit Reduktion von Energie- und Materialverbrauch Technologien der hydraulischen Stimulation geothermischer Lagerstätten Effiziente Energiewandlung (z.B. Niedertemperaturwärme in Strom und Kälte) Demonstration der Technik in verschiedenen geologischen Umgebungen Weiterentwicklung von Technologien, die nicht auf geothermische Anomalien beschränkt sind mit dem Ziel der Übertragbarkeit und Entwicklung der Exportfähigkeit Landau 2005 Groß Schönebeck 2001 Unterhaching 2004

41 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, National International In situ geothermal laboratory Groß Schönebeck (1) Development of technologies for the allocation of base load energy from geothermal resources (2) Feasibility of geothermal power production from deep sedimentary hydrothermal resources Integration of aquifer storage beneath the German Parliament into the energy provision system – optimisation of aquifer integration into the heating and cooling system of German parliament buildings I-GET: Integrated geophysical explo- ration technologies for deep fractured geothermal systems (STREP) ENGINE: Enhanced geothermal innovative network for Europe (Coordination Action) LOWBIN: Efficient low temperature geothermal binary power (STREP) Schlüsselprojekte der Geothermie HITI: High Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation

42 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, EU-Projekt HITI Entwicklung und Bau von Prototypen von Messinstrumenten für heiße Bohrungen Methodenentwicklung zur Beobachtung tiefliegender geothermischer Reservoire HIgh Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation u.a. Quelle: IDDP

43 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, Entwicklung und Bau von Prototypen Niedertemperatur Rankine Cycle (Thermalwasser < 80°C) Kombinierte Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme (Gesamtwirkungsgrad > 90 %) POLITECNICO DI MILANO (Polimi) EFFICIENT LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL BINARY POWER (LOWBIN)

44 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, EU-Projekt ENGINE Zusammenführung und Ver- netzung europäischer For- schungsaktivitäten Förderung der Entwicklung innovativer geothermischer Technologien, um das nutzbare Potenzial geothermischer Energie zu erweitern Aufzeigen von Hemmnissen und Risiken, die einer breiten Nutzung noch entgegenstehen Definieren von Forschungs- bedarf und Vorbereiten neuer Forschungsprojekte Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe (ENGINE)


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