Überkritische Fluide in geothermischen Systemen Forschungsausblick mit Beispiel des Iceland Deep Drilling Project (IDDP)

Gliederung Thermodynamische Betrachtung der Überkritikalität Geothermische Systeme in großen Tiefen – überkritische Fluide Das Iceland Deep Drilling Project (IDDP) Zusammenfassung 26.07.2012 Manuela Wunderlich

1. Thermodynamische Betrachtung der Überkritikalität 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Kritischer Punkt Kritischer Punkt von Wasser: 374,12°C, 212,2 bar 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Überkritikalität Überkritisches Wasser: keine Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase Neue Stoffeigenschaften, z.B. hohe Dichte (Flüssigkeitseigenschaft) Folge: höhere spezifische Enthalpie Effussion möglich (Gaseigenschaft) Salvatisierung möglich (Flüssigkeitseigenschaft) sehr niedrige Viskosität ( Umgang!) 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Spezifische Enthalpie steigt mit T fällt leicht mit p höherer Energieinhalt 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Kompressionsmodul 200-mal kleiner als in kalten Aquiferen  mehr Gesteinsdeformation 26.07.2012 Manuela Wunderlich

2. Geothermische Systeme in großen Tiefen – überkritische Fluide 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Überkritisches Wasser in geothermischen Systemen Hohe Temperaturen und hoher Druck möglich in großen Tiefen warme Aquifere durch Einfluss von Magma (Magmakammern) Anzeichen z.B. Erdbeben, Vulkanismus Untersee-Reservoirs Fluidzusammensetzung: kein reines Wasser, sondern Wasser, Salze und Gase Genaue Zusammensetzung unbekannt, ähnliche Eigenschaften erwartet 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Wo sind überkritische Fluide? Voraussetzung für das geothermische System: genügend hoher Druck und Temperatur Beispiel: Untersee-Reservoirs v.a. an Plattengrenzen Anzeichen: hydrothermale Quellen („Schwarzer Raucher“) Wasser verlässt Schlote mit 350-400°C 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Modellierung Druckänderung mit Höhe Enthalpie-änderung mit Höhe Anfangs/Randbedingungen: 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Modellierung (II) Integration in Schritten von 1 m Berechnung der Temperatur aus Druck und Enthalpie jeder Stufe Druck an der Oberfläche 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Modellierung (II) Integration in Schritten von 1 m Berechnung der Temperatur aus Druck und Enthalpie jeder Stufe Temperatur an der Oberfläche 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Elektrische Leistung Zum Vergleich: Dampf, Oberflächen-druck 25 bar, Reservoirdruck 30 bar, gleicher Volumenstrom 5 MW el. Leistung Faktor 10 niedriger 26.07.2012 Manuela Wunderlich

3. Das Iceland Deep Drilling Project 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Iceland Deep Drilling Project Im Jahr 2000 gegründet Träger: Isländisches Energiekonsortium Untersuchung dreier geothermischer Felder: Krafla Nesjavellir/Hengill Reykjanes (Salzwasser) 26.07.2012 Manuela Wunderlich

26.07.2012 Manuela Wunderlich

Ziele des IDDP Machbarkeitsstudie für die Erschließung sehr tiefer geothermischer Reservoirs in Island  Verwendung von überkritischem Wasser als Grundlage  Suche nach geothermischen Gebieten mit überkritischen Bedingungen Weiterentwicklung der Technologien Ökonomische und wissenschaftliche Studie 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Schwierigkeiten Zum Projektbeginn keinerlei Informationen über physikalische und chemische Eigenschaften der Fluide in dieser Tiefe Fluide müssen zur Untersuchung entnommen werden Aber: Materialentnahme  Korrosion, Ablagerung von Feststoffen im Aquifer ?  „the pipe“ 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Vorgehen 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Vorgehen (II) Tiefe des Bohrloches: 3,5 bis 5 km Bohren in mehreren Abschnitten Trennung von subkritischer und überkritischer Phase Durchmesser von ca. 80 bis 18 cm abnehmend 26.07.2012 Manuela Wunderlich

„The pipe“ Schmales Rohr wird ins Bohrloch eingelassen Durchmesser ca. 10 cm Stabilisierung des Bohrlochs Fluidentnahme durch das Rohr 26.07.2012 Manuela Wunderlich

IDDP-1 in Krafla Reale Bohrung Vorhaben Ab Nov. 2008: ∅ 80-47 cm bis 800 m ü Dez. 2008 – Feb. 2009: ∅ 42 cm bis 1200 m ü Bohrunterbrechungen bis Mai 2009 Mit ∅ 34 cm bis 2040 m; erfolglose Bohrkernentnahme 24.Juni 2009: Aufgabe bei 2104,4 m Vorhaben 2400 – 3500 m: ∅ 24 cm 3500 – 4500 m: ∅ 18 cm (bis Juli 2009) 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Ende von IDDP-1 24. Juni 2009: Eindringen heißer Magma in das Bohrloch (20 m Obsidian) Magmakammer weniger tief als berechnet Aufgabe der Bohrung Magma in 2104 m Tiefe: ca. 1050°C Grund für mangelnde Stabilität des Bohrlochs Verschließen des Bohrlochs mit Zement 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Zukunftsausblick IDDP-1: weitere Untersuchungen zur Nutzung des geothermischen Fluids geplant (flow tests) Phase 1: Zusammensetzung Phase 2: Kapazität Phase 3: Testkraftwerk 2013-2015: neue Bohrung in Reykjanes (IDDP-2) geplant Nesjavellir/Hengill (IDDP-3): einige Jahre später 26.07.2012 Manuela Wunderlich

4. Zusammenfassung 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Vorteile durch Nutzung überkritischer Fluide Höherer Energieinhalt Höherer Massenstrom durch höheren Druck Zehnmal höherer Ertrag möglich im Vergleich zu herkömmlichen geothermischen Systemen Durch Tiefenbohrung weniger Flächenverbrauch 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Nachteile durch Nutzung überkritischer Fluide Für hohe Temperaturen und Drücke Spezialanfertigungen für Werkzeuge und Maschinen notwendig Tiefbohrungen sehr teuer Zu wenige Kenntnisse über Verhältnisse in großer Tiefe Technologien zum Umgang mit überkritischen Flüssigkeiten müssen noch (weiter)entwickelt werden 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Fazit Nutzung überkritischer geothermischer Systeme im Bereich aktueller Forschung Momentan noch keine wirtschaftliche Nutzung möglich Aussichten auf zehnmal höhere Erträge werden zu weiterer Untersuchung führen 26.07.2012 Manuela Wunderlich

Quellen Suárez Arriaga M. und Samaniego V. F. (2012), „Deep geothermal reservoirs with water at superscritical conditions“, Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford Albertsson A. et al. (2003), „Iceland Deep Drilling Project – Part III – Fluid Handling, Evaluation and Utilization“, IDDP Feasibility Report Fridleifsson G. (2003), „Iceland Deep Drilling Project: Deep vision and future plans“, International Geothermal Conference, Reykjavík Elders W. und Fridleifsson G. (2010), „The Science Program of the Iceland Deep Drilling Project (IDDP): a Study of Supercritical Geothermal Ressources“, World Geothermal Congress, Bali Fridleifsson G. et al. (2010), „Iceland Deep Drilling Project – 10 Years later – Still an Opportunity für International Collaboration“, World Geothermal Congress, Bali http://www.iddp.is http://www.techniklexikon.net/images/l2621_mollier-diagramme.gif http://langlopress.net/homeeducation/resources/science/content/support/illustrations/Chemistry/Water%2520Phase%2520Diagram-bl.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid 26.07.2012 Manuela Wunderlich

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