Beispiel geothermisches Projekt Coso, Kalifornien Präsentation Geothermie/Geophysik Verbesserte Effizienz Geothermischer Systeme von Niklas Lange Beispiel geothermisches Projekt Coso, Kalifornien 13.09.2011

Gliederung Einleitung und Motivation Nutzungsarten der Geothermie Geothermisches Potenzial Global Verbesserte Geothermische Systeme Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Fazit

Einleitung und Motivation Der Prozess globaler Erwärmung schreitet voran Der Bedarf an erneuerbaren Energien ist größer denn je Die Rohstoffpreise steigen Neue Energiequellen müssen erschlossen werden Das Innere der Erde ist eine unerschöpfliche Energiezentrale, die den weltweiten Energiebedarf um ein Vielfaches abdecken könnte  Effizientere Systeme nötig  Um den Bedarf der Menschheit zu decken, müssen jedoch Effizientere Syteme installiert werden.

Nutzungsarten der Geothermie Verschiedene Tiefen Oberflächennahe Geothermie Tiefe Geothermie Grenze bei 400 m Verschiedene Temperaturniveaus Hoch-Enthalpie-Systeme Nieder-Enthalpie-Systeme Erdwärme kann auf verschiedene Arten mit verschiedenen Temperaturniveaus genutzt werden.

Nutzungsarten der Geothermie Hoch-Enthalpie-Systeme Überwiegend in Gebieten mit Vulkanischer Aktivität Dient zur Stromproduktion (Flash-Verfahren) und Prozesswärmegewinnung Temperaturbereich: 90 – 300°C Abhängig vom Druck können die Lagerstätten entweder mehr Dampf- oder Wasserdominiert sein Dampf wird reinjiziert  keine negativen Umwelteinwirkungen  höhere Produktivität Und Gerüche

Nutzungsarten der Geothermie Nieder-Enthalpie-Systeme Überwiegend in Gebieten nichtvulkanischer Aktivität Ausschließliche Wärmenutzung Temperaturbereich: bis 90°C Erdwärmesonden-Anlagen oder Thermalwasser- Erfassungs-Anlagen Erdwärmesonden-Anlagen arbeiten bis 0°C

Nutzungsarten der Geothermie Erdwärmesonden – Niederenthalpie Anwendung in Gebieten mit niedrigem Temperaturgradienten Wärmeübertrager entzieht dem Gestein Wärme Tiefe bis 200 m Wärmepumpe hebt diese Nieder-Enthalpie Energie auf ein höheres Temperaturniveau Geeignet zur Heizung und Kühlung

Nutzungsarten der Geothermie Hydrothermale Systeme – Hoch-/Niederenthalpie Thermalwasser aus wasserführender Gesteinsschicht wird energetisch genutzt Um hohe Temperaturen zu erzielen, muss das Wasser durch tiefere Gesteinsschichten zirkulieren (2000 m) und abgepumpt werden Einspeisungsgebiet des Grundwassers bis 100 km Radius Gestein fungiert als riesiger Wärmetauscher Durch Entzug von Tiefenwasser negative Grundwasserbilanz  Unterdruck je nach Durchlässigkeit des Gesteins  erhöhte Pumpleistung Zusätzliche Bohrungen in die Tiefe um Wasser zurückzuführen

Nutzungsarten der Geothermie Petrothermale-Systeme – Hochenthalpie Größere Tiefen als die Hydrothermalen Systeme Im Gegensatz zur Durchlässigkeit des Gesteins nimmt die Wärme mit steigender Tiefe immer weiter zu Vulkanische Gebiete mit großem Temperaturgradienten Gestein fungiert als riesiger Wärmeübertrager Meist keine natürlichen Wasservorkommen vorhanden Verbesserte Geothermische Systeme – Enhanced Geothermal Systems EGS machen es möglich eine Geothermische Ressource wirtschaftlicher zu nutzen Größere Tiefen Zusätzliche Stimulation des Gesteins zur Verbesserung der Durchlässigkeit Stufenlose Übergänge der Durchlässigkeit Dort wo es also am heißesten ist, herrschen selten die besten Bedingungen bezüglich der Durchlässigkeit EGS Systeme zur Steigerung der Effizienz

Nutzungsarten der Geothermie In Tiefen größer als 3 km muss zuerst eine minimale Permeabilität des Gesteins geschaffen werden, um Wasser zu fördern Einpressen von Wasser mit großem Druck (120 bar) Einsatz von Säuren (selten) Beim Einpressen von Wasser werden bestehende Schwächezonen ausgeweitet Gesteinsflächen werden gegeneinander verschoben und geschert Schieb- und Schwerbewegungen im Millimeterbereich Lässt der Druck nach, passen die Flächen nicht mehr genau aufeinander  anhaltende Verbesserung der Durchlässigkeit  Schritt für Schritt

Nutzungsarten der Geothermie Auswahl eines geeigneten Reservoirs Injektions- und Stimulations- bohrungen 1. Zu erst muss ein heißer, tektonisch beanspruchter Bereich im Untergrund identifiziert werden. Kleine-feine Risse sind vorhanden 2. Das einpressen von Wasser erzeugt einen Anstieg des Porendrucks und versetzt den Fels in Bewegung, so öffnen, erweitern und verbinden sich Risse die nach ablassen des Drucks bestehen bleiben. 3. Das Wasser wird durch die neu geschaffene Reservoir zirkuliert, Wärmeentzug aus dem Gestein für den Einsatz zur Herstellung von geothermischen Stroms. Energetische Nutzung des Reservoirs Quelle: http://egs.egi.utah.edu/index.htm

Nutzungsarten der Geothermie Schaubild eines Verbesserten Geothermischen Systems Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

Nutzungsarten der Geothermie 3 Unterschiedliche Nutzungsarten, mit unterschiedlichen Kapazitäten, Tiefen und Verwendungsarten Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

Geothermisches Potenzial Global 99% der Erde sind heißer als 1000°C Die feste Kruste besteht aus hartem, sprödem Gestein, das 5 – 30 km dick ist Unterhalb der Kruste verhält sich das Gestein zunehmend plastisch Vom Erdmantel bis zum Erdkern nehmen die Temperaturen langsamer zu als in der Erdkruste Temperatur im Erdkern 5000 – 6000°C 5 km unter den Ozeanen 30 km unter den Kontinenten Plastisch- zäher teig  ab 700°C

Geothermisches Potenzial Global 5 km unter den Ozeanen 30 km unter den Kontinenten Plastisch- zäher teig  ab 700°C

Geothermisches Potenzial Global Herkunft der Erdwärme Die Wärme stammt zu 2/3 aus natürlichem radioaktivem Zerfall  Temperaturen seit Mio. Jahren annähernd konstant  Antrieb der Plattentektonik Ressource Erdwärme unermesslich groß In einer Bohrtiefe von 3 – 10 km sind nach Schätzungen von J. Tester weltweit 100 Mio. Exajoule (1 EJ = 1018 J) geothermische Energie zugänglich Jährlicher weltweiter Energieverbrauch 400 Exajoule

Geothermisches Potenzial Global Begrenzung des Potenzials Liegt nicht in der Ressource, sondern bei der Wirtschaftlichkeit der Technik Kosten steigen mit der Tiefe überproportional Für eine wirtschaftliche Nutzung des Geothermischen Potenzials wird eine Bohrtiefe von 7 km als sinnvolles Limit angenommen Günstige geothermische Verhältnisse bei einem Temperaturgradient von > 30 °C/km Wirtschaftlichkeit der Technik = mit welcher Energie die Geothermische Energie an die Oberfläche gebracht und umgewandelt werden kann 1989 wurde in einer russischen Forschungsbohrung auf der Kola Halbinsel eine Bohrtiefe von 12,3 km erreicht

Geothermisches Potenzial Global Wirtschaftliche geothermische Erschließung Möglichst geringe Bohrtiefe zum Erreichen möglichst heißen Gesteins Hohe Gesteinstemperaturen in geringer Tiefe liegen nur in vulkanischen Gebieten vor In geringen Tiefen ist die Wahrscheinlichkeit größerer natürlicher Durchlässigkeit des Gesteins höher Nähe zum Markt Während Strom über weite Distanzen transportiert werden kann, sind dem Transport von Wärme enge Grenzen gesteckt Zur Wirtschaftlichkeit einer Geothermischen Ressource zählt außerdem:

Geothermisches Potenzial Global Klassifikation des Geothermischen Potenzials X-Achse: Einegie Technisch anspruchsvolle Bohrungen ab einer Tiefe von 3 Km. Ab einer Tiefe von > 7KM zu anspruchsvoll und somit Wirtschaftlichkeitsgrenze

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Kalifornien enthält die größten geothermischen Kraftwerkskapazitäten der USA Leistung 3.000 MW Überdurchschnittlich hohe Wärmeströme (>200 °C in einer Tiefe von 3 km) Wirtschaftlichkeit der Technik = mit welcher Energie die Geothermische Energie an die Oberfläche gebracht werden und umgewandelt werden kann Quelle: USGS – U.S. Geological Survey

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Innerhalb der China Lake U-S. Naval Air Weapons Station in der Nähe von Ridgecrest, CA liegt das vulkanische Feld Coso (seit 1987) Die Kraftwerke werden derzeit von der Firma Caithness Energy betrieben Zur Zeit werden 270 MW mit vier Geothermie- Kraftwerken und mehr als 80 Brunnen produziert Verfügbarkeit von 98% Fluidtemperaturen über 300°C in weniger als 3000 m ermöglichen Doppel-Flash-Technologie für Dampf- extraktion Flüssigkeit dominierte Lagerstätte Brunnentiefe zwischen 600 und 3660 m

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Geologie Höchst aktive seismische Zone Stark gebrochen und tektonisch beansprucht (hohe Spannungen) Granit und Basalt Dreieckige Fläche aus Mulden und Bergketten Begrenzt auf der Nordseite durch die Walker Lane, im Süden durch die Garlock Verwerfung und im Westen durch die Sierra Nevada Quelle: Monastero et al., 2000 Geologie: eignet sich somit hervorragend: Hohe Spannungen = hohe Permeabilität Granit und Basalt: vulkanische Gesteine Walker Lane: Geologische Mulde, Grenze Kalifornien/ Nevada

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Problematik Kraftwerk-Entwickler gehen in der Regel von einer Nutzungsdauer von 20 bis 30 Jahren für eine geothermische Ressource aus Trotz guter geologischer Bedinungen wiesen einige der Brunnen des Coso Reservoirs zunehmend geringere Fließraten auf Abnahme der Kapazität in Coso Rückgang von Temperaturen und Drücken Detaillierte Analyse des Feldes mit Hilfe von Probebohrungen Oft auch weniger als 20 – 30 Jahre

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Probebohrung auf der Ostflanke des Coso Feldes Bodenphysikalische Untersuchung von Gesteinsproben Porendruck, Druckfestigkeit des Gesteins, Spannungen im Gestein sowie eine petrographische Analyse Hydraulische Spannungsmessung Bohrloch wird mit Druck beaufschlagt Drücke und Durchflüsse werden gemessen Druck der ausreichenden Durchfluss gewährleistet Maximale Druck der Gesteinsbrocken lösen kann Bohrkern petrographische Analysen: chemische und physikalische Beschaffenheit der Gesteine, Zusammensetzung aus den einzelnen Mineralen und Kristallstruktur

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Bilddatenanalyse Electric Micro Imager (EMI) Analyse zum Nachweis makroskopischer Brüche, die das Bohrloch schneiden Aussage über räumliche und strukturelle Gliederung von Gesteinsschichten Programm GMI-Imager, entwickelt für digitale Bohrloch- analyse, analysiert natürliche Brüche und deren Fallrichtung Datengrundlage: Electric Micro Imager Am Beispiel eines Brunnens der Ostflanke ergab sich eine Häufung der Fallrichtung 90° und 270° (Norden = 360°) Fallrichtung des Brunnens der Ostflanke Richtung Zentrum des Feldes Bilddatenanalyse: Sensor wird in das Bohrloch eingelassen GMI – Separiert die natürlichen Bruchkannten von jenen die durch das Bohren entstanden sind Quelle: US Geological Survey

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Eine Erhöhung der Effizienz und Lebensdauer durch Anwendung von Verbesserten Geothermischen Systemen wurde im Detail erreicht durch: Verbesserte Energieumwandlung Neue Injektionsbrunnen am Rande der Ostflanke die die Fließrate in Richtung des Zentrums des Feldes erhöhen Gezielte Injektion und Stimulation der Ostflanke Verbesserung der Durchlässigkeit Chemische Behandlung zur Minderung der Korrosion

Fazit EGS Hebt die Geothermische Energieproduktion auf ein höheres Level Produktivität und Lebensdauer eines Feldes wird erhöt Emittiert wenig bis gar keine Treibhausgase (Kreislaufsystem) Energieproduktion rund um die Uhr mit hoher Verfügbarkeit Zukunft Geothermischer Energieproduktion Vorsicht in Urbanen Gebieten! Durch Stimulation des Untergrundes können Erschütterungen hervorgerufen werden Nur Wasserdampf zur Kühlung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Quellen IN SITU STRESS, FRACTURE, AND FLUID FLOW ANALYSIS IN WELL 38C-9: AN ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEM IN THE COSO GEOTHERMAL FIELD, Sheridan und Hickman California Claims the World’s Highest Geothermal Power Output, With Potential for Even More Production With Advanced Techniques, Sass, Priest und U.S. Geological Survey Model for Success - An Overview of Industry-Military Cooperation in the Development of Power Operations at the Coso Geothermal Field in Southern California, Monastero, Geothermal Program Office, U.S. Naval Air Weapons Station, China Lake Geothermal Technologies Program, http://www1.eere.energy.gov/ Geothermische Stromproduktion aus Enhanced Geothermal Systems, Häring