Ernst Huenges GeoForschungsZentrum Potsdam

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1 Ernst Huenges GeoForschungsZentrum Potsdam
Geothermische Bereitstellung von Strom, Wärme oder Kälte Strom: Groß Schönebeck Wärme, Kälte: Parlamentsbauten Ernst Huenges GeoForschungsZentrum Potsdam

2 Geothermische Energie
Chancen: umweltfreundlich saison- und tageszeitunabhängig ressourcenschonend mit großem Potenzial auch in unseren Breiten 1904 Larderello, Italien: nach Lund (Geo-heat center, Oregon)

3 In Tiefbohrungen gemessene Temperaturen
In Tiefbohrungen gemessene Temperaturen. Laderello und Reyjanes repräsentieren Hochenthalpiefelder und Soultz sous Forets sowie Groß Schönebeck die normale geothermische Situation in Mitteleuropa, d.h. Technologien hier entwickelt lassen sich auf viele Standorte übertragen. In Island arbeiten wir an einem Projekt zur Nutzung überkritischer Wässer in der Tiefe, d.h. jenseits der Kochkurve am Tiefsten Punkt.

4 Bereitstellung von ca. 9 GWelektr. und ca. 18 GWtherm
Bereitstellung von ca. 9 GWelektr. und ca. 18 GWtherm. aus Geothermie weltweit Bedarf an geothermischer Technologie für „non hot spots“

5 Planungen in den USA (DOE 2007)

6 Suitable for reservoir
Basaltic rocks IS Unterhaching Landau Groß Schönebeck Cooper Basin AU Soultz-sous Forets Potentially commercial Commercial productive hydrothermal HotDry Rock Suitable for reservoir enhancement* High natural permeability Zero *Mechanical, chemical, or thermal stimulation, directional drilling etc. mod.from USGS

7 Entwicklung geothermischer Technologien
Prinzip Thermalwasserkreis ~ °C, ~ km tief Nutzung Organic Rankine oder Kalina Cycle Herausforderung: das Reservoir finden Helmholz bearbeitet diese Themen beispielhaft am Standort Groß Schönebeck. erschließen und stimulieren die Wärme effizient fördern und wandeln

8 Hydrothermale Ressourcen in Deutschland
Gebiete mit hydrothermalen Energieressourcen Gebiete mit potenziellen Gebiete ohne nachgewiesene hydrothermale Energieressourcen Grundgebirge ohne oder unter geringer Sedimentbedeckung Rostock Berlin Hannover Köln München Stuttgart Hamburg Leipzig Dresden N o r d d e u t s c h e s B e c k e n Thüringisches Becken Bayrisches Molassebecken Altheim Neustadt-Glewe Groß Schönebeck Basel Soultz Landau Ober- Rhein- graben Frankfurt Unterhaching Groß Schönebeck liegt im Norddeutschen Becken.

9 I-GET Experiment, Site Groß Schönebeck
profile line Entwicklung neuer kostengünstiger und zuverlässiger Erkundungsmethoden für tiefe geothermische klüftige und wasserführende Reservoire in metamorphen, vulkanischen & sedimentären Lagerstätten Europas Karte: Ausslage der Schußpunkte bei Groß Schönebeck (lange Profillinie in rot, Sternauslage in blau). Foto: Bohrung für die Sprengseismik (Tiefe ca. 20 m; Januar 2006 bei Groß Schönebeck).

10 Forschungsstandort Groß Schönebeck
2 Forschungsbohrungen im Sedimentgestein in 4.3 km Tiefe bei 150 °C Was wurde gemacht und erreicht: erfolgreiche Stimulation der Speichergesteine durch „hydraulic- fracturing“ in 1.Bohrung 2. Bohrung mit neuem Erschließungs- konzept (großer Durchmesser, geneigter Verlauf und speicherschonender Aufschluss) Ziel: Nachhaltige Zirkulation mit heißem Tiefenwasser, Steigerung bis zum wirtschaftlich nutzbaren Bereich Die Arbeiten an der Bohrung Groß Schönebeck 3/90 waren erfolgreich.

11 Produktivitätssteigerung (hydraulic fracturing)
Erzeugung einer Zone erhöhter Permeabilität Vergrößerung des scheinbaren Bohrlochradius Überwindung ev. geschädigter Übergangszone im Nahbereich der Bohrung Verbesserung der Zuflussbedingungen

12 waterfrac Nov/Dec 2003  HP triplex pumps  80 l/s bei 500 bar  4000 kW  wellbore completion  frac string installation  1500 m³ storage  acidization  filter systems

13 production test Groß Schönebeck 1.12.03
productivity index ~ 14 m³/(h MPa) @ fracture opening/closure pressure enhanced from 0.6 m³/(h MPa)

14 Beginn der zweiten Tiefbohrung in Groß Schönebeck
Beginn der Bohrung am 26. April Fotos von der Eröffnungsfeier am 4. Mai 2006 c Geothermal Education Office

15 Komplettierung des Geothermielabors Groß Schönebeck
Drilling challenges › großer Durchmesser › „balanced drilling“ › gerichtetes Bohren Richtbohrkonzept

16 Drilling Performance ROP much less than expected:
significantly larger diameter Insufficient pumping capacity improper bit selection 16“ PDC-bit after drilling of 7m unexpectedly abrasive sandstone

17 Drilling problems Total fluid loss during cementation of casing 16“ x 13 3/8“ (density 1450 kg/m³) To prevent thermally induced casing damage (during production) => squeeze cementation from top - down

18 Drilling problems 9 5/8“ liner collapsed after reduction of the mud density from 2000 kg/m³ to 1060 kg/m³ Ovality 8 mm Causes not yet clear: Design – according to the rules with an overburden pressure gradient of 2,3 Casing material – certified quality Anisotropic stress due to well inclination of about 20° in connection with anhydrite content of the salt?

19 Remedy for the collapse
Replacement of the collapsed 9 5/8“ liner by a 7“x7 5/8“ liner after sidetracking Repeated attempts (4 times) to set the mechanical anchor of the whipstock required the modification of the anchor for a reliable operation in mud with 40% baryte content

20 Remedy for the collaps Loss of one casing dimension:
Adjustment of the borehole design 5 7/8“ drilling of the Rotliegend section Running and cementing of a combined 5“ liner with an uncemented section of preperforated pipes at the bottom.

21 Ausbau Geothermielabor Groß Schönebeck
Vor uns liegende Ziele: 1. Fündigkeit für kW-Kraftwerk 2. Nachweis der Nach- haltigkeit (Zirkulation)

22 Geothermische Stromerzeugung

23 Wie wird ein Geothermievorkommen am effektivsten genutzt?
Binäranlagen Einsatzgebiet Temperatur & Druck des Thermalwassers Mineralisation des Thermalwassers Verfügbare Systeme Organic Rankine Cycle (ORC) Kalina Kreislauf Leistungsbereich 0,1 – 5 MW Unabhängig von Saison, Wetter und Tagesgang Wie wird ein Geothermievorkommen am effektivsten genutzt? Köhler 2005

24 Wirkungsgrade geothermischer Kraftwerke
Köhler 2005

25 Ausgangssituation Wärmequelle Temperatur 100°C – 200°C
Massenstrom 50 – 200 m³/h (~14 – 55 kg/s) Begrenzte Wärmeleistung ~ 5 to 50 MWth pro Bohrung Sensible Wärme Ziel Elektrische Energie Wirkungsgrad Weg Systeme Auslegung & Freiheitsgrade Eignung der Systeme

26 ORC im Temperatur-Entropie-Diagramm
Köhler 2005

27 Kalina KCS 34 Schema Köhler 2005

28 Kalina Wärmeübertragungsdiagramm
Köhler 2005

29 Systemwirkungsgrad ORC & Kalina
0 – 10 %

30 Abschätzung der Generatorleistung

31 Energie = Exergie + Anergie
Exergie = (reversibeler Prozessanteil) universell umwandelbar Anergie = (irreversibel Prozessanteil) nicht in Exergie umwandelbar Anergieanteil Braunkohle: 65 % Geothermie: 50 – 80 % h = Generatorleistung/(m(h-ho-To (s-so)) To Umgebungstemperatur s-so Entropieproduktionsstrom

32 Abschätzung der Erträge
Wasserkühlung Ohne Kühlturm 8000 Volllaststunden Vergütung nach EEG (0,15 €/kWh) Betriebskosten nicht berücksichtigt

33 Thermische Untergrundspeicher in Energiesystemen (Parlamentsbauten)
Optimierung der Einbindung der Aquiferspeicher in die Wärme- und Kälteversorgung der Parlamentsbauten im Berliner Spreebogen 19°C 12°C Speicherung von thermischer Energie im Untergrund (Aquifere) Die Speicher sind wesentlich flacher als geothermische Reservoire (im Normalfall deutlich weniger als 1 km Tiefe, Reichstag ca. 300 m Wärmespeicher, angedeutet durch rote Markierung; ca. 70 m Kältesepeicher, angedeutet durch blaue Markierungen) Thermische Untergrundspeicher in Energiesystemen (Parlamentsbauten) 4 deutsche Partner (TU Berlin, GTN, Universität Lüneburg,Bundestagsverwaltung) Gesamtbudget Teilprojekt 1: € (GFZ €) Laufzeit 3 Jahre (09/2005 – 08/2008) Aufgaben GFZ: Koordination Nutzerbedarf und -verhalten Numerische Modellierung Erstellung und Analyse Gesamtsystem Berichtgebung Im Untergrund können aber auch andere Stoffe wie CO2 dauerhaft gespeichert werden.

34 Stromgeführte KWK: Beispiel Parlamentsbauten
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Wärmeleistung (kW) Zeitdauer in h/a MHKW- Wärme Gesamtwärmebedarf maximale MHKW- Wärme bei kompletter Deckung des Strombedarfs MHKW- Wärme in den Speicher Wärme aus dem Wärme aus Spitzenlastkessel Direktnutzung der Abbildung01

35 Verhalten der Aquiferspeicher
Be- und Entladung

36 Wärmespeicher Energiemengen und Rückgewinnungsgrad

37 Der energieeffiziente Betrieb von Versorgungssystemen mit Aquiferspeichern verlangt die Entwicklung moderner Einsatzstrategien

38 Oberflächennahe Geothermie
Erfolgsstory: Zurzeit ca. 1 GWtherm installiert; Anlagen, davon neue im Jahre 2006, das entspricht jedem 10. Neubau Saisonale Untergrundspeicherung von Wärme und Kälte in mehreren Beispielen eindrucksvoll demonstriert (z.B. Spreebogen, Rostock,.) Einsatz von Wärmepumpen notwendig; Jahresarbeitszahlen= Nutzwärme zu Pumpenergie liegen bei 3 Luft und 4 Erde Integration saisonale Untergrundspeicherung in Versorgungsstrukturen mit Berücksichtigung der spezifischen Be- und Entladecharakteristik

39 Tiefe Geothermie (Stand/ Tendenzen)
Tiefe Geothermie bietet die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte in der Grundlast Technik wird demonstriert für Wärme in Waren, Neustadt Glewe, Erding, Straubing, Unterschleißheim, Riem, Weinheim u.a., Strom in Neustadt Glewe Nach Brancheneinschätzung befinden sich ca. 50 Anlagen > 10 MWtherm in der Ausbauplanung zur Bereitstellung von Strom und/oder Wärme Herausforderungen durch hohe Anfangsinvestitionen und Bohr- sowie Fündigkeitsrisiken

40 Tiefe Geothermie Unterhaching 2004 Groß Schönebeck 2001 Landau 2005
Forschung und Entwicklung erforderlich in Planungssichere Erkundung Innovativen Bohrtechnologien mit Reduktion von Energie- und Materialverbrauch Technologien der hydraulischen Stimulation geothermischer Lagerstätten Effiziente Energiewandlung (z.B. Niedertemperaturwärme in Strom und Kälte) Demonstration der Technik in verschiedenen geologischen Umgebungen Weiterentwicklung von Technologien, die nicht auf geothermische Anomalien beschränkt sind mit dem Ziel der Übertragbarkeit und Entwicklung der Exportfähigkeit

41 Schlüsselprojekte der Geothermie
International National In situ geothermal laboratory Groß Schönebeck (1) Development of technologies for the allocation of base load energy from geothermal resources (2) Feasibility of geothermal power production from deep sedimentary hydrothermal resources I-GET: Integrated geophysical explo-ration technologies for deep fractured geothermal systems (STREP) Integration of aquifer storage beneath the German Parliament into the energy provision system – optimisation of aquifer integration into the heating and cooling system of German parliament buildings ENGINE: Enhanced geothermal innovative network for Europe (Coordination Action) LOWBIN: Efficient low temperature geothermal binary power (STREP) HITI: High Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation

42 EU-Projekt HITI HIgh Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation Entwicklung und Bau von Prototypen von Messinstrumenten für heiße Bohrungen Methodenentwicklung zur Beobachtung tiefliegender geothermischer Reservoire Die Technologie für sehr heiße Reservoire steht noch nicht vollständig zur Verfügung. HITI wurde beantragt, um Meßinstrumente für IDDP zu entwickeln. Foto: RN-17 Beginning of the first IDDP well. 12. November 2004 Quelle: IDDP u.a.

43 EFFICIENT LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL BINARY POWER (LOWBIN)
Entwicklung und Bau von Prototypen Niedertemperatur Rankine Cycle (Thermalwasser < 80°C) Kombinierte Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme (Gesamtwirkungsgrad > 90 %) Die Wandlung der Wärme in elektrische Energie erfolgt in Niedertemperaturkraftwerken. Entwicklung und Bau von Niedertemperatur Heizkraftwerken in Zusammenarbeit mit der Industrie und europäischen Forschungsinstituten. Foto: Vorwärmer und Verdampfer des geothermischen Kraftwerkes in Altheim (während der Bauphase, noch nicht isoliert). Wärmeübertrager sind dich wichtigsten Komponeten in geothermischen Kraftwerken. Auslegung und Materialauswahl sind wesentliche für die Effizienz und den dauerhaft zuverlässigen Betrieb der Anlagen. POLITECNICO DI MILANO (Polimi)

44 EU-Projekt ENGINE Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe (ENGINE) Zusammenführung und Ver- netzung europäischer For- schungsaktivitäten Förderung der Entwicklung innovativer geothermischer Technologien, um das nutzbare Potenzial geothermischer Energie zu erweitern Aufzeigen von Hemmnissen und Risiken, die einer breiten Nutzung noch entgegenstehen Definieren von Forschungs- bedarf und Vorbereiten neuer Forschungsprojekte Der Sachstand Geothermische Technologie wird in dem europäischen Netzwerksprojekt ENGINE zusammengetragen.