Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie: Hydrothermale und Petrothermale Systeme Florian Hosak 16.09.2010

Agenda Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Agenda Begriffsbestimmungen Geophysikalische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung geothermischer Parameter Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme Zusammenfassung Florian Hosak

Die tiefe Geothermie wird durch folgende Systeme beschrieben: 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Die tiefe Geothermie wird durch folgende Systeme beschrieben: (Maßgebend hierfür ist die Enthalpie – der Wärmeinhalt) Hydrothermale Systeme In Tiefen von ca. 2.000 – 4000 Metern werden Wasser führende Schichten angezapft Mit dem heißen Thermalwasser ist bereits das Medium vorhanden, mit dem die Wärme an die Erdoberfläche gefördert wird Hydrothermale Geothermie unterscheidet Systeme mit niedriger Enthalpie Systeme mit hoher Enthalpie Florian Hosak

Petrothermale Systeme: 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Petrothermale Systeme: Überwiegend Nutzung der im Gestein gespeicherten Energie Bis zu 6000 m Tiefe unter der Erdoberfläche Im Unterschied zur hydrothermalen Geothermie sind in der Tiefe keine oder nur unzureichende Thermalwasservorkommen „sitzt auf dem Trockenen“ Daher häufig auch als „Hot-Dry-Rock-Verfahren“ bezeichnet Florian Hosak

Permeabilität K beschränkt sich auf die Gesteinseigenschaften 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert (hydraulische Leitfähigkeit) : Beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte Permeabilität K beschränkt sich auf die Gesteinseigenschaften Durchlässigkeitsbeiwert kf bezieht die Eigenschaften des z.T. hoch mineralisierten, gasreichen Wassers zusätzlich mit ein kf: Durchlässigkeitsbeiwert in ms-1 Q: Volumenstrom in m3s-1 i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m2 K: Permeabilität in m2 μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser Florian Hosak

die Erstellung eines 3D-Seismikmodells unerlässlich Warum? 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Als wichtigste Umfelduntersuchung vor der eigentlichen Bohrtätigkeit ist die Erstellung eines 3D-Seismikmodells unerlässlich Warum? Erkundung der Geometrie des Reservoirs und Störungsmuster  damit essentielle Festlegung des Bohrungsstandortes Beurteilungen über die Ergiebigkeit einer Geothermiebohrung während der geophysikalischen Untersuchung des Bohrloches  Kenntnisse über das Umfeld der Bohrung ausschlaggebend Florian Hosak

Dreidimensionales Abbild des Untergrundes 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung 3D Seismik-Modell: Dreidimensionales Abbild des Untergrundes Informationen über den Verlauf und die Mächtigkeit der wasserführenden Schichten in der Zieltiefe Gesteinsschichten und räumlicher Verlauf der Bruchzonen erkennbar Quelle: [8] Florian Hosak

Prinzip (Reflexionsseismik): 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Prinzip (Reflexionsseismik): Vibrationsfahrzeuge oder kleine Sprengladungen erzeugen Schallwellen, die von den verschiedenen Gesteinsschichten im Untergrund reflektiert werden Die „Echos“ der Schallwellen werden an der Oberfläche von den Geophonen registriert und anschließend ausgewertet Quelle: [5] Quelle: [7] Florian Hosak

Bestimmung hydraulischer Eigenschaften des Nutzhorizontes durch 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Bestimmung hydraulischer Eigenschaften des Nutzhorizontes durch bohrlochgeophysikalische Verfahren wireline logging („klassische Technik“) über eine Messsonde, die über ein Kabel mit der Registrierstation verbunden ist, werden Daten aufgenommen Die Messungen erfolgen beim Ziehen der Sonde mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min Alle 15 cm wird ein Messpunkt erfasst logging while drilling (LWD) Direkt während des Bohrvorgangs wird gemessen Quelle: [2] Florian Hosak

Geophysikalische Messungen in Bohrlöchern tragen u.A. zur 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Geophysikalische Messungen in Bohrlöchern tragen u.A. zur Lösung folgender Aufgaben bei: Dokumentation des Bohrprofils auf der Basis physikalischer Messgrößen Quantitative Bestimmung von Parametern Ableitung von Aussagen zur stofflichen bzw. mineralogischen Zusammensetzung Dokumentation und Überwachung des technischen Zustandes von Bohrungen ... Florian Hosak

Bohrlochmessverfahren zur Bestimmung physikalischer Größen der 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Bohrlochmessverfahren zur Bestimmung physikalischer Größen der Bohrlochumgebung : Quelle: [2] Florian Hosak

Hydrothermale Systeme Heißes Thermalwasser in 2.000-4.000 Meter Tiefe 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Hydrothermale Systeme Heißes Thermalwasser in 2.000-4.000 Meter Tiefe Temperaturabhängig können hydrothermale Systeme sowohl zur Wärme- als auch zur Stromerzeugung genutzt werden Hydrothermale Geothermie kennt drei unterschiedliche Wärmequellen: Thermalwasserfelder Heißwasser-Aquifere (Grundwasserleiter) Störungen bzw. Störungszonen Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen Florian Hosak

Hydrothermale System 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Turbinenkreislauf Thermalwasserkreislauf Förderbohrung Injektions-bohrung Hydrothermale System Quelle: [4] Florian Hosak

Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie (Thermalwasserfelder) 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie (Thermalwasserfelder) Meist Dublettenbetrieb mit zwei getrennten Kreisläufen (Förder- und Injektionsbohrung) Förderbohrung: heißes Thermalwasser wird an die Oberfläche gebracht Gefördertes Thermalwasser zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf Gewonnene Wärme wird über einen Wärmeübertrager an einen sekundären Kreislauf abgegeben Injektionsbohrung: Abgekühltes Thermalwasser wird über zweite Bohrung wieder in den Untergrund geleitet und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde Quelle: [1] Florian Hosak

Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie (hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen) Temperaturen bis 250°C Dampf- oder Zweiphasensysteme zur direkten Wärme- und Stromerzeugung Vorkommen stehen meist unter hohem Druck Beim Anbohren kommt es zur Entspannung und ein Wasser-Dampf-Gemisch oder trockener Dampf entweicht Über einen konventionellen Dampfprozess wird Elektrizität erzeugt In Deutschland und Mitteleuropa kaum geeignete geologische Bedingungen Florian Hosak

Anwendungsgebiete der Hydrothermalen Geothermie 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Anwendungsgebiete der Hydrothermalen Geothermie Speisung von Nah- und Fernwärmenetze landwirtschaftliche bzw. industrielle Zwecke Sonderfall: balneologische Anwendung in Thermalbäder Einzelne (Produktions-) Bohrung ausreichend Nachteil der hydrothermalen Geothermie: räumlich beschränkte Verbreitung der Reservoirgesteine Bindung an bestimmte Regionen für die Wärmenutzung z.B. Oberrheingraben Florian Hosak

„Enhanced Geothermal System (EGS)“ 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Petrothermale Systeme Klassischer Begriff Hot Dry Rock aber auch Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured Rock oder Stimulated Geothermal System „Enhanced Geothermal System (EGS)“ Bis zu 6.000 Meter Tiefe unter der Erdoberfläche Im folgenden Konzentration auf das klassische HDR-Verfahren Zielhorizont ist meist das kristalline Grundgebirge Florian Hosak

Thermalwasserkreislauf 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Turbinenkreislauf Thermalwasserkreislauf Förderbohrung Injektions-bohrung Petrothermale System Quelle: [4] Florian Hosak

Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik Derzeitiger Stand: 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik Derzeitiger Stand: Kristallines Grundgebirge der oberen Erdkruste ist geklüftet Die Klüfte sind z.T. geöffnet, mit hoch mineralisiertem Wasser gefüllt und mit einander durch ein Kluftnetz verbunden Durch Einpressen von Wasser in eine abgeteufte Bohrung wird das natürliche Kluftsystem geweitet bzw. werden auch neue Klüfte (fracs) geschaffen  Die natürliche Permeabilität wird erhöht; zusätzliche und bessere Wasserwegsamkeiten werden geschaffen „Stimulation“ Quelle: [1] Florian Hosak

„Wasser ist der Wärmeträger, das Gebirge die Wärmequelle“ 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik Um Durchflussraten und Temperatur dauerhaft zu erzielen, muss das Riss-System eine Mindestgröße für die Wärmeübertragerfläche aufweisen Durch eine zweite Bohrung muss der stimulierte Bereich durchteuft werden Man schickt durch den „Wärmeübertrager“ Oberflächenwasser über Injektions- und Förderbohrungen, um die Gebirgswärme aufzunehmen „Wasser ist der Wärmeträger, das Gebirge die Wärmequelle“ Quelle: [1] Florian Hosak

Außerdem unter Petrothermale Systeme aufgeführt: Tiefe Erdwärmesonden 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Außerdem unter Petrothermale Systeme aufgeführt: Tiefe Erdwärmesonden Energienutzung aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit geschlossenem Kreislauf des Wärmeträgermediums in der Sonde Bisher nur Wärmegewinnung, kein Strom Kein Eingriff in das Stoffgleichgewicht des Gebirges Quelle: [1] Florian Hosak

1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Zusammenfassung: Die tiefe Geothermie unterscheidet hydrothermale und petrothermale Systeme Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte Wichtigste Umfelduntersuchung vor der Bohrtätigkeit: Erstellung eines 3D-Seismikmodells Anhaltspunkte zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des Nutzhorizontes können bohrlochgeophysikalische Verfahren liefern Hydrothermale Nutzung: Wasser bzw. Heiß- und Trockendampf aus tiefen Grundwasserleitern (Aquifere) Petrothermale Nutzung: Gewinnung geothermischer Energie aus dem tiefen Untergrund unabhängig von wasserführenden Horizonten Florian Hosak

Quellenverzeichnis: 1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen 3. Hydrothermale Systeme 4. Petrothermale Systeme 5. Zusammen- fassung Quellenverzeichnis: [1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.): Tiefe Geothermie: Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland. 2. akt. Auflage, Berlin: 2010 [2] Internetseite der RWTH Aachen: http://www.geophysik.rwth-aachen.de/html/loginterpretation_grundlagen.htm am 07.09.2010 [3] Internetseite der Webseite des GtV – Bundesverband Geothermie e.V. (GtV-BV): www.geothermie.de am 08.09.2010 [4] Internetseite der Agentur für Erneuerbare Energie: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme/detailansicht/article/87/wie-funktioniert-die-hydrothermale-geothermie.html am 08.09.2010 [5] Internetseite des Geothermie-Projektes der Stadt St. Gallen: http://www.geothermie.stadt.sg.ch/index.php am 11.09.2010 [6] Internetseite des Bundeslandes Sachsen-Anhalt: http://www.sachsen-anhalt.de/LPSA/index.php?id=20048 am 11.09.2010 [7] Internetseite Planet Erde Welt der Geowissenschaften: www.planeterde.de/.../image_preview am 11.09.2010 [8] Internetseite der GeoEnergy GmbH: www.geoenergy.de/.../Brhl/3D_Seismik_Modell.jpg am 11.09.2010 Florian Hosak

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