Hot – Dry – Rock Verfahren Theorie & Praxis Vortrag von: Alexandros Kavakos, Sherzod Turdaliev 27/3/2017 Geothermie

Hot-Dry Rock Verfahren Beispiel: Text Zweite Ebene Dritte Ebene Vierte Ebene Fünfte Ebene Einleitung Grundlagen HDR Anwendung Fazit Quellenverzeichnis Fragen 27/3/2017 Geothermie

Hot-Dry Rock Verfahren Einleitung Übersicht Erdwärmenutzung Quelle: www.georhermie.de 27/3/2017 Geothermie

Hot-Dry Rock Verfahren Einleitung Tiefe Geothermie Hochenthalpie Lagerstätten - Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen. - Mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen. Niederenthalpie Lagerstätten Hydrothermale Systeme, Wasser wird gefördert, abgekühlt und reinjiziert, im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere). Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, durch künstlich eingebrachtes Wasser oder CO2 Tiefe Erdwärmesonden: das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde (dadurch wird wenig Energie extrahiert).. 1.Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert 2. Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern. 3. Abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen können Hochenthalpie-Lagerstätten mehr dampf- oder mehr wasserdominiert sein 4. nichtvulkanische Gebiete, 40-150°, 3000-6000m 5. Gestein in dem die hohen Temperaturen angetroffen werden sind wenig permeabel, künstliches Risssystem Hydro 1. Thermalwasservorräte als Primärenergie zur Versorgung von Städten oder Industrieanlagen mit Strom und Wärme heißes Wasser wird über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, wo es seine Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an einen zweiten Heizkreislauf abgibt ausgekühltes Thermalwasser wird anschließend über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund gepumpt Thermalwässer mit Temperaturen von bis zu 100 °C nutzt man zur Wärmeerzeugung, Thermalwässer mit über 100 °C zur Wärme- und Stromerzeugung. +Welches der in Frage kommenden Verfahren zum Einsatz kommt, ist von den geologischen Voraussetzungen am Standort, von der benötigten Energiemenge und dem geforderten Temperaturniveau der Wärmenutzung abhängig. Derzeit werden in Deutschland fast ausschließlich hydrothermale Systeme geplant. HDR-Verfahren befinden sich in den Pilotprojekten in Bad Urach und in Soultz-sous-Forêts im Elsass und in Basel in der Erprobung. 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Der Übergang zur petrothermalen Systemen Erdwärme ließ sich nur gut an Orten nutzen, die über entsprechend große Heißwasser- bzw Wasserdampfvorkommen verfügten. Bohrungen sind teuer und unterirdische Wasservorkommen können auch versiegen. Ortsabhängigkeit Neue Technologie: Hot Dry Rock Technik -Zukünftig weiträumige Nutzung der Erdwärme (auch in Gebieten ohne natürliches Tiefenwasser) entweder zu Heizzwecken oder zur Stromerzeugung. Grundlagen HDR Quelle: www.thema-energie.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Hot Dry Rock Systemen - Nutzt die im kristallinen Gestein enthaltene Wärme in einer Tiefe zwischen 3.000 und 6.000 Metern. -Verschiedene Bezeichnungen Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS). Vorteilhaft denn: -Energiequelle immer verfügbar -Witterungsunabhängig -Emissionsfrei -Unerschöpflich Aber: hohe Investitionskosten und Korrosionsproblematik des mineralreichen Tiefenwassers. Grundlagen HDR Bei diesen Temperaturen und Tiefen sind keine trockene Gesteinsformationen vorzufinden. dry nur aus historischen Gründen Wärmereservoiren, welche keine oder nur eine sehr geringe Wasserführung aufweisen Sauber und relativ unbedenklich Quelle: www.thema-energie.de 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Funktionsprinzip: HDR Verfahren -Bohrlöcher in 4000 bis 5000 m in ca. 500m Entfernung -Wasser mit hohem Druck in das Gestein gepresst (hydraulische Stimulation) -Fließwege werden aufgebrochen oder vorhandene erweitert (Erhöhung der Durchlässigkeit). -großflächiges Netzsystem -Wärme wird aufgenommen und Wasser kommt zur Erdoberfläche (Förderbohrung) -In einem Wärmetauscher wird die Energie des heißen Wassers auf eine Kühlflüssigkeit übertragen und direkt zur Wärmeerzeugung genutzt -Heißer Wasserdampf kann parallel auch Turbinen antreiben -Kondensiertes/ abgekühltes Wasser wird wieder in den Untergrund zurückgepumpt Grundlagen HDR Geschlossenes Kreislauf Über Bohrlöcher kommt man heute problemlos bis zu heißen Gesteinsschichten in 4000 bis 5000 Metern Tiefe. Für das HDR-Verfahren sind zwei Bohrlöcher in einigen hundert Meter Entfernung notwendig. Über das erste Bohrloch wird unter hohem Druck kaltes Wasser in die Tiefe gepumpt. Durch den Überdruck entstehen - sofern nicht schon natürlich vorhanden - im Untergrund viele kleine, nur Millimeter große Risse im Gestein. Sie erweitern vorhandene Fließwege auf dem Weg zum zweiten Bohrloch zu einem großflächigen Netzsystem. Die Fließwege sind im Prinzip nichts anderes als ein unterirdischer Durchlauferhitzer. Wird durch das erste Loch kaltes Wasser in das zerklüftete, heiße Untergrundgestein gepumpt, nimmt es die Wärme auf und kommt durch das zweite Bohrloch aufgeheizt wieder an die Erdoberfläche. Hier wird in einem Wärmetauscher die Energie des heißen Wassers auf eine Kühlflüssigkeit übertragen und direkt zur Wärmeerzeugung genutzt. Heißer Wasserdampf kann parallel auch Turbinen in einem kleinen Erdwärme-Kraftwerk antreiben und so Strom erzeugen. Das kondensierte oder abgekühlte Wasser wird danach wieder in den Untergrund zurückgepumpt, und der Kreislauf beginnt von neuem. Es entstehen also keine Schadstoffe und die Erdwärme steht jederzeit zur Förderung bereit. Reizvoll ist außerdem, das fast alles unterirdisch abläuft. Oberirdisch wird nur Platz für die beiden Bohrtürme und eine Kraftwerksanlage benötigt - im Prinzip ein kleines Turbinenhaus auf der Fläche eines Mehrfamilienhauses. Quelle: www.wikipedia.org 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Funktionsprinzip: HDR Verfahren Grundlagen HDR Um die Nutzung niedrigerer Temperaturen zur Stromerzeugung (normalerweise ist es 150C gebraucht für direkte) zu ermöglichen, wurden zwei Anlagen entwickelt: Übertragung des Thermalfluids auf einen zweiten Stoff: Wasser Stoffe, die über einen deutlich niedrigen Siedepunkt verfügen (η↗): Organic Rankine Cycle (ORC) : Prozesse die mit Isopentan (hochentzündlich) oder Fluorkohlenstoffe arbeiten Zuverlässiges und lang erforschtes Verfahren Kalina Verfahren : Arbeitsfluid ist ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak(giftig) Höherer Wirkungsgrad niedrigere Temperaturen geringere Stromgestehungskosten Quelle: www.geothermie.de 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Geologische Voraussetzungen für den großtechnischen Einsatz Großtechnischer Einsatz möglich, wenn bestimmte Charakteristika im tiefen Untergrund erfüllt: Genügend große Fläche für Erzeugung von nutzbaren Wärmetauscherflächen durch Stimulation Wirtschaftlich interessantes Temperaturniveau am Standort Ausreichende Verbreitung (vertikal u. horizontal) der Gesteinsschicht um langfristige Nutzung zu gewährleisten Grundsätzliche Eignung des Tiefenbereichs für den technologischen Prozess (Löslichkeit von Salzen, Schwermetallen u. Eisen-Manganverbindungen) Grundlagen HDR 27/3/2017 Geothermie

Hot Dry Rock Verfahren Europäisches Projekt „HDR Soultz-sous-Forêts“ in Frankreich (1987-2011) Anwendung Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot Dry Rock Verfahren Geophysische Daten Anwendung an der Grenze von Rhein Graben Ort mit vielen abgenutzten Ölbohrungen Temperaturanomalie in der Erdtiefe Granitgesteine in Tiefe 5000 m Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Das Konzept Anwendung Petrothermales Stromwerk Prinzip: Hot-Dry Rock Verfahren 1 Injektions- + 2 Förderbohrungen Geplante inst. Leistung: 6 MWel Thermische Leistung: 10 MW Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Projektphasen 1987 - 1997 – Projektanfang: Einschätzung der Realisierungsmöglichkeit, Potenzialuntersuchung, erste Bohrungen, Stimulation, Experimentelle Wasserzirkulation 1998 - 2001 - Vertiefung der Förderbohrung, Stimulation 2001 - 2004 - Phase 1: Bohrung der Injektions- und Förderquellen, ihre Stimulation und Reservoirsbildung 2005 - 2008 - Phase 2: Aufbau der Stromwerks, wissenschaftlicher Testbetrieb 2008 - 2010 - Aktueller Betrieb Ab 2011 - perspektive Erweiterung des Werks je nach Ergebnisse von weiteren Untersuchungen und Werkbetriebs bis 25 MW (el) Anwendung 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren 1. Untersuchungsbohrung Periode 1987 – 1997 Injektionsbohrung - GPK 1 Förderbohrung - GPK 2 Bohrungstiefe - 3600 m Bohrungsabstand - 450 m Gesteintemperatur - 165 ºC 2. Stimulation und Reservoirsbildung Ergebnisse dieser Phase Wasserzufuhr und Entnahme - 25 l/s Wassertemperatur - 142 ºC Energieausbeute - 10 MW (therm) Vorteil: Kein Wasserverlust Nachteil: höhe Salzgehalt im Wasser (100 g/l) Anwendung Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Periode 1998 – 2001 Vertiefung der Förderbohrung GPK2 (künftige Injektionsbohrung) Tiefe - 5000 m Gesteintemperatur - 200 ºC Reservoirvolumen - 23400 m3 Wasserentnahme - 40 l/s Druck - 14.5 MPa Vorteil: höhere Volumenstrom und Temperatur Nachteil: Höhere Druck für die Stimulation erforderlich Anwendung Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Phase 1 (2001 – 2004) Weitere Bohrungsarbeiten: Bohrung der GPK 3 (Injektion) und GPK 4 (Förderung) Tiefe - 5000 m Abstand - 600 m Stimulation von beiden Bohrungen, Reservoirsbildung Anwendung Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Phase 2 (2005 – 2008) Inbetriebnahme des wissenschaftlichen Pilotanlage-Stromwerks mit 1.5 MW(el.) Leistung Thermale Leistung 10 MW Testbetrieb Anwendung Quelle: www.soultz.net 27/3/2017 Geothermie

Perspektive Erweiterung: Hot dry rock verfahren Aktuell Quelle: www.bine.info Anwendung Heutzutage: Elektrische Leistung 1.5 MW Thermische Leistung 11 MW Wassertemperatur 200 ºC Wasserentnahme 40 l/s Perspektive Erweiterung: Elektrische Leistung 6 MW Thermische Leistung 25 MW 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Projektergebnisse Die große Geothermieprojekte sind realisierbar Wirtschaftlichkeit ab bestimmten Leistungen gewährleistet Umweltfreundlich Fast keine Wasserverluste Langzeitige und sichere Energieversorgung Stimulierung der weiteren Forschungsarbeiten Bei weiteren Entwicklung der Bohrungstechnik die tiefere Bohrungen, bzw. Entnahmetemperaturen und Leistungen möglich Fazit 27/3/2017 Geothermie

Hot dry rock verfahren Wirtschaftliche und technische Anforderungen: Erdwärmewerke von 25 bis100 MWh/a Stromproduktion sind wirtschaftlich sinnvoll Bohrtiefe ab 5000 m Wassertemperatur ab 200 ºC Ausreichende Größe des Klüftsystems zwischen Bohrungen Wasserförderung von 50 bis 100 l/s Wärmetauschfläche von 3 bis 10 km² Problemen und Risiken: Nicht genug erforschte Ergebnisse von tiefer Bohrung Mögliche geologische Änderungen im Erdstruktur Risiko ein Erdbeben hervorzurufen Teuere Bohrungsarbeiten (1 km = 1 Mln. €, 70 % der Kosten) Höhe Kosten von Bohrungsanlagen, ihre schnelle Abnutzung Fazit Paradoxon: Um evtl. negative Auswirkungen von tiefen Bohrungen zu verstehen sind weitere Bohrungen und ihr Betrieb erforderlich!!! 27/3/2017 Geothermie

Quellenverzeichnis Kaltschmitt M.,Wiese A.,Streicher W.: Erneuerbare Energien Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte, London: Springer, 2006 Crastan V.: Elektrische Energieversorgung 2, München: Springer, 2003 Ruhr-University Bochum, Chair of Energy Systems and Economics, Auszug aus dem Bericht Utilisation of deep geothermal energy for heating purposes bei Kattenstein T.,2005 Auszug aus dem Bericht The European Hot Dry Rock Project at Soultz bei Baumgärtner J. Taugs R.: Tiefengeothermisches Potenzial in DE, Geologisches Landesamt Hamburg, Hamburg: TUHH, 2007 Deutsche Energie-Agentur, www.thema-energie.de The Free Encyclopedia Wikipedia, www.wikipedia.org HDR Soultz Project, www.soultz.net GtV Bundesverband Geothermie, www.geothermie.de Quellenverzeichnis 27/3/2017 Geothermie

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