Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka

Präsentation zum Thema: "Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka"—  Präsentation transkript:

1 Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka
Von: Yuriy Rogalski und Angelika Euler

2 Gliederung Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie
Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Gliederung Einführung Geothermie in Russland Geothermale Gegebenheiten in Kamtschatka Geothermiekraftwerke in Kamtschatka und den Kurilen Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers Das geothermale Feld bei Pauzhetskaya Geochemie des Thermalwassers Erstellung eines numerischen 3D Modells Exkurs: Seismische Messverfahren Standortanalyse Datenlage 3) Das geothermale Feld bei Mutnowskij Modellberechnungen für eine konstante Förderrate Geologische Untersuchungen Exkurs: Durchlässigkeitsbeiwert nach Darcy Geothermisches Reservoir Ausbau und Datenlage

3 In Russland befinden sich große Reserven an bereits erkundeten geothermischen Energievorkommen.
Für die Nutzung der geothermischen Ressourcen wurden dafür in den vergangenen Jahren über 3000 Tiefenbohrungen durchgeführt. Thermalwasser mit einer Temperatur von °C konnte in einer Tiefe von 3500 m nachgewiesen werden. Schätzungsweise könnten durch deren Förderung rund 14 Millionen m³ Warmwasser bereitgestellt werden. Die russische Regierung geht außerdem davon aus, dass die verfügbaren Reserven geothermaler Energieträger, die Reserven der im Land verfügbaren fossilen Brennstoff um das 10 fache übersteigen.

4 Thermalquellen Geysire
Die derzeitigen Entwicklungspotenziale im Land liegen im Bereich des Ausbaus der Fernwärmenetze und der Errichtung von neuen Geothermiekraftwerken. Jedoch ist die Nutzung der Geothermie in Russland aufgrund der geografischen Standorte wirtschaftlich gesehen in vielen Regionen unrentabel. Nicht desto trotz hat die russische Regierung das Bestreben durch geothermische Anlagen eine Gesamtleistung von 336 MW elektrisch und 552 MW thermisch bis 2020 zu installieren. Für die Bereitstellung der Fernwärme kommen hauptsächlich die Regionen im Nordkaukasus und Kaliningrad in Frage. Potentiale bestehen dabei auch im Bereich der Niederenthalpie und der hauseigenen Grundwasserwärmepumpen und Erdwärmekollektoren. Einzig allein die Region um Kamtschatka und den Kurilen Inseln eignet sich aufgrund der hohen Oberflächentemperaturen zusätzlich für die Stromerzeugung. Die hohen vulkanischen Aktivitäten, die aus der Subduktion der pazifischen und eurasischen Platte resultieren, führten zur Ausbildung von zahlreichen Thermalquellen und Geysiren in dieser Region. _____________________________________________________________________________________________ In der tiefen Geothermie unterscheidet man darüber hinaus zwischen Hochenthalpie- und Niederenthalpielagerstätten . Diese Unterscheidung ist über die Temperatur definiert. Als Grenze zwischen Niederenthalpie- (geringere Temperaturen) und Hochenthalpielagerstätten (hohe Temperaturen) wird meist eine Temperatur von 200°C angegeben. Bei Hochenthalpielagerstätten kann elektrische Energie direkt über Dampfturbinen erzeugt werden. Sie haben somit einen hohen Wirkungsgrad. Um mit dem Medium Wasser den hierfür nötigen Dampfdruck zu erhalten, sind jedoch hohe Temperaturen >200 °C im Untergrund nötig. Die Verstromung von Wärme aus Niederenthalpiesystemen ist nur mit Arbeitsmedien wie sie in ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle, Arbeitsmedium z.B. Pentan) oder Kalina-Kreisläufen (Arbeitsmedium: Ammoniak-Wasser-Gemisch) möglich. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt je nach Medium und Temperatur bei 10-15%.

5 Kamtschatka – Das Land aus Feuer und Eis
Landeshauptstadt: Petropawlowsk - Kamtschatskij Fläche : km², etwa 5 % größer als Deutschland Einwohnerzahl: etwa EW Vulkane: , davon 29 heute noch aktiv „In Kamtschatka existiert eines der weltweit größten Potenziale für Geothermie“ Gleichzeitig leiden Bevölkerung und Industrie heutzutage unter Energiemangel Energierohstoffe haben einen langen Weg, bevor sie von Übersee die entlegene Region erreichen Die am Beringmeer gelegene Halbinsel Kamtschatka und die zum selben Verwaltungsgebiet gehörenden Kurilen-Inseln haben eine Fläche von km². Mit etwa Einwohnern ist die Region relativ dünn besiedelt und hat vorwiegend unwegsames Gelände. Von den 160 bestehenden Vulkanen auf Kamtschatka sind heute noch 29 aktiv. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit schreibt zur Ausgangslage der erneuerbaren Energien in Russland: „In Kamtschatka existiert eines der weltweit größten Potenziale für Geothermie“ Gleichzeitig jedoch leiden Bevölkerung und Industrie unter Energiemangel, einer schlechten Infrastruktur und hohen seismischen Aktivitäten. Energierohstoffe haben einen langen Weg, bevor sie von Übersee die entlegene Region endlich erreichen. Das treibt die Verbraucherpreise in die Höhe. Schätzungen zufolge könnte dabei aber der gesamte Energiebedarf des Verwaltungsgebietes Kamtschatka durch Geothermie gedeckt werden.

6 Geothermische Energie aus oberflächennahen Magmakammern
Abgabe der Wärmeenergie erfolgt über: Konduktiven Wärmefluss Aufsteigende geothermale Fluide Vulkanausbrüche Ausbildung von Magmakammern Ermittelte Temperatur in Kammern der Vulkane in Kamtschatka liegt im Bereich von ° C Tiefenbohrungen zur Gewinnung der Wärmeenergie in Tiefen von 3 bis 7 km besonders interessant Anmerkung: Heat Efflux – Wärmefluss [MW thermisch] Reservoir heat Energy – Gespeicherte Wärmeenergie [J] Heat efflux – Wärmefluss (an der Oberfläche) [MW thermisch] Reservoir heat Energy – Gespeicherte Wärmeenergie in dem Reservoir [J] – zeitbezogen Die Abgabe der Wärmeenergie der Erde erfolgt seither in Vulkanischen Gebieten durch den konduktiven Wärmefluss, die Wärmeabgabe aufsteigender Fluide, Vulkanausbrüche und die Ausbildung von Magmakammern. Die vulkanischen Regionen in Kamtschatka sind nach den dort vorliegenden Untersuchungen geeignet zur Nutzung der eingeschlossenen Hitze in den Felsen der magmatischen Kammern. Die Temperatur in den Kammern liegt im Bereich von 600 bis 1000° C und zeigt somit ein großes Energiepotential auf. Die petrologische Daten weisen zudem eine große Menge an aufgeheiztem Gestein nach. Daher sind Tiefenbohrungen zur Gewinnung der Wärmeenergie in Tiefen von 3 bis 7 km in Kamtschatka besonders interessant. Zur Abschätzung der geothermischen Ressourcen, die wir in dieser Abbildung sehen wurden grundsätzlich 2 Modellierungen verwendet. Durch eine natürliche Wärmeabgaberate an der Oberfläche inkl. Hochrechnung. Mit den Daten der Wärmeenergie, die in fluidgesättigten Felsen gespeichert ist. Im weiteren Verlauf des Vortrags wollen wir gezielt auf die Kraftwerke an den Vulkanen „Mutnowskij und Pauzhetsky“ eingehen.

7 Erst einmal ein kurzer geografischer Überblich über die größten bereits bestehenden Kraftwerke in Kamtschatka und den Kurilen, die gezielt an den Vulkanregionen errichtet wurden. Bevor wir nun vertieft auf die geothermalen Regionen Mutnowskij und Pauzhetskaya in Kamtschatka zu sprechen kommen, wollen wir noch einige technische Details über die Kraftwerke „Okeanskaja“ und „Mendelejevskaja“ auf den Kurilen Inseln geben. Das Geothermie Kraftwerk „Okeanskaya“ übersetzt - am Ufer des Ozeans, trägt seinen außergewöhnlichen Namen wegen der ausgesprochenen Nähe zum Pazifik und befindet sich am Fuße eines Vulkans auf der Insel Iturup in der Region um Sakhalin. Nach den uns vorliegenden Informationen wurde das Kraftwerk im Jahre 2007 mit einer Leistung von 2,5 MW in Betrieb genommen. Die spezifischen Investitionskosten für das Kraftwerk beliefen sich auf rund etwa 1500 $/kW und haben eine Amortisationszeit von geschätzten 8 Jahren. Die russische Regierung gibt an, dass nach den vorliegenden Untersuchungen das Wasser-Dampf-Gemisch einen Druck von 30 kp/cm² enthält. (Alte Einheit: entspricht ungefähr 300 N/cm² ) ______________________________________________________________________________________________________________________ Das Geothermie-Kraftwerk „Mendelejevskaya“ auf der Insel Kunaschir hatte im Jahr 2010 eine Leistung von etwa 3,6 MW. Im Zuge der beschlossenen Ausbau-und Modernisierungsarbeiten soll das Kraftwerk derzeit auf 7,4 MW erweitert werden. Mit der Nutzung der thermischen Energie für die Bereitstellung von Strom in Kunaschir, konnte die Abhängigkeit von den Lieferungen der Kohle und Diesel, die seither auf Seewegen erfolgt ist, bereits spürbar reduziert werden.

8 Nun kommen wir zu der installierten Leistung der bestehenden Kraftwerke in Abhängigkeit des vorliegenden Temperaturbereichs der geothermalen Ressourcen in Kamtschatka. Wie man sieht, haben die bis heute konzipierten geothermischen Kraftwerksblöcke eine Leistung von 0,5 bis 25 MW, welche sowohl im Niedertemperatur- wie auch im Hochtemperaturbereich betrieben werden. Etwa die Hälfte der in den Kraftwerken erzeugten Wärme dient zum Beheizen der Wohn- und Gewerbeflächen in Kamtschatka. Ein drittel wird für Gewächshäuser genutzt. Weitere 13 % fließen in industrielle Prozesse. Darüber hinaus wird das entnommene Thermalwasser für etwa 150 Kurorte und Heilbäder verwendet. Seit 1999 vollzieht sich seither eine fortschreitende Entwicklung im Ausbau von neuen Geothermiekraftwerken in Kamtschatka, wobei die erzeugte Strommenge lediglich 0,01 % der gesamten russischen Stromerzeugung ausmacht. (Kernkraftwerke)

9 Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC) b) der Kalina-Prozess Anwendung bei: - nicht ausreichender Temperatur oder Druck zur Stromerzeugung - hohe Menge an nicht kondensierten Gasen - Chemisch angreifendes Thermalfluid (Schwefelwasserstoff, Calciumhaltige Minerale, u.a Salze) Besonders beständig gegen harte klimatische Bedingungen: - niedrige Temperaturen, Wind, Schneelast oder Seismik Ist das Primärmedium mit einer durchschnittlichen Fluidtemperatur von unter 130 °C nicht heiß genug, bzw. der Druck zu gering, um in ausreichendem Maße Dampf für die Entspannung zu erzeugen, kommen binäre Systeme zum Einsatz. Darüber hinaus kann der Einsatz eines binären Kraftwerkwerks sinnvoll sein, wenn das Thermalfluid ungünstige chemische Eigenschaften in der Mineralisation oder dem Gasgehalt aufweist und nur mit einem unvertretbar hohen Aufwand wieder nutzbar gemacht werden könnte. Dabei nutzen die binären Systeme die geothermische Ressource nicht direkt durch Entspannung in einer Turbine zur Stromerzeugung, sondern verwenden dazu ein zweites Medium welches mit Hilfe von Wärmeübertragern die geothermische Energie erzeugt. Dieses Medium muss, der geringen Temperatur des Thermalwassers entsprechend, tiefsiedend sein. Niedrige Thermaltemperaturen sind dabei nicht mit direkten Trocken-Dampfturbinen oder Direct Flash vereinbar. Die verwendeten Prozesse bei binären Kraftwerken sind zum einen der Rankine Prozess mit organischen Arbeitsstoffen, auch als ORC Prozess bezeichnet und der Kalina-Prozess. Binäre Kraftwerke sind zudem sehr beständig gegen harte klimatische Bedingungen wie etwa niedrige Außentemperaturen, Wind, Schneelast oder Seismik. Da binäre Systeme auch zukünftig von großer Bedeutung für die vielen Lagerstätten mit geringen Fluidtemperaturen in Russland sind, wollen wir im folgenden etwas näher auf die zugrundeliegenden Prozesse eingehen.

10 Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC) Das Arbeitsmittel wird durch das Thermalfluid vorgewärmt, anschließend verdampft und in einer Turbine entspannt Kondensation und erneute Erhitzung auf Verdampferdruck Thermalwasser nach Gebrauch wieder ins Erdreich über Injektionsbohrungen befördert Eingesetzten Arbeitsmittel in der Regel Kohlenwasserstoffe wie n-Pentante oder Isobutane Der ORC-Prozess unterscheidet sich bis auf das verwendete Arbeitsmedium und damit die Temperatur- und Druckparameter, nur unwesentlich vom klassischen Rankine Prozess für Wasserdampf. Das Arbeitsmittel wird durch das Thermalfluid vorgewärmt, verdampft, in einer Turbine entspannt und unter Umständen mit Hilfe eines Wärmeübertragers abgekühlt. Anschließend kondensiert und durch eine Pumpe wiederum auf Verdampferdruck befördert. Das Thermalwasser wird nach Nutzung wieder ins Erdreich injiziert. Die dabei eingesetzten Arbeitsmittel waren in früheren Anlagen FCKW, heute in der Regel Kohlenwasserstoffe wie n-Pentane oder Isobutane.

11 Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: b) der Kalina-Prozess Das Zwei-Stoff-Gemisch aus Wasser und Ammoniak wird durch das Thermalwasser vorgewärmt Bei der Verdampfung entstehen ein ammoniakreicher Dampf und ammoniakarme Flüssigkeit Der separierte Dampf wird in einer Turbine entspannt Im Anschluss werden Flüssigkeit und entspannter Dampf gemeinsam verflüssigt und auf Verdampferdruck gebracht Beim Kalina Prozess wird ebenfalls ein zweites Medium eingesetzt, als Arbeitsmittel dient allerdings kein reiner Stoff, sondern ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser. Dieses Zwei-Stoff-Gemisch wird durch das Thermalfluid über einen Wärmetauscher vorgewärmt und verdampft. Aufgrund der Siedepunktabstände entstehen hierbei ein ammoniakreicher Dampf und eine ammoniakarme Flüssigkeit, die anschließend von einander getrennt werden. Der Dampf wird in eine Turbine geleitet und unter Abgabe von Arbeit entspannt. Im Anschluss werden Flüssigkeit und entspannter Dampf zusammengeführt und in einem Kondensator verflüssigt, bevor das Gemisch wieder auf den Verdampferdruck gebracht wird. Im Gegensatz zum ORC verlaufen Kondensierung und Verdampfung nicht isotherm, sodass die Temperaturverläufe des Zwei-Stoff-Gemisches und des Thermalfluids einander angepasst werden können. Das vermindert die mittlere Temperaturdifferenz zwischen beiden Stoffströmen und damit die Verluste der Wärmeübertragung.

12 Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“
Die geologische Struktur besteht aus einer mehrschichtigen tektonischen Kuppel… …aus Lava, Tuffgestein und Tiefengestein mit neutraler bis saurer Zusammensetzung aus dem Miozän bis Holozän Zeitalter. Pauzhetskaya-Kombalny-Koshelev ist eines der größten geothermalen Gebiete in Kamtschatka Intensive und vielfältige hydrothermale Aktivitäten in Form von zahlreichen Ausströmungen von Dampf-Gas-Gemischen an der Oberfläche Die geochemischen Untersuchungen die dort an mehreren Messstationen am Thermalwasser durchgeführt wurden sehen wie folgt aus: Da nicht nur niedrige Temperaturen sondern auch der chemische Aufbau des Thermalwassers für die geothermische Nutzung eine Rolle spielen, kommen wir nun zur Geochemie des Thermalwassers am Vulkan „Pauzhetskaya“. Die geologische Struktur dort besteht aus einer mehrschichtigen tektonischen Kuppel, zusammengesetzt aus Lava, Tuffstein und Tiefengestein von neutraler bis saurer Zusammensetzung aus den Miozän-Pliozän bis Holozän Zeitaltern. Das Pauzhetskaya - Kombalny - Koshelev Gebiet, das wir hier sehen ist eines der größten geothermalen Gebiete in Kamtschatka. Dort finden intensive und vielfältige hydrothermale Aktivitäten in Form von heißen Thermalquellen und zahlreichen Ausströmungen von Dampf-Gas-Gemischen auf der Oberfläche statt. Die geochemischen Untersuchungen die dort an mehreren Messstationen durchgeführt wurden sehen wie folgt aus:

13 Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“
Alle hier aufgelisteten Messstellen befinden sich im eben gezeigten Gebiet, wobei die Proben 7 bis 9 direkt an dem Pauzhetskaya Vulkan entnommen wurden. Die dort gemessenen Oberflächentemperaturen des Thermalwassers liegen nach den vorliegenden Ergebnissen zwischen 92 und 98 °C. Der ermittelte pH-Wert ist im leicht alkalischen Bereich zwischen 7,6 und 8,2. Das Thermalwasser ist weiterhin reich an Spurenelementen und weist wie ihr sehen könnt hohe Natrium- und Chloridanteile auf. Das dort vorliegende chloridreiche Thermalwasser gefährdet damit bei Förderung die Werkstoffbeständigkeit und kann zur Korrosion führen. Dabei greifen die Chlorverbindungen die Passivschicht des Stahlwerkstoffs an und können bis hin zu Lochkorrosionen führen. Die ermittelte Mineralisation des Thermalwassers liegt im Bereich von 3 bis 3,5 g/l. Diese Kenngröße sagt etwas darüber aus, welche Stoffe sich in der Geothermieanlage hydrochemisch abscheiden lassen. Ab einer Mineralisation von etwa 100 mg/l würde zum Beispiel außerdem die Gefahr der Deckschichtbildung im Primärkreiskreislauf durch massive Ausfällungen bestehen. In geochemischen Untersuchung kann zudem anhand des Quecksilbergehalt der Gesteine und Ablagerungsschichten darüber hinaus auch die geothermische Lagerstätte selbst identifiziert und bestimmt werden.

14 Erstellung eines 3D numerischen Modells für den Standort „Pauzhetskaya“
Erstellung eines 3D numerischen Modells der geothermalen Lagerstätte auf Basis eines hydrogeologischen Modells Kalibriert auf Grundlagen von TOUGH2 und iTOUGH2 aus den Datensätzen von iTOUGH2 untersucht dabei die Veränderungen des Grundwasserspiegels als Response auf barometrische Luftänderungen iTOUGH2 deckt eine Fläche von 4x5 km² ab und umfasst drei Schichten: (1) Basisschicht mit den Führungskanälen des geothermalen Fluides (2) Hydrothermales Reservoir (3) Obere Schicht, die die Grundwasserneubildung und –entnahme in festgelegten Zeitabschnitten berücksichtigt Für das geothermale Feld bei „Pauzhetskaya“ wurde ein 3D nummerisches Modell auf Basis eines konzeptionellen hydrogeologische Modells erstellt. Das hydrogeologische Modell, dass auf Grundlagen von TOUGH2 und iTOUGH2 kalibriert wurde, verwendete die vor Ort gemessenen Datensätze aus den Jahren ITOUGH2 untersucht dabei die Veränderungen des Grundwasserspiegels als Antwort auf barometrische Luftänderungen. Die der Modellierung zugrunde liegenden Parameter die Permeabilität und Porosität des Gesteins die Fließgeschwindigkeit des aufsteigenden Fluides sowie die Infiltrationsrate wurden abgeschätzt. Das Numerische Modell das mit ITOUGH2 erstellt wurde, deckt eine Fläche von 4 x 5 km² ab und umfasst drei Schichten: Basisschicht mit den Führungskanälen des geothermalen Fluides Hydrothermale Reservoir mit einer durchschnittlichen Dicke von 500m Obere Schicht, die die Grundwasserneubildung und Grundwasserentnahme in festgelegten Zeitabschnitten berücksichtigt. Die obere Abbildung zeigt dabei das zirkulierende Thermalwasser im Reservoir im naturbelassenen Zustand des geothermalen Feldes und die untere Abbildung die Veränderungen nach Erschließung und Förderung.

15 Exkurs: Seismische Messverfahren
Vibroseis -Verfahren zur Standortbestimmung für Tiefenbohrungen. Seismische Wellen werden dabei von drei Vibroseis Spezialfahrzeugen innerhalb von Sekunden in den Boden geschickt. Geophone, die im gesamten Messgebiet ausliegen, zeichnen die seismisch erzeugten Reflexionen auf und leiten sie zur Bearbeitung an einen Messwagen weiter. Die ausgewerteten Ergebnisse der seismischen Messungen entscheiden dann über den Standort der Tiefenbohrungen – oder den Abbruch des Projektes. Bohrkosten nehmen rund die Hälfte der Gesamtkosten für ein geothermisches Kraftwerksprojekt ein. Je nach geologischer Situation und geplanter Kraftwerksleistung sind etwa Millionen Euro an Bohrkosten zu veranschlagen Um eine exakte Standortbestimmung für Tiefenbohrungen vorzunehmen und vor allem eine wirtschaftliche Bohrstrategie für eine Erschließung entwickeln zu können, kommen daher seismische Messverfahren zum Einsatz. Seismische Wellen werden dabei von drei Vibroseis Spezialfahrzeugen innerhalb von Sekunden in den Boden geschickt. Dieses wird ca. 6-8 x wiederholt, bevor die Fahrzeuge zum nächsten Messpunkt fahren. Untereinander liegende Schichtgrenzen reflektieren die erzeugten Wellen anhand der Änderung der Dichte/ Elastischen Parameter nacheinander. Geophone, die im gesamten Messgebiet ausliegen, zeichnen die seismisch erzeugten Reflexionen auf und leiten sie zur Bearbeitung an einen Messwagen weiter. Diese Signale werden zu einem Seismogramm zusammengefasst, mit modernsten Computerverfahren von speziell ausgebildeten Geologen bearbeitet und ergeben so ein plastisches Bild des Untergrundes. Die Ergebnisse der seismischen Messungen entscheiden über den Standort der Tiefenbohrungen – oder den Abbruch des Projektes.

16 Seismische Messverfahren
In folgender Abbildung : Geophonpunkte (blau) und Vibratorpunkte (lila) mit CMP- Überdeckung (im Zentrum bis ca. 300-fach, am äußeren Rand ca fach) dargestellt. Wärmeskala von dunkelblau (kalt) bis rot (sehr warm) gibt Aufschlüsse für potentielle Standorte für Tiefenbohrungen In folgender Abbildung sind die Geophonpunkte (blau) und Vibratorpunkte (rot) mit CMP-Überdeckung (im Zentrum bis ca. 300-fach, am äußeren Rand ca fach) dargestellt. In der Seismik versteht man unter CMP Überdeckung (oder Überdeckungsgrad) die Anzahl der seismischen Spuren von Sender-Empfängerpaaren, die zur (horizontalen) Stapelung am gemeinsamen Untergrundpunkt herangezogen werden (CMP Familie). In einer Wärmeskala von dunkelblau (kalt) bis rot (sehr warm) können potentielle Standorte für Tiefenbohrungen ausfindig gemacht werden.

17 Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“
Die schematische Karte zeigt sowohl den Ist-Zustand als auch eine überlagerte Modellierung des Kraftwerkstandorts Beschrieben wird das geothermische Reservoir selbst, der Betrieb des Kraftwerks genauso wie Ausblicke für neue Erschließungsmöglichkeiten. Die folgende Schematische Karte, die wir hier sehen zeigt sowohl den Ist-Zustand, als auch die Modellierung des Kraftwerkstandorts Pauzhetskaya. Die dafür zugrunde liegenden Datensätze entsprechen denen, die für die eben gezeigte numerische Modellierung iTOUGH2 genutzt wurden. Sie beschreibt zum einen das geothermische Reservoir selbst, zum anderen aber auch den gegenwärtig Betrieb des Geothermiekraftwerks an diesem Standort….und gibt uns schließlich auch Information über weitere wirtschaftliche Produktionsbohrungen die noch erschlossen werden könne. Die äußere dicke graue Linie in der Abbildung markiert die Grenzen des hydrothermalen Reservoirs, das durch die Modellierung bestätigt werden konnte. Die Polygone, die wir sehen sind die Elemente der numerischen Modellierung. Die grauen Flächen zeigen die Gebiete auf, die relativ gering durchlässig sind und daher bei Produktionsbohrungen nur bei erschwertem Aufwand genutzt werden können. Die blauen Flächen markieren die Gebiete in denen Grundwasser neu gebildet wird. 180 ° isotherme ist zu sehen Die schwarzen Punkte sind die bestehenden Produktionsbohrungen Die roten Punkte sind die vorgeschlagenen Standorte aus der Modellierung für neue Produktionsbohrungen Die leeren Punkte bzw. Kreise, die man leider in der Abbildung nicht so gut erkennen kann, kennzeichnen die alten Produktionsbohrungen die bereits aufgegeben wurden. Die etwas dickeren roten Linien sind die Dampfleitungen die zu den Bohrlöchern gelegt wurden. Und schließlich repräsentiert die blaue Linie die Pipeline, die als Reinjektionsleitung vom Kraftwerk wegführt. PP = Power Plant

18 Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“
Im oberen Graphen sind die Förderraten von Thermalwasser bei Pauzhetskaya über die Jahre 1960 bis 2006 abgetragen Die Fördermenge ist eine Akkumulation aus alten (grau) und neuen (rot) Produktionsbohrungen Der untere Graph bildet Anteil an Thermalwasser ab, der in den Boden zurück injiziert wird - Blaue Ausfärbung der Kurve, kaltes Thermalwasser bei der Reinjektion - Pinke Färbung bedeutet: Temperatur bei °C Reinjektion zur Vermeidung von Umweltschäden, - Giftiger Schwefelwasserstoff - Eisen II-haltiges Wasser Hydrothermale Dublette notwendig zur Rückführung des abgekühlten Wassers In dem oberen Graphen sind die Förderraten von Thermalwasser bei Pauzhetskaya über die Jahre 1960 bis 2006 abgetragen. (Das geförderte Thermalwasser kann übrigens nicht nur thermisch sondern auch für die Trinkwasserversorgung und zum Badebetrieb am Kraftwerk genutzt werden.) Die abgebildete Fördermenge ist eine Akkumulation aus in grau dargestellten „alten“ Produktionsbohrungen aus den Anfängen der Geothermie am nördlichen Teil des Feldes (die wir gerade zuvor gesehen haben) und neueren in rot dargestellten Bohrungen, die ab den frühen 80er Jahren entstanden sind. Die geothermische Stromerzeugung benötigt eine hohe Förderrate, weshalb wir einen kontinuierlichen Anstieg der Kurve beobachten können. _____________________________ Der untere Graph bildet wiederum den Anteil an Thermalwasser ab, der durch eine Reinjektion wieder zurück in den Boden befördert wird. Die blauen Ausfärbung der Kurve implizieren, dass das Thermalwasser dabei bereits abgekühlt war. Das pinke Färbung hingegen besagt, dass das Thermalwasser eine Temperatur von etwa 100 bis 120 ° C bei der Reinjektion besaß. Die Reinjektion geschieht aus der Notwendigkeit ein Reservoir nachhaltig zu betreiben. Bei Thermalwasser mit hoher Mineralisation ist eine Injektion, also die Verpressung im Untergrund dringend erforderlich. Wird das Fluid nicht wieder reinjiziert, können zudem Umweltschäden durch Wasserinhaltsstoffe auftreten. Z.B giftiger und brennbarer Schwefelwasserstoff aus Sulfiden oder Sauerstoffverzehr im Fluss durch Eisen-II-haltiges Wasser. Zur Reinjektion ist dabei die Erstellung einer hydrothermalen Dublette notwendig, die die Rückführung des abgekühlten Wassers sicherstellt.

19 Das Geothermie Kraftwerk „Pauzhetskaja“ ist das älteste geothermische Kraftwerk in Russland und wurde 1966 zu experimentellen Zwecken in Auftrag gegeben. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme betrug die installierte Leistung 5 MW, betrieben durch zwei Turbo-Generatoren, die durch das Kondenswasser des Wasserdampfes betrieben wurden. 2010 belief sich die elektrische Leistung auf 12 MW mit einer Stromerzeugung von 42,5 Millionen kWh. Ein 4 Personen Haushalt in Deutschland verbraucht im Vergleich jährlich etwa 6000 kWh. Damit kann das Kraftwerk etwa 8000 Haushalte mit Strom versorgen. Seitdem laufen Pilot-Projekte im Betrieb des errichteten binären Blocks und es wird eine Ausweitung der Kapazität des Kraftwerks auf etwa 17 MW verfolgt. Kommen wir nun zur Geothermielagerstätte Mutnowskij. __________________________________________________________________________________ Der Verdampfer erhitzt das geothermische Fluid (Wasser) auf etwa 120°C Eine Speisewasserpumpe ist eine Pumpe zur Versorgung eines Dampfkessels mit Speisewasser, das zur Erzeugung des Dampfes benötigt wird. Der erzeugte Dampf wird in einer Dampfturbine entspannt und die so gewonnene mechanische Energie der Drehbewegung in elektrische Energie umgewandelt.

20 Numerisches Modell des geothermischen Feldes am „Mutnowskij“
Es wurden mehrere numerische Modelle für das Gebiet rund um das Kraftwerk Mutnowskij erstellt Modell EX3F zeigt Topografie und Temperaturverteilung (250 m u. NN) Ergebnis: Absenkung der Dampfabgabe von 64,4 auf 31 kg/s und Verminderung des Drucks von 44,7 auf 32 bar innerhalb der nächsten 15 Jahre Entwicklung Zeitplans für Inbetriebnahme zusätzlicher Produktionsbohrungen in diesem Zeitraums Numerische Modelle haben sich als sehr wirksame Werkzeuge für die Abschätzung von Parametern der erdinneren Wärmequellen in hydrothermalen Systemen gezeigt. Es wurden mehrere Modelle für das Gebiet rund um das Kraftwerk Mutnowskij, dass eine Leistung von 50MW besitzt, entwickelt. (auch als Dachny Gebiet bezeichnet) Die vorliegende schematische Karte, die wir hier sehen, entstand aus dem Modell EX3F. Sie zeigt einerseits die Topografie und zum anderen die Temperaturverteilung des geothermalen Feldes bei 250 m unter der Meereshöhe. Berücksichtigt wurde bei dem gezeigten Modell der Wärmeaustausch zwischen dem Erdinneren und der Atmosphäre, die Bildung von neuen Gesteinsschichten, sowie die Abhängigkeit der Produktivitätsparameter von der Dampfsättigung. Außerdem wurde die Versickerung mit durchschnittlichen 60 kg/s angenommen. Die Ergebnissen der Modellberechnungen haben gezeigt, dass die Dampfabgabe der untersuchten Bohrlöcher sich innerhalb der nächsten 15 Jahren von 64,4 kg/s auf 31 kg/s absenken wird. Gleichzeitig verringert sich der Druck in den Messstellen von 44,7 auf 32 bar. Um einen konstante Förderungsrate in den kommenden Jahren zu gewährleisten wurde aus dem Modell ein Zeitplan entwickelt, der die Inbetriebnahme von zusätzlichen Produktionsbohrungen in festgelegten Zeitabständen vorsieht.

21 Geologischer Querschnitt am geothermalen Feld „Dachny“
Zu sehen ist ein Schnitt entlang der Produktionsbohrungen 17 u. 30 am „Dachny“ Auftretende Zirkulationsverluste durch die gefüllten schwarzen Kreise dargestellt Gestrichelte rote Linie markiert die Hauptproduktion bzw. Entnahmestellen des geothermalen Fluides In der folgenden Abbildung sehen wir einen geologischen Schnitt entlang der Produktionsbohrungen 17- und 30 am geothermalen Feld Dachny am Mutnowskij, welcher im Jahre 1987 in Folge von Untersuchungen erstellt worden ist. Zu sehen sind die einzelnen Bohrstellen mit den auftretenden Zirkulationsverlusten, die durch die gefüllten schwarzen Kreise dargestellt werden. Die Dicke gestrichelte rote Linie markiert die Entnahmestellen des Fluides, die aufgrund des hohen Druckes am größten zur Hauptproduktion beisteuern. Die obere Schicht der geologischen Struktur am Dachny besteht aus Bims- und Ascheablagerungen, wie auch aus zähflüssigen Magmaströmen. Darunter befindet sich eine Lavaschicht und Rhyolitgestein aus dem Pliozän. Rhyolith ist ein vulkanisches Gestein, welches ausgesprochen reich an Quarz ist und von seiner mineralogischen Zusammensetzung dem Granit entspricht Unter dieser Schicht befinden sich Tuffstein, Sandstein und Intrusivgestein aus dem Miozän. Die magmatischen Gesteine, die bei Erstarrung von Magmen auskristallisieren werden auch als Intrusivgestein bezeichnet In der untersten Schicht befindet sich Diorit. Diorit ist ein Tiefengestein und ähnelt von der Zusammensetzung Granit und Gabbro. Gabbro ist ein kompaktes magmatisches Gestein plutonischen Ursprungs das tief im Erdinnern entstanden ist. klick________________ Die Motivation für diese geologischen Untersuchungen, die wir hier gezeigt haben ist die Bestimmung der Durchlässigkeit bzw. Porosität in dem System. Der Durchlässigkeitsbeiwert dient dabei zur Lokalisierung der Strömungswege des Fluides bis hin zur Lage des geothermalen Reservoirs. Er wird in der folgenden Tabelle in m/s angegeben und wird nach dem Darcy‘schen Gesetz für die einzelne Schicht berechnet. ______________________________________________________________________________________________________________________ Info: Extrusionen sind die aufsteigende zähflüssige Magmaströme in Vulkanen. Intrusion, beschreibt demnach das Eindringen von fließfähigem Material (Magma) in bereits bestehende Gesteinskörper.

22 Exkurs: Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes nach Darcy
𝒌 𝒇 = 𝑸 ×𝒍 × 𝝆 ×𝒈 ∆ 𝒑 ×𝑨 Mit: kf = Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] Q = Fließrate [m³/s] l = durchströmte Länge des porösen Körpers [m] ρ = Dichte des Fluids, bei Wasser kg/m³ g = Erdschwerebeschleunigung = 9,81 m/s² A = durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²] Δp = Druckdifferenz ,die sich nach dem Strömen einstellt [N/m²] Die Berechnung des kf-Werts ergibt sich aus dem Quotienten des Produktes aus Fließrate, durchströmter Länge des porösen Körpers, der Dichte und der Erdbeschleunigung und dem Produkt aus Druckdifferenz und durchströmter Querschnittsfläche. Der vergleichsweise hohe Wert des Durchlässigkeitsbeiwertes der oberen Schichten impliziert hierbei auch eine hohe Temperatur-und Druckverteilung des Gesteins bei dem geothermalen Feld Dachny. Die thermale Konduktivität , die die Verlustleistung pro Einheiten der Fläche und Temperaturdifferenz angibt, betrug zudem im Mittel 2,1 W/m²

23 Geothermisches Reservoir bei „Mutnowskij“
Der Mutnowskij Vulkan ist einer der größten und aktivsten Vulkane im Süden von Kamtschatka. Er ist m hoch und ist gekennzeichnet durch fumarolische und hydrothermale Aktivitäten und hoher potentieller Energie. Fumarole = Dampfaustrittsstelle im Bereich von vulkanisch aktiven Gebieten, aus dem Wasserdampf und zum Teil vulkanische Gase austreten. Drei Fumarolfelder befinden sich im östlichen Krater des Vulkans, mit Dampfaustrittstemperaturen von mehr als 300 °C. Die roten Pfeile folgen der Hauptströmungsrichtung des heißen hauptsächlich flüssigen Fluides. Es sind zwei Hauptrichtungen des Fluides erkennbar: Zum Einen in Richtung des Kraters des Vulkans, zum Anderen zum bereits ausgebildeten Reservoir. Im Bereich des Reservoirs, das sich 5 km in die Breite und 2 km in die Tiefe ausstreckt, treten Verwirbelungen auf, die dort die Wärme gefangen halten Die aufgeheizten Dampf-Gas-Gemische, die sich dort bilden wandern nach oben und entweichen aus dem Reservoir. An der Oberfläche kommt es bei deren Austritt zu Wärmeverlusten mit der Atmosphäre. Dieses hohe potential gilt es zukünftig zu Nutzen. 1. In dem Krater des Vulkans 2. Heiße Thermalquellen im nördlichen Teil von Mutnowsky 3. Heiße Thermalquellen bei Dachny 4. Heiße Thermalquellen im oberen Shivorsk

24 Ausbau der geothermalen Lagerstätte „Mutnowskij“
Russisch – Deutsche Kooperationsarbeit Kommen wir abschließend zum Ausbau der geothermalen Lagerstätte am Mutnowskij. Die Lagerstätte selbst befindet sich rund 780 m über dem Meeresspiegel und liegt 70 km südwestlich der Industriestadt Petropavlovsk. 90 Bohrungen wurden dort bisher durchgeführt und 240 °C heißer Dampf erschlossen. Das gesamte Feld verfügt demnach schätzungsweise über eine Kapazität von rund 300 MW. Daher soll es in den kommenden Jahren bis auf eine Gesamtleistung von 250 MW ausgebaut werden. In Kooperation mit einem deutschen Anlagenbauer entstand dort bereits im Jahr 2005 eines der weltweit modernsten geothermischen Kraftwerke mit einer Leistung von 50 MW. Die Turbinen stammen aus russischer Fertigung, Leit- und Netztechnik wurden von einem deutschen Unternehmen geliefert. Die durchschnittliche Erzeugung an Strom die jährlich heutzutage an diesem Standort erzeugt wird, beläuft sich auf etwa 380 Millionen kWh.

25 Fragen? Mit diesen Bildern wollen wir unsere Präsentation schließen. Diese zeigen Ausschnitte aus der Leittechnik und dem Betrieb der von uns vorgestellten Geothermie-Kraftwerke. Hat jemand noch fragen?

26 Quellen GtV Bundesverband Geothermie
Studie zu den Möglichkeiten der Stromerzeugung aus hydrothermaler Geothermie in Mecklenburg- Vorpommern, 2003 Geothermische Produktion aus Enhanced aus Enhanced Geothermal Systems (EGS) – Stand der Technik, Geothermal Explorers Ltd, 2007 Практика реализации инвестиционных проектов в области геотермальной энергетики. Проблемы, перспективы – Понкратьев Павел Александрович, Начальник Департамента возобновляемых источников энергии Геотермальная энергетика России. Состояние и перспективы - Никольский А.И., Технический директор ЗАО «Геотерм-ЭМ» ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ В РОССИИ - Г.В. Томаров, А.И.Никольский, В.Н. Семенов, А.А. Шипков, ЗАО «Геоинком»

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit