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HYDROTHERMALE GEOTHERMIE Maria Magdalena Bollmann.

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Präsentation zum Thema: "HYDROTHERMALE GEOTHERMIE Maria Magdalena Bollmann."—  Präsentation transkript:

1 HYDROTHERMALE GEOTHERMIE Maria Magdalena Bollmann

2 Gliederung 2 Allgemeines Hydraulische Eigenschaften Technische Aspekte Hemmnisse Risiken Wirtschaftlichkeit Vorteile/Nachteile Aussichten – Minimierung der Risiken Geothermieprojekte in Deutschland Geothermie AKTUELL

3 Einteilung der Geothermiequellen 3 Oberflächennahe Geothermie Tiefen Geothermie Hochenthalpie Lagerstätten Niederenthalpie Lagerstätten Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme 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 MW e notwendige Temperaturen von ca. 100°C Bohrungstiefen 3000 – 6000 Metern Injektion des abgekühlten Wassers zur erneuten Erwärmung in den Aquifer 4

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 5

6 Nutzungsmöglichkeiten 6 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 7

8 Hydraulische Eigenschaften 8 Aquifer Porosität Darcy-Gesetz Durchlässigkeit Permeabilität Transmissivität Speicherkoeffizient

9 Hydraulische Eigenschaften 9 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. 10

11 Hydraulische Eigenschaften 11 Darcy- Gesetz Wassermenge Q, die eine Fläche A in einem porösen Medium durchströmt und dabei direkt proportional zum hydraulischen Gradienten i ist. kfkf Durchlässigkeitsbeiwert[m/s] hBhB Standrohrspiegelhöhe an der Stelle B[m] hChC Standrohrspiegelhöhe an der Stelle C[m] LFließstrecke zwischen B und C[m] AGesamtquerschnitt[m²]

12 Hydraulische Eigenschaften 12 Durchlässigkeitsbeiwert Durchlässigkeitsbeiwert bezeichnet einen rechnerischen Wert der die Durchlässigkeit von Boden oder Fels für ein Fluid quantifiziert kfDurchlässigkeitsbeiwert[m/s] QFließrate[m³/s] lDurchströmte Länge des porösen Körpers[m] ρDichte des Fluids[kg/m³] gErdbeschleunigung = 9,81[m/s²] ADurchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers[m²] pDruckdifferenz[N/m²]

13 Hydraulische Eigenschaften 13 Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit von Böden oder Felsgestein für Fließmedien beschränkt sich allein auf die Gesteinseigenschaften KPermeabilität[m²] ηDynamische Viskosität des Fließmediums[m³/s] lDurchströmte Länge des porösen Körpers[m] pDruckdifferenz (stellt sich nach dem Strömen ein)[N/m²] ADurchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers[m²]

14 Hydraulische Eigenschaften 14 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

15 Technische Aspekte 15

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 16

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 17

18 ORC-Verfahren Organic-Rankine-Cycle Organischer -Rankine- Kreisprozess Prinzip: anstatt Wasser zirkuliert ein niedrig siedender organischer Stoff als Arbeitsmedium 18

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 19

20 Hemmnisse 20 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 21 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 22 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 CO 2 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 23 VorteileNachteile

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 24

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

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 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 27

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 https://secure.bmu.de/fileadmin/bmu- import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdf


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