Überkritische Fluide in geothermischen Systemen

1. Überkritische Fluide in geothermischen Systemen Forschungsausblick mit Beispiel des IcelandDeep Drilling Project (IDDP)

2. Gliederung • Thermodynamische Betrachtung der Überkritikalität • Geothermische Systeme in großen Tiefen – überkritische Fluide • Das IcelandDeep Drilling Project (IDDP) • Zusammenfassung Manuela Wunderlich

3. 1. Thermodynamische Betrachtung der Überkritikalität Manuela Wunderlich

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

5. 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!) Manuela Wunderlich

6. Spezifische Enthalpie • steigt mit T • fällt leicht mit p • höherer Energieinhalt Manuela Wunderlich

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

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

9. 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 Manuela Wunderlich

10. 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 Manuela Wunderlich

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

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

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

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

15. 3. Das IcelandDeep Drilling Project Manuela Wunderlich

16. IcelandDeep Drilling Project • Im Jahr 2000 gegründet • Träger: Isländisches Energiekonsortium • Untersuchung dreier geothermischer Felder: • Krafla • Nesjavellir/Hengill • Reykjanes (Salzwasser) Manuela Wunderlich

17. Manuela Wunderlich

18. 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 Manuela Wunderlich

19. 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 ?  „thepipe“ Manuela Wunderlich

20. Vorgehen Manuela Wunderlich

21. 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 Manuela Wunderlich

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

23. IDDP-1 in Krafla Vorhaben Reale Bohrung • 2400 – 3500 m: 24 cm • 3500 – 4500 m: 18 cm (bis Juli 2009) • 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 Manuela Wunderlich

24. 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 Manuela Wunderlich

25. Zukunftsausblick • IDDP-1: weitere Untersuchungen zur Nutzung des geothermischen Fluids geplant (flowtests) • 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 Manuela Wunderlich

26. 4. Zusammenfassung Manuela Wunderlich

27. 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 Manuela Wunderlich

28. 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 Manuela Wunderlich

29. 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 Manuela Wunderlich

30. Quellen • Suárez Arriaga M. und Samaniego V. F. (2012), „Deep geothermal reservoirswithwateratsuperscriticalconditions“, Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford • Albertsson A. et al. (2003), „IcelandDeep Drilling Project – Part III – Fluid Handling, Evaluation andUtilization“, IDDP Feasibility Report • Fridleifsson G. (2003), „IcelandDeep Drilling Project: Deepvisionandfutureplans“, International Geothermal Conference, Reykjavík • Elders W. und Fridleifsson G. (2010), „The Science ProgramoftheIcelandDeep Drilling Project (IDDP): a Study ofSupercritical Geothermal Ressources“, World Geothermal Congress, Bali • Fridleifsson G. et al. (2010), „IcelandDeep Drilling Project – 10 Yearslater – 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 Manuela Wunderlich

31. Danke für Eure/Ihre Aufmerksamkeit!