Von Charlotte Hoblitz, 4. Semester RE² Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck Von Charlotte Hoblitz, 4. Semester RE²

Gliederung Standort Groß Schönebeck Das Projekt: In situ Geothermielabor Groß Schönebeck Reservoircharakterisierung Langzeit-Pumptest Stimulationsexperimente Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac Geophysikalische Untersuchungen Bohrlochmessungen Energieverfahrenstechnik Zusammenfassung & Ausblick Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Standort: Groß Schönebeck Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Das Projekt: In situ-Geothermielabor Gross Schönebeck Forschungslabor mit 4300 m tiefer Bohrung in dem verschiedenste Versuche zur Nutzung der Tiefengeothermie durchgeführt werden. Betreiber: Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ-Potsdam) Kriterien zur Wahl des Standortes: Temperatur oberhalb von 120°C Große regionale Verbreitung der Gesteine Aufschluss verschiedener Gesteinsformationen Intensiv erkundete Gas- und Erdölbohrungen Verbreitung regional: Übertragbarkeit auf andere Standorte Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Das Projekt: In situ-Geothermielabor Gross Schönebeck Untersuchung aller Stufen des Gesamtprozesses zur Vergleichbarkeit mit anderen Standorten (im Norddeutschen Becken) Entwicklung von Strategien zur Stimulation tiefer Aquifere Alle Stufen: von der Erschließung des Reservoirs bis zur Energiewandlung im Kraftwerk Stimulation: Geothermie Nutzung an Standorten an denen Energie benötigt wird  weitgehende Standortunabhängigkeit Erhöhung der Durchlässigkeit durch hydraulisches Aufbrechen des Gesteins Unterer Teil der Bohrung ist offen (letzten 150-200 m) Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Das Projekt: In situ-Geothermielabor Gross Schönebeck 2000-2001 Erschließung, Öffnung, Vertiefung der Bohrung 2001 Charakterisierung Ausgangszustand (Primärtest) 2002 Erste Stimulation in der Sandsteinschicht: Stützmittelfrac Langzeitpumpversuch 2003 Stimulation von Sand- und Vulkanitgesteinen mittels Wasserfracs 2002-2003 Untersuchungen während der Stimulation 2005 Bohrung einer neuen über 4000 m tiefen Bohrung Danach Kommunikationsexperiment 2007 Stimulation der neuen Bohrung und Leistungstests 2011 Errichtung eines Forschungskraftwerk Wärme: 10 MW, Strom: 0,75 MW Stützmittelfrac: Gel wird unter Druck in den Untergrund gegeben und mit leitfähigen Stützmitteln erzeugte Risse abgestützt (gute Lochkenntnisse) Wasserfrac: Wasser wird unter Druck in der Untergrund gegeben und durch Scherkräfte setzen die Gesteinsschichten versetzt auf und bilden Risse Wasserfrac Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Reservoircharakterisierung Ermittlung einer konkreten Vorstellungen der Struktur und Durchströmeigenschaften Hauptwasserzufluss aus den Vulkaniten Erstmals hydraulischer Nachweis eines Risses an der Bohrung Kanäozoikum: Quartär, Neogen, Paläogen 1492 m Zechstein, 2370 m Sedimentgestein, Rotliegendes ab 3188,1 bis 4294 m Tiefe, danach Vulkanitgestein Rotliegend: besteht u.a. aus 203 m Silitstein, 209 m Sandstein, Temperatur: 148,8°C in 4294 m Tiefe Rotliegend: Unter- und Mittelperm, rot gefärbten Gesteinen Rotfärbung: Sandsteinschichten mit feinverteilte Hämatit-Schüppchen (Roteisenstein), verweist auf die Ablagerung im heißen Klima. Zechstein: Perm, Ablagerung des Kupferschiefers, Stein- und Kalisalze, Anhydrit (Gips mit Mischung mit Wasser) Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Langzeit-Pumptest Von August bis September 2002 Untersuchung der Veränderungen nach der ersten Stimulation Ermittlung einer optimalen Zusammensetzung des Stimulationsfluids Verwendung: Tiefenwässer aus Rotliegend Typische Kennwerte für Rotliegend-Fluide Salinitäten von ca. 260 g/l pH-Wert um 6 Hauptbestandteile: Ca, Na, Cl Metalle: Eisen, Mangan, Blei, Zink, Kupfer Generell ist eine geothermische Nutzung der Fluide möglich Achten auf chemische Wechselwirkungen: z.B. können Eisen- gehalte und O2-Eintrag zu Schädigungen am Speicher führen Mineralausfällungen (Kalzit, Fluiorid, Galenit): vermutlich durch elektrochemische Prozesse beim Betrieb der elektrischen Pumpe  Berücksichtigung bei zukünftigen Planungen Primärfördertest 2001 Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Stimulationsexperimente Vortest: Hydraulische Stimulation der Rotliegendgesteine mit 1 und 9 l/s  Erkenntnisse über druckabhängige Reaktion der Formation 1. Wasserfrac im offenen Bohrloch Erweiterung der Experimente auf gesamten offenen Abschnitt Anschließung der Konglomerat- und Vulkanitschichten Injektion mit 3-24 l/s über 3 Tage Danach Erhöhung auf 80 l/s für 8 h Bestimmung der Produktivität in Rückförderungsphase (Injektionstest) Haupttest: Durch 3 Brunnen mit Konditionierungsanlage und speziellen Behältern von 1500 m³ realisiert Wasserfracs: Korrekturen während Stufenweiser Änderung möglich, technisch einfacher zu realisieren Stabilität im offenen Bohrloch gefährdet, chemische Veränderungen im Reservoir Erhöhung: Nicht möglich, da Verstopfung des Bohrlochs  ökonomisch nicht mehr möglich nachzuholen Offenes Bohrloch Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Stimulationsexperimente Ergebnisse: Steigerung Produktivität um Faktor 3 bis 4 gegenüber der Ausgangssituation Nicht anhaltend: Verstopfung des Bohrlochs durch Nachfall aus der Bohrlochwand Weiterführung der massiven Stimulation und geplante Nachnutzung nur in gesicherter Bohrung mithilfe eines Liners Zusätzliche Vertie- fung des Bohrlochs Nachfall: durch hydraulische Wechselbelastungen der Ton- und Sandsteine Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Stimulationsexperimente 2. Wasserfrac im gesicherten Bohrloch Änderung des Injektionsfluids Stufentest bis max. 30 l/s Hauptsimulationsphase: 30 l/s Ergebnisse: Produktivitätstest Risse (max. Rissausdehnung) mit Vertikaler Höhe von ca. 100 m Durchschnittliche Öffnungsweite ca. 5 m Seitliche Ausdehnung: ca. 160 m Verschiedene technische Schwierigkeiten führten zu nicht vorgesehenen Einflüssen und unvorhersehbaren Ereignissen Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Produktionstest nach dem 2. massiven Wasserfrac Kontrolliertes Experiment: Mehrere Stunden lang Förderung von Formationswasser mit stufenweiser Erhöhung der Fließraten Produktivitätsindex: Ergebnisse der Stimulationen Stabilisierung des Bohrlochs mittels Liner bzw. Meidung von Stimulationen in offenen Bohrlöchern Mindestproduktivität für ökonomische Nutzung: 0,5 l/s*bar Nicht als Förderbohrung geeignet Ziel erreicht aber nicht im ausreichenden Maße Stützmittelfrac 1. Wasserfrac 2. Wasserfrac 0,035 l/s*bar 0,057 l/s*bar 0,11 l/s*bar Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Geophysikalische Untersuchungen Ermittlung von Informationen über die Untergrundstruktur über elektrische Widerstände und Spannungen Methoden Seismische Messungen: Detektion seismischer Aktivitäten Magnetotellurische Messungen: Messung elektr. Widerstand Vertikal-Elektroden-System: Messung elektr. Widerstand Keine Veränderungen vor und nach der Stimulation erkennbar Gründe: Größeres Injektionsvolumen notwendig Wellenausbreitung durch darüber liegende Sedimentschichten gedämpft Hoher elektromagnetischer Störpegel (Maschinen u.ä.) Injektionsfluid hat sich mit Formationsfluid gemischt und wurde aufgesalzen  Zu geringer Leitfähigkeitskontrast Genereller Forschungsbedarf für alle Methoden Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Bohrlochmessungen Das Bohrloch wurde bei der Stabilisation vor dem 2. Wasser- frac auf 4309 m vertieft Notwendigkeit der Charakterisierung der neuen Gesteinsschichten und gleichzeitig Erfassung der Veränderungen nach den Stimulationen Erfasst wurden u.a.: Druck und Temperatur in der Bohrung elektrisches Potential und Leitfähigkeit, Aufbau der Lithologie und der Gehalte der Gesteine Genutzte Verfahren waren fast durchweg erfolgreich und können für ähnliche Strukturen ebenfalls genutzt werden Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Energieverfahrenstechnik Materialauswahl für Erzeugungsanlage Langzeitstabile Auslegung der Komponenten Für heiße, salzhaltige und gasführende Fluide Auslegung zu Energieeffizienz und konstruktivem Aufwand Einflussgrößen Temperatur, Zusammensetzung (Salz, Gas), Anlagengestaltung, Kosten-Nutzen-Verhältnis Geeignet erscheint eine ORC-Anlage oder eine Kalina-Anlage, je nach Ansprüchen an Rücklauftemperatur und Wirkungsgrad  Fast alle Komponenten auf dem Markt erhältlich (außer Überwachungs-Sensoren im Fluidkreislauf) Temperatur: Fördert Korrosivität im Zusammenspiel mit anderen Stoffen Zusammensetzung: Gas: CO2  Kalkausfällung, Methan  explosive Mischungen, etc. Kalina: Wirkungsgrad 10–60 % höher als bei ORC, hohe Rücklauftemperatur, hoher technischer Aufwand Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Zusammenfassung & Ausblick Erhöhung der Fließrate wurde mittels Stimulation erreicht Bohrlochmessungen konnten einen großen Riss nachweisen Richtwerte für die Auslegung einer Geothermieanlage ermittelt Weitere Experimente und Planungen nach der Stimulation Die vorhandene Bohrung soll als Schluckbohrung verwendet werden Eine neue Bohrung wurde als Förderbohrung durchgeführt Ein Kommunikationsexperiment wurde durchgeführt Errichtung einer Demonstrationsanlage Kommunikationsexperiment: Beobachtung der Zirkulation zwischen beiden Bohrungen Demonstrationsanlage: Wirtschaftlichkeit steht im Vordergrund, ab 2011 systematische Untersuchung energie- und verfahrenstechnischer Fragestellungen Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Zusammenfassung & Ausblick Generelle Aussagen Injektionstests liefern aussagekräftige Ergebnisse zur Produktivität Vollständige Verrohrung des Bohrlochs in Rotliegend Gesteinen für die Geothermie Nutzung empfehlenswert Keine nachhaltige schädigende Wirkung der Injektionsfluide erkennbar Bildung gut leitender Risse mittels Wasserfracs Stärkerer Einbezug von Vulkaniten in zukünftige Betrachtungen Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13

Literatur Experimente zur Produktivitätssteigerung in der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck 3/90; Huenges, E.; Winter, H.; 2004 Strom aus Erdwärme in Deutschland am Beispiel der GFZ- Forschungsbohrung Groß Schönebeck; Huenges, E. http://de.wikipedia.org/wiki/Rotliegend http://www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/ausgaben/ep200504/0405_geothermie.html Flyer Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck, Helmholtz Institut  http://www.geothermie- dialog.de/index.php?option=com_content&view=article&id=10&Itemid=25  http://www.helmholtz.de/gb11/energie/projekte_aus_der_forschung/geothermie_im _langzeittest  http://www.gfz-potsdam.de/portal/- ;jsessionid=FCCB45E64920BCEB820CE267BB3E0079?cP=sec52.content.detail&$part =CmsPart&docId=1793765&$event=display  http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Energie/Projekte/abgeschlossen/geothermie- GrossSchoenebeck.html http://www.geothermie.stadt.sg.ch/projekt/tiefbohrungen/bohrkonzept.html#.Uf51xK yGdqY http://de.wikipedia.org/wiki/Geologische_Zeitskala Stimulationsexperimente und hydraulische Untersuchungen in den Vulkaniten der Bohrung Groß Schönebeck; Tischner, T.; 2004 Von Charlotte Hoblitz Geothermie Forschungsbohrung Groß Schönebeck Geothermie SS13