Geothermische Energie: Unbegrenzt, umweltfreundlich und günstig Hannover-Messe 2005
Überall in der Erdkruste steigt die Temperatur mit der Tiefe an Überall in der Erdkruste steigt die Temperatur mit der Tiefe an. Zum Beispiel ist die Temperatur in 3 km Tiefe in Teilen Deutsch-lands 120-180C. Hannover-Messe 2005
Geothermisches Kraftwerk Die in den Gesteinen ge-speicherte Wärme kann zum Heizen, zur Stromerzeugung oder beidem genutzt werden. Treibhaus Schwimmbad Hannover-Messe 2005 Quelle: Orkustofnun
Um die in Gesteinen gespeicherte Wärme ökonomisch nutzen zu können, sind detaillierte geologische Studien unverzichtbar – sogar in Gebieten wie Island, wo geothermische Felder häufig nahe der Erdoberfläche vorkommen. Die heiße Quelle Strokkur auf Island. Hannover-Messe 2005
Für geothermische Energie- gewinnung werden benötigt: ein Bohrloch für das Verpressen kalten Wassers, ein stimuliertes, bruchkontrolliertes Reservoir, ein Bohrloch zur Förderung heißen Wassers und ein Kraftwerk. Hannover-Messe 2005
Um das geothermische Potential eines Gebietes beurteilen zu können, sind a) detaillierte geologische und geophysikalische Studien, b) Laboruntersuchungen und c) numerische Modellierungen notwendig. a b c Hannover-Messe 2005
Um das Risiko geothermischer Projekte zu minimieren, bzw Um das Risiko geothermischer Projekte zu minimieren, bzw. deren Erfolgschance zu optimieren, beginnen wir mit geologischen Geländestudien. Zum Beispiel untersuchen wir “erloschene” Paläo-Geothermiefelder, um heutige Geothermiefelder zu verstehen. Teil eines Paläo-Geothermiefelds in Sedimentgesteinen in England. Hannover-Messe 2005
Um die Permeabilität (Wasserdurchlässigkeit) eines geothermischen Reservoirs zu verstehen, muss das Bruchsystem des Reservoir-gesteins bekannt sein. Dies ist ein Teil eines Bruch-systems im Buntsandstein bei Göttingen. Hannover-Messe 2005
Große Mengen geo-thermischen Wassers werden entlang von Störungen transportiert, wie dieser im Muschel-kalk bei Göttingen. Hannover-Messe 2005
Schemaskizze mit verschiedenen Spannungsfeldern Die Permeabilität eines geothermischen Reservoirs in einer Störungszone hängt einerseits vom Bruch-system, andererseits vom lokalen Spannungsfeld ab. Störungszone in England Hannover-Messe 2005
Teil eines erloschenen geothermischen Felds, bestehend aus Mineralgängen, in einer Störungszone auf Island. Hannover-Messe 2005
Geländestudien müssen durch Laborbestimmungen der Gesteins-eigenschaften an Proben des potentiellen Reservoirgesteins ergänzt werden. Festigkeitsprüfung Rasterelektronen-mikroskopie Texturanalyse Hannover-Messe 2005
Mittels Laboruntersuchungen an Gesteinsproben werden Perme-abilitäten bestimmt und untersucht, wie Permeabilitäten vom lokalen Spannungsfeld, bzw. Gesteinsgefügen abhängen. H P h Spannungs-kontrollierte Permeabilität Gefüge-kontrollierte Permeabilität Hannover-Messe 2005
Gelände- und Laboruntersuchungen sollten durch numerische Modellierungen ergänzt werden, um die Ausbreitung und Vernetzung von Brüchen sowie den Fluidtransport im potentiellen Reservoir vorher- zusagen. Diese Untersuchungen sind ebenso wichtig, um die zur Steigerung der Permeabilität nötige Stimulierung des Reservoirs zu bestimmen. Hannover-Messe 2005
Beispiel eines sehr einfachen numerisch-en Modells der Aus-breitung eines fluid-induzierten Bruchs (“Hydrobruchs”). …as wherever the hydrofracture tip meets with a soft layer, the tip generates little if any tensile stress and tends to be rounded, whereas it is sharp and with high tensile stress on meeting stiff layers. Hannover-Messe 2005
Konzentration der Zugspannung Numerische Modelle der Spannungskonzentration (links) und Richtung der Ausbreitung von Hydrobrüchen (rechts). Die dünnen Schichten sind weich, die dicken Schichten sind steif. Dieser Unterschied der mechanischen Eigenschaften der Schichten kontrolliert weitgehend ob, und in welche Richtungen, sich Hydrobrüche ausbreiten. Konzentration der Zugspannung Richtung der Ausbreitung von Hydrobrüchen Hannover-Messe 2005
Basierend auf geologischen und geophysikalischen Untersuchungen wird der Standort eines geothermischen Reservoirs ausgewählt und die nötige Stimulation bestimmt. Die beiden grundlegenden Stimulationsmethoden sind (a) Hydraulische Bruchbildung und (b) massive hydraulische Stimulation. Quelle: BGR Hannover-Messe 2005
Bei der hydraulischen Bruchbildung wird eine Flüssigkeit unter hohem Druck in die Reservoirschicht verpresst und bildet einen Bruch. Dieser Bruch erhöht die Permeabilität des Reservoirs. Petroleum engineers commonly use hydraulic fracturing to create fractures to enhance the permeability in a reservoir. They create hydraulic fractures by first sealing off a portion of the well and then increasing the fluid pressure in the sealed segment until the wall rock breaks. aim is that the hydraulic fracture propagates laterally only along the target layer, the reservoir, arrest. Hannover-Messe 2005 Quelle: Smith & Shlyapobersky 2000
Bei der massiven hydrau-lischen Stimulation werden natürliche Brüche geöffnet, wodurch ein Reservoir hoher Permeabilität zwischen zwei Bohrlöchern erzeugt wird. Die Bruchöffnung erzeugt zahl-reiche Mikro-Erdbeben, die geortet werden können, wodurch die Ausbreitung des Reservoirs kontrolliert wird. Quelle: Asanuma et al. 2002 (Tohoku University, Japan) Hannover-Messe 2005
Im Anschluss an geologische Untersuchungen, numerische Modellierungen und Stimulationsexperimenten, werden chemische Markierungsstoffe (“Tracer”) eingesetzt, um das Reservoir zu charakterisieren und dessen Permeabilität zu testen. V in out Injektionsphase Tracer 1, Tracer 2 Produktionsphase Diffusionsfront (immobiles Wasser) Puls-Input Rückdiffusion Hannover-Messe 2005
Tracertests geben ebenso Aufschluss über die Oberfläche und Beschaffenheit des unterirdischen Wärmetauschers und das Nebengestein, und zeigen also, wie effektiv Wärme vom Gestein ins Wasser übergeht. Durchführung von Tracer-Tests in Bad Urach. Hannover-Messe 2005
Groß Schönebeck Hamburg Hannover Thüringisches Becken Ober- rhein graben Dresden Leipzig Urach Soultz Stuttgart Frankfurt Köln Erding Straubing Bayerisches Molassebecken Norddeutsches Neustadt-Glewe Berlin Genesys Horstberg Basel Speyer Offenbach Pullach Unterhaching Aachen Große Teile Deutsch-lands (in der Karte hellgrün) sind für die Erzeugung künstlicher geothermischer Reser-voire besonders ge-eignet. Einige derzeitige geothermische Bohr-projekte sind durch große Punkte dargestellt. Quelle: Geoforschungszentrum Potsdam Hannover-Messe 2005
Ca. 14% des weltweiten Primärenergieverbrauchs wird derzeit durch erneuerbare Energieformen bereitgestellt. Es wird vorhergesagt, dass nicht-erneuerbare Energie-quellen bereits in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts zurückgehen werden. Quelle: Shell Hannover-Messe 2005
Seit vielen Jahrzehnten werden hunderte Megawatt Wärme und Strom durch geo-thermische Energie erzeugt. Mehr als 20 Länder weltweit verwenden geothermischen Dampf zur Stromerzeugung. In fünf Ländern stammen 10-22% der gesamten Stromer-zeugung aus Geothermie. Bohrung, die geothermischen Dampf für das geo-thermische Kraftwerk Nesjavellir, Island, liefert. Quelle: Fridleifsson 2002 Hannover-Messe 2005
Fazit Erfahrungen aus Island und anderen Ländern sind hilfreich für die Bewertung des Potentials geothermischer Energie-gewinnung in Deutschland. Wärmegradienten in Teilen Deutschlands sind ähnlich denen in den älteren Teilen Islands, also recht hoch. Versuch und Irrtum sind in der Exploration potentieller geothermischer Reservoire selten erfolgreich. Der am schwierigsten vorher abschätzbare Parameter für künstliche geothermische Reservoire ist die bruchkontrollierte Permeabilität. Die Permeabilität kann mit Hilfe von Geländestudien, natürlichen Analogen, Laboruntersuchungen und numerischen Modellen abgeleitet werden. Hannover-Messe 2005
Geothermische Kraftwerke sind umweltfreundlich und können vielfältig verwendet werden: Die Blaue Lagune auf Island. Hannover-Messe 2005