Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges 16.03.2010

CO2-Emissionen heute: Ca. 5000 fossil gefeuerte Kraftwerke weltweit  11 Gigatonnen/Jahr (IPCC 2005) davon in D  0,4 Gigatonnen/Jahr (REECS 2007) In den nächsten Jahrzehnten gibt es folgende Optionen zur Reduktion von CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung: Energieffizienzsteigerung in der Stromerzeugung und im Verbrauch Ausweitung der erneuerbaren Energiebereitstellung durch Wind-,Solar- ,Biomasse- und geothermische Nutzung Abtrennung von CO2 bei der Nutzung fossiler Energien und anschließende Sequestrierung Nutzung der Kernenergie  Vier Wege in eine CO2-ärmere zukünftige Energieversorgung

Vorteile der Nutzung geothermischer Energie sehr großes noch unerschlossenes Potenzial für nachhaltige Energieversorgung dezentral einsetzbarer, grundlastfähiger, heimischer Energieträger CO2-arme Bereitstellung von Wärme und Strom kombinierbar mit anderen grundlastfähigen und nicht grundlastfähigen Energieträgern (Biomasse, Braunkohle, Solarthermie, Windenergie) oder mit CCS hohe Akzeptanz Nachteile hohe Anfangsinvestitionen Industrieinteresse in EU noch schwach (Vorreiter ENEL) lokal Irritationen mit Einfluss auf Akzeptanz (Basel, Landau) Lernkurve der tiefen Geothermie in der Startphase

total installed capacity in 2009 = 11 GW  76 TWh/a Japan 535 MW Russia 79 MW Philippines 1970 MW Indonesia 992 MW New Zealand 472 MW USA 2687 MW Costa Rica 163 MW Kenya 129 MW Iceland 421 MW Italy 811 MW Turkey 38 MW Portugal 23 MW Ethiopia 7 MW France 15 MW China 28 MW Mexico 953 MW Australia 0,2 MW Austria 1 MW Germany El Salvador 204 MW Guatemala 53 MW Nicaragua 87 MW Papua New Guinea 56 MW Thailand 0,3 MW total installed capacity in 2009 = 11 GW  76 TWh/a Bertani, 2009

Geothermal energy production Fridleifsson et al, 2008 TWh / year year IPCC 2010 140 GW

CO2-Emissions @ geothermal power production Geothermal: plants in USA -open cycles Coal, oil, gas: DOE, Bloomfield et al. (2003) EGS-LCA Frick et al. (2008)

Geothermal electricity production - conventional Mitigation potential substituting: Fridleifsson et al, 2008 / year  Mitigation of one Gigatonne CO2/year thinkable

Prinzip tiefer Erdwärmenutzung Direkte Nutzung von Geothermie für Wärme/Kälte und Elektrizität Turbine Heat exchanger Evaporator Condenser Grundprinzip Thermalwasserkreislauf cc~ 100 - 200 °C, Tiefe : ~ 2 - 5 km Binär-Kreislauf Organic Rankine oder Kalina Cycle Herausforderungen: Wo ist das Reservoir? Erschließung / Stimulation => Enhanced Geothermal System Effiziente Nutzung und Wandlung der Wärme Prinzip tiefer Erdwärmenutzung

Projektphasen „Tiefengeothermie “ Untertage Vorbohrung, loggen, testen, stimulieren detaillierte Machbarkeits-studie Basis- Exploration, Geologische Modelle, Gesteins- eigenschaften T-Modelle, Stress-Feld Vertiefte Prospektion z.B. geophys. Feldarbeiten, vorläufiges Reservoir-modell Standort-entwicklung Dublette, Leistungs-überprüfung Übertage Geothermische Anlage (Strom oder Wärme) Engineering, Bau, Inbetriebnahme Geologie Ziel-gebiet, Erlaubnis-feld Geophysi-kalische, Exploration 1.Mach-barkeits-einschät-zung Bohrungs-begleitung, Reservoir-engineering 2.Mach-barkeits-einschät-zung Dubletten-konzeption, Technologie Thermalwas-serkreislauf Nutzungs-konzept Technologie Anlagen-technik Systemquali-fizierung System- leistung Geothermie-Forschungsfelder, Umfang abhängig von Standort Projektphasen „Tiefengeothermie “

stress regimes and their impact to frac orientation Normal Faulting Strike Slip Reverse redrawn by Inga Moeck

hydraulic stimulation (Enhanced Geothermal Systems) Über die Beiträge zum BPG würde ich gern noch mal mit dir reden wollen! Fokker 2007

In situ Geothermielabor Groß Schönebeck In situ Geothermielabor Groß Schönebeck mit 2 Forschungsbohrungen im Sediment ( 4.3 km Tiefe und 150 °C) 2.Bohrung (großer Durchmesser, Ablenkung, speicherschonender Ausschluss) Reservoirgesteine beider Bohrungen erfolgreich stimuliert The GFZ provides expertise in geology, geophysical exploration, rock physics and geochemistry, scientific drilling, as well as in reservoir technologies. The competence entrusted to the GFZ in the first programme-period resulted in the installation of the in situ geothermal laboratory in Groß Schönebeck, with meanwhile 2 research boreholes drilled to a depth of 4,3 km and reaching a reservoir with sufficient water at a temperature of 150 °C. The second well was based on a new concept, namely large diameter drilling, ending in a deviated well with respect to the Earth stress field and, in addition, avoiding any formation damage through the drilling procedure. The reservoir rocks of both wells have been successfully treated with hydraulic fracturing. In situ Geothermielabor Groß Schönebeck

reservoir engineering

frac equipment

13000 m³ water(pH5) 24 t sand Pmax = 586 bar Qmax = 150 liter/sec. Zimmermann et al. In prep.

relocation of induced seismic events Groß Schönebeck -2 < M < -1 Induced seismicity is a matter of imaging the effect of the treatments as the only direct measured geometric information in the far field of the wells. Experience from the Basel project shows that we have to provide induced seismicity hazard mitigation concepts while the well is being treated. Kwiatek et al. 2010 submitted

relocation of induced seismic events Groß Schönebeck -2 < M < -1 Understanding induced seismicity, Soultz, Basel, Geysers & others refined stimulation treatments to enhance hydraulic productivity while reducing the risk of seismic hazard, instruments for assessment EU-funded GEISER 2009-2012 Induced seismicity is a matter of imaging the effect of the treatments as the only direct measured geometric information in the far field of the wells. Experience from the Basel project shows that we have to provide induced seismicity hazard mitigation concepts while the well is being treated. Kwiatek et al. 2010 submitted

95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 380 bar 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 380 bar Qmax = 66 liter/sec. Zimmermann et al. 2010

113 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 495 bar 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 113 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 495 bar Qmax = 58 liter/sec 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 380 bar Qmax = 66 liter/sec. 13000 m³ water(pH5) 24 t sand Pmax = 586 bar Qmax = 150 liter/sec. Zimmermann et al. I2010

10 20 30 40 50 4000 4100 4200 4300 4400 depth [m] cumulative flowcorrected [m³/h] Perforation Frac 1 Frac 2 Frac 3 test 2009: productivity index 13-15 m³/(h MPa) temperature 150 °C next steps: long term communication experiment geothermal power production

Projektphasen „Tiefengeothermie “ Untertage Übertage Groß Schönebeck Projektphasen „Tiefengeothermie “

Kommunikationsexperiment Zeitliches Verhalten der Eignungsparameter Leistungskriterien wie Produktivitäts-/Injektivitäts-Index Zusammensetzung des Thermalwassers Reservoireigenschaften Zeitverhalten der Druck- und Temperaturverhältnisse beteiligtes Reservoir-Volumen Thermalwasserzirkulation Begrenzungen des Reservoirs Untersuchung verfahrenstechnischer Fragen Korrosion und Fällungsreaktionen Komponentenverhalten … Kommunikationsexperiment

Groß Schönebeck Fluidzusammensetzung Chemische Zusammensetzung (in mM) des GrSk Fluids A) Lösung: TDS = 265 g/L B) Gase: Verhältnis von Gas:Flüssigkeit = ca. 1:1 Hauptkomponenten Nebenkomponenten Kaum reaktive Gase (CO2, H2S) in GrSk in mM; Zeitraum: 2003-2008 Groß Schönebeck Fluidzusammensetzung

Thermalwasserkreislauf: Komponenten und Prozesse Wärme-übertragung Kraftwerk Armaturen Teststrecke Filter Chem. Reaktionen Injektions-pumpe Rohrleitung Zweiphasen-Strömung Förderpumpe Thermalwasserkreislauf: Komponenten und Prozesse Slide 24/42

Wärmeübertrager

Kleinkraftwerk 60 kW, dezentrale Lösung Indonesien 2010-2013

Freitag, 12.03.10

In Situ Labor Groß Schönebeck Korrosion GEOEN Nachhaltigkeit In Situ Labor Groß Schönebeck KP II GFZ System-qualifizierung Projekte

„geothermische“ Forschungskonzeption Basis Experimente Prozesse Wärmeübertragung Chemische Reaktionen Korrosion & Ausfällung 2-Phasenfluss & hyd. Leitfähigkeit (p, T, C) Trennflächensysteme & Bruchmechanik Poro- & Thermoelastizität (Risse) Gesteinsalteration (incl. clay swelling) Kopplung Optimierung& Validierung Komponenten Kraftwerk Thermalwasser-kreislauf Bohrungen Induzierte Risse Natürliche Wegsamkeiten Hydraulisch-geologisches System Engineered Geothermal System „geothermische“ Forschungskonzeption

Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Qualifizierung geothermischer Technologien: Verlässlichkeit der Systemkomponenten und deren Zusammenspiel effiziente Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes (umfassende Risikobewertung zu Aufbau und Betrieb geothermischer Energiebereitstellung) In situ Geothermielabor: Leistungstest und Weiterentwicklung von Systemkomponenten unter extrem unwirtlichen Thermalwasser-Bedingungen Überprüfung ihres Zusammenspiels in variierenden Betriebsbedingungen  Experimentiermöglichkeit auch für Studenten mit guten Ideen Demonstration (lokal bedingt) effizienter Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes Validierung von numerischen Programmen, die Prozesse untertage und übertage verknüpfen Ausblick

Danke für Ihre Aufmerksamkeit