Kann Geothermie die negativen Effekte der Stromerzeugung kompensieren? Vortrag von: Jasmin Amm (re²) & Garnet Hunke (re²)

Jasmin Amm & Garnet Hunke Inhaltsverzeichnis Einleitung Betrachtung von Erdgas Erdöl Kernenergie Kohle Fazit 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Einleitung CO2-Emissionen (2007) Energiewirtschaft: 46% private Haushalte: 15% Verkehr: 18% Industrie und verarbei-tendes Gewerbe: 21% Klimaschutzziel 2020: -40%Treibhausgasemissionen (Basisjahr 1990) Endenergieverbrauch Deutschland 2009 Quelle: http://www.erneuerbare-energien.de 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

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Erschöpfte Erdgaslagerstätten Dienen zur CO2-Speicherung: aufgebaut aus Barriere- und Speichersteins Barrierestein (Tonstein) kann erwiesenermaßen über Jahrmillionen Gase zurückhalten Speicherstein (Sandstein) besitzt einen Porenraum zur Speicherung von CO2 davor mit Erdgas Druck in 800 m Tiefe hoch genug, um die hohe Dichte des kompri- mierten CO2 zu erhalten Förderung des Resterdgases Co soll nicht in unterirdischen Kavernen oder Höhlen, sondern im Porenraum durchlässiger Gesteinsschichten gespeichert werden - so genannten Porenspeichern. Damit das Gas sicher in der Tiefe verbleibt, braucht jeder Porenspeicher ein überlagerndes, dichtes Barrieregestein , guter Speicherstein, Sandstein mit hohen Porenanteil Barrieregesteinen verlangt man das Gegenteil: sie sollen undurchlässig sein. Steinsalz und viele Tonsteinvarietäten erfüllen diese der Untergrund bereits gut bekannt ist vorhandene Infrastruktur genutzt werden kann Positiver Effekt durch Eintrag von CO2 geht das restliche Erdgas raus. Quelle: www.bgr.bund.de 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Jasmin Amm & Garnet Hunke Deutschland CO2-Speicherungspotenzial (in Milliarden Tonnen): Salinare Aquifere: 6-13 Erdgasfelder: 2,75 Erdöllagerstätten: 0,13 (zu geringfügig in D) Große industrielle Stand- orte 0,375 pro Jahr 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Jasmin Amm & Garnet Hunke CCS Technologie CCS - Carbon Dioxide Capture and Storage Abscheidungsverfahren Post-combustion Pre-combustion Oxyfuel-Verfahren Transport von CO2 Pipeline Tanklastwagen Tankschiffe Speicherung von CO2 Durch CCS weniger CO2 in der Erdatmosphäre Die Idee dabei ist, das in industriellen Verbrennungsprozessen erzeugte CO abzufangen und dauerhaft im tiefen geologischen Untergrund zu speichern – also dort, wo es ursprünglich in Form von fossilen Brennstoffen auch einmal herkam. Dort soll das CO dauerhaft von derAtmosphäre isoliert bleiben. CCS umfasst die gesamte Prozesskette von der Abscheidung über den Transport bis hin zur dauerhaften Speicherung. Für alle Einzelschritte der Prozesskette gibt es bereits praktische Erfahrungen. CCS als Ganzes wird derzeit weltweit in mehreren Pilot- und Demonstrationsprojekten erprobt. Die Abscheidung des CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung („post-combustion“) Die Abscheidung des CO2 aus dem Brennstoff vor der Verbrennung („pre-combustion“) die Verbrennung mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Verfahren). Transport von zu den Injektionsbohrungen an den Speicherstandorten. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

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Jasmin Amm & Garnet Hunke CCS Technologie Pilotanlage Schwarze Pumpe (09.2008) Erprobung des Zusammenspiels der einzelnen Prozess-Komponenten therm. Leistung: 30 MW Braunkohle Oxyfuel-Verfahren Demonstrationsanlage in Jänschwalde (2015) therm. Leistung: 650 MW, el. Leistung: 250 MW Oxyfuel-Verfahren (auch Postcombustion-Technologie) Großtechnische Anlage ab 2020 Großtechnische erst ab 2020 speicherung von CO2 und nicht mehr in die Erdathmosphäre, kein Zusatz zum Klimaschutzziel, Schwarze Pumpe & Jänschwalde Quelle: www.vattenfall.de 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

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Erschöpfte Erdöllagerstätten Freizeitbad „La Ola“ in Landau In Betriebnahme der Fernwärme seit Sommer 2010 Quelle: www.heimat-pfalz.de Quelle: www.energie-suedwest.de 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Freizeitbad „La Ola“ in Landau stillgelegte Förderstelle „La44“ das Schwimmbad wird mit erwärmtem Wasser versorgt und beheizt ehemalige Erdöllagerstätte 1.100 m Tiefe stündlich zirkulieren 22.000 Liter Wasser im geschlossenen Kreislauf Erwärmtes heißes Wasser gelangt über den alten Steigrohrstrang zu Tage eine Wärmepumpe und vier Wärmetauscher Fernwärmeleitungen von 500 m in der innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes stündlich 22.000 Liter Wasser zirkulieren 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Positive Effekte durch Geothermie Lage im Oberrheingraben Temperaturanstieg 4,7 °C pro 100 Meter Tiefe über 1 Mio. kWh pro Jahr 20% Abdeckung des Bedarfs des Freizeitbades bzw. 50 Häuser CO2-Einsparung von 210 t pro Jahr - Mit der Lage im Oberrheingraben hat Landau für die Gewinnung von geothermischer Energie ideale Voraussetzungen. Das liege deutlich über dem durchschnittlichen Temperaturanstieg von drei Grad pro 100 Meter Tiefe über 1 Million Kilowattstunden pro Jahr umweltfreundliche Energie erhalten 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Erdölförderung Landau Erdölförderleistung etwa 24.000 t pro Jahr größte Erdöllagerstätte Süddeutschlands 0,7% der gesamten Jahresproduktion in Deutschland (3,5 Mio. t pro Jahr) Nutzung des Lagerstättenwassers als geothermische Wärmeenergie über 13 Mio. kWh pro Jahr bzw. 350 Häuser CO2-Einsparung von 4.500 t pro Jahr Derzeitige Erdölförderung 24.000t, war mal das vierfache,1977 mit 70 aktiven Bohrungen Lagerstättenwasser befindet sich neben Erdgas und Erdöl in den Lagerstätten 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

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Hochaktive radioaktive Abfälle Oberflächenstrahlungsrate größer als 20 mSv/h Aktivität größer als 3,7*10^11kBq/m³ DWR mit 1375 MW: ca. 0,005 kg/GWh Hochaktive radioaktive Abfälle sind Abfälle, deren Oberflächenstrahlungsrate größer als 20 mSv/h und deren Aktivität größer als 3,7 1011kBq/m3 ist und mindestens eine Millionen Jahre sicher eingeschlossen werden. Ca. 0,005 kg / GWh für KKW mit Druckwasserreaktor (DWR); installierte Leistung: 1375 MW; Uran aus gleichen Teilen aus Afrika und Nordamerika; Brennstoffkreislauf einschließlich Wiederaufarbeitung; Lebensdauer: 40 Jahre 372.000 MWh jährlich auf der Welt 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 16 16

Temperaturentwicklung h hohe T über Temporal temperature change around a canister containing a volume of 2.09 m3 of highlevel nuclear waste in a repository. The amount of heat generated by a small volume of highlevel waste (2 – 3 W/m²) is several orders of magnitude higher than the heat generated by high heat generating granites (3 – 7μW/m²). This high-level waste can be considered an anthropogenic EGS source. Enhanced Geothermal Systems (EGS), deutsch „verbesserte geothermische Systeme“. Darunter versteht man die Hochtemperatur- Erdwärmemegewinnung, die über die Nutzung gut durchlässiger, heißer Grundwasservorkommen hinausgeht. Das heisst also, dass die Durchgängigkeit durch verschiedene Maßnahmen verbessert wird, um die Nutzung von Grundwasser aus großen Tiefen möglich zu machen. Z.B. durch Aufpressen mit Wasserdruck oder durch den Einsatz von Säuren. It is shown that the temperature rise resulting from the deposition of radioactive waste underground is limited to small zones around the cavity. see Chandrasekharam, D. and Varun Chandrasekhar, Can Geological Radioactive Waste Disposal Sites Be Used as EGS Sites?, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 17 17

Jasmin Amm & Garnet Hunke Prinzipieller Aufbau 1 high level canister 2 heat exchanger 3 water circulating tube 4 repository wall 5 binary power plant It is possible that these high-level waste repositories can be utilized as heat sources and that electric power can then be generated using binary cycle technology. This high-level waste can be considered an anthropogenic EGS source, and suitable canister designs can be developed with built-in heat exchangers within the canisters. A rough schematic design of such a canister is shown in the Figure. Considering the amount of heat generated by a small volume of high level waste the capability of such small volume of the waste to generate high amounts of electric power is quite possible. Since the heat generated from the canister is removed constantly by circulating water, the thermomechanical properties and physico-chemical reactions of the formations hosting the canister can be controlled for long periods of time. Thus, the power plants built over such repositories can be online continuously for periods of 50 years and above. see Chandrasekharam, D. and Varun Chandrasekhar, Can Geological Radioactive Waste Disposal Sites Be Used as EGS Sites?, Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 18 18

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Jasmin Amm & Garnet Hunke Überblick bereits 1970 untersucht Springhill, Canada: 18°C Lumphinnans, UK: 14,5°C Park Hills, USA: 14°C Shettleston, UK: 12°C Herleen, NL: 15°C / 30°C The potential for the use of underground mines for geothermics was first investigated back in the 1970s. Abandoned and flooded mines are a good potential source of geothermal energy; However, if the pumping is simply stopped there will sooner or later be a problem; usually after several years the water starts to rebound and the water level re-establishes itself  mine water must be continuously pumped out of abandoned coal mines. Because of the geothermal heat of the earth this water is warm: For every 100 meters greater depth the water temperature rises by 3ºC. Several examples from Poland show that temperatures of water in flooded mines reach more than 45°C at depths of up to 1000 m. However, it is known from some European coal fields that formation temperatures at this depth exceed 50°C. Abandoned workings of individual coal mines contain tens of millions of cubic meters of warm waters, which can be recovered at the surface and utilized in heat pumps for heating as well as cooling purposes.The water reservoirs in abandoned mines are very accessible. Many of the vertical shafts remain for mine de-watering or other technological purposes and give access to deep levels of the mines where geothermal reservoirs can be located. The flooded, abandoned deep underground mines form low-temperature geothermal reservoirs, characterized by the site-specific geological, hydrogeological, and technical conditions of mining fields. The large volumes of underground open spaces with high permeabilities that are left after mining activity in areas with relatively high geothermal gradients may be considered as manmade reservoirs of warm mine waters. one-well-systems and two-well-systems: Once a mine has been at least partly flooded, there are various ways to set up the system. The most simple alternative is a one-well system. In this case, a heat exchange probe is installed in one of the flooded mine shafts (or boreholes). This probe then extracts heat from the shaft. Whilst the costs of such an installation are relatively low, the output is sub-optimal. A higher geothermal output can be achieved by installing a two-well system (doublet). One well acts as the source well and the other as the re-infiltration well. Again, mine shafts can act as wells where still accessible. If they are not, wells can be drilled into mine galleries using target drilling. Two-well systems are more expensive, but they can also be used for the cooling of buildings, providing the temperature is low enough. The first European pilot project (in Heerlen, NL) of such a two-well system has been built within the frame of the Minewater Project and is described in this guide. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 20 20

Vorteile alter Kohleminen Große Wassermengen Geologischen Gegebenheiten sind bekannt Schächte und Tunnel sind bereits vorhanden  geringere Kosten Gute Durchlässigkeit hoher Wärmeaustausch There are some advantages of flooded mines as compared to natural aquifers: excellent heat exchange surface (area) from rock to water caused by mining, the geological situation is usually well known and documented, great volumes (x 100,000 m³) of impounded mine water (partly > 20°C), high permeability and productive discharge of water (dekalitre/s), shafts and tunnels for the installation of pumps and heat pump systems exist and are accessible without bigger efforts, suitable locations for the installation of pumps and for re-infiltration of cooled water. The loosened rock structure in coal mine locations leads to an intensive heat exchange between rock and mine water. In case of power generation using an enhanced geothermal system, it should be at least 180 m3 h-1 (Clauser 2006). To achieve this, the flow rate can be increased by hydraulic fracturing/stimulating. Figure 1 is a prototypical model for a geothermal installation using a classic doublet of boreholes. In such a case, a typical question during project planning is the forecasted lifetime of the system, before the area of influence is cooled down to the minimum working temperature. Based on numerical simulations, the potential cooling of the system can be assessed. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 21 21

Randdaten des 2D- Modells: Entfernung Injektions- und Produktionsbohrung: 1500 m Injektionsbohrung: 350 m, 2-4°C Produktionsbohrung: 660 m, 23°C Oberflächentemperatur: 19°C 2 production flow rates: 10 l/s  800 kWt 20 l/s  1.600 kWt Two 2-D models have been developed to introduce numerical simulation for heat exchange processes in the flooded workings of the Nowa Ruda (Polen) mine. The TOUGH2 program has been used. 5 Mio ³ Wasser Two hypothetical wells of a geothermal doublet were placed at a horizontal distance of 1500 m (Figure 6). The producer was drilled to the deepest part of the workings (660 m) in order to take the water at a temperature of 23°C. The injector was drilled to a shallow part of the workings (350 m). It injects water cooled to 2-4°C. Two production flow rates were considered: 10 and 20 l/s. Assuming cooling of water at the surface by 19°C, the doublet provides 800 or 1600 kWt according to flow rates. Two production flow rates were considered: 10 and 20 l/s. Assuming cooling of water at the surface by 19°C, the doublet provides 800 or 1600 kWt according to flow rates. The temperature drop in the reservoir has been simulated. Figure 6 shows temperatures of produced water over a period of 40 years. The temperature drop was calculated at 4°C for 10 l/s and 10°C for 20 l/s. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 22 22

Simulierter Temperaturverlauf Simulated decrease of temperature of water produced from abandoned workings at a depth of 660 m, assuming reinjection of cooled water over a horizontal distance of 1500 m. The temperature drop in the reservoir due to production/injection of mine waters by a geothermal doublet in the reservoir has been simulated. The figure shows temperatures of produced water over a period of 40 years. The temperature drop was calculated at 4°C for 10 l/s and 10°C for 20 l/s 27.07.2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 23 23

Jasmin Amm & Garnet Hunke Kritische Fragen Bedarf und Bereitstellung? Nähe zu Endverbrauchern? Mögliche T - und V- ströme? Probleme mit Wasser? Korrosion und Scaling? Entsorgung? Schwermetalle? Salze? There is a great potential for using low grade geothermal energy from abandoned mines. But exploitation is limited to realize economic constraints. Important conditions are: The water quality characteristics of coal mine water may include high dissolved solids loading and low pH. For this reason, mine water that is pumped to the surface is commonly treated to raise pH and precipitate metals. It is important to note that if a system is installed and maintained to be air tight, scaling and corrosion can be minimized. In the event that oxygen cannot be eliminated, the mine water can be passed through an isolation plate heat exchanger, thereby reducing the water contact to only the ground loop piping and the heat exchanger. Mine water would not be in direct contact with the refrigerant. It contains many salts and heavy metals, which is normal for water from depths of 500 – 1000m. If it reaches the surface it must therefore be treated with great care; if this water is pumped into local rivers or lakes it will contaminate them Aufgrund der Tatsache, dass das Wasser sehr reich an Mineralien ist, kann es zu scaling und Korrosion kommen. Conclusion: significant geothermal source, but little studied and stark standortabhängig! 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 24 24

Jasmin Amm & Garnet Hunke Fazit Die vollständige Kompensierung der negativen Effekte wird nicht erreicht, sondern lediglich eine Eindämmung  27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Literatur und Quellenverzeichnis 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 27

Literaturverzeichnis (1) Chandrasekharam, D. and Varun Chandrasekhar,Can Geological Radioactive Waste Disposal Sites Be Used as EGS Sites?,Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010 George R. Watzlaf and Terry E. Ackman, Underground Mine Water for Heating and Cooling using Geothermal Heat Pump Systems, Mine Water and the Environment (2006) 25: 1–14 © IMWA Springer-Verlag 2006 Georg Wieber und Stefan Pohl, Mine Water: A Source of Geothermal Energy – Examples from the Rhenish Massif, http://www.imwa.info/docs/imwa_2008/IMWA2008_051_Wieber.pdf, Stand: 25.07.2010 Zbigniew Malolepszy, LOW TEMPERATURE, MAN-MADE GEOTHERMAL RESERVOIRS IN ABANDONED WORKINGS OF UNDERGROUND MINES, PROCEEDINGS, Twenty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California, January 27-29, 2003 27.07.2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 28 28

Literaturverzeichnis (2) A. Renz, Wolfram Rühaak, P. Schätzl, H.-J. G. Diersch, Numerical Modeling of Geothermal Use of Mine Water: Challenges and Examples, TECHNICAL COMMUNICATION, Mine Water Environ (2009) 28:2–14 DOI 10.1007/s10230-008-0063-3 minewater project, Mine water as a Renewable Energy Resource, An information guide based on the Minewater Project and the experiences at pilot locations in Midlothian and Heerlen, Stand: http://www.heerlen.nl/internet1/mijnwater/Good%20Practice%20Guide.pdf I.M. Kutasov and M. Kagan, Temperature rise around a wellbore filled with nuclear waste, 23rd NRZ Geothermal Workshop 2001 Alan Jessop, GEOTHERMAL ENERGY FROM OLD MINES AT SPRINGHILL, NOVA SCOTIA, CANADA, http://www.saaep.ca/geothermalenergy.pdf, Stand: 25.07.2010 S. Hirschberg (Paul Scherer Institut), A. Voß (Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieanwendung), Nachhaltigkeit und Energie: Anforderungen der Umwelt 27.07.2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 29 29

Jasmin Amm & Garnet Hunke Quellenverzeichnis www.bgr.bund.de, Stand: 24.07.2010 www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de; Stand: 12.07.2010 www.bmu.de, Stand: 12.07.2010 www.geothermie.de, Stand: 22.07.2010 www.la-ola.de, Stand: 22.07.2010 www.heimat-pfalz.de, Stand: 22.07.2010 www.vattenfall.de, Stand: 12.07.2010 http://nuv-online.de/?p=486, Stand: 12.07.2010 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke

Jasmin Amm & Garnet Hunke Backup 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 31

Jasmin Amm & Garnet Hunke Scaling Is caused by carbonates due to pressure and temperature differences. A dedicated sensor monitors the build-up of scale. However, the low pH value of the water restricts this problem. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 32

Why pumping a closed mine? When coal mines are closed, there is clearly no revenue stream from coal sales and the expense of pumping water becomes a burden. However, if the pumping is simply stopped there will sooner or later be a problem; usually after several years the water starts to rebound and the water level re-establishes itself. This poses an environmental problem and may even threaten some of the mining villages. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 33

Jasmin Amm & Garnet Hunke Korrosion Mine water usually contains substantial quantities of dissolved iron (pyrites). This reacts with oxygen to form ferrous oxides and hydroxides. A possible solution may be to prevent the infiltration of oxygen by sealing the wells with oil (several metres thick) floating on top of the mine water within the wellbores. An ‘oxygen-scavenger’ injection device may be installed in future in the production well. 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 34

Jasmin Amm & Garnet Hunke Daten des 2D- Modells (2) covers a total area of 4.5 km² represents one 50-m-thick layer of rocks in the deeper part of the abandoned workings of the Piast mining field has 1632 grid blocks layer dips to the west at an angle of 23° 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 35 35

Some limitations of the model lack of confining beds supplying the reservoir with heat refinement of the grid and extension to 3-D structures need to be improved 27.07.2010 Jasmin Amm & Garnet Hunke 36 36