Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges

1. Geothermische Stromerzeugung- vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges 16.03.2010

2. CO2-Emissionen heute: • Ca. 5000 fossil gefeuerte Kraftwerke weltweit  11 Gigatonnen/Jahr (IPCC 2005) • davon in D  0,4 Gigatonnen/Jahr (REECS 2007) In den nächsten Jahrzehnten gibt es folgende Optionen zur Reduktion von CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung: • Energieffizienzsteigerung in der Stromerzeugung und im Verbrauch • Ausweitung der erneuerbaren Energiebereitstellung durch Wind-,Solar- ,Biomasse- und geothermische Nutzung • Abtrennung von CO2 bei der Nutzung fossiler Energien und anschließende Sequestrierung • Nutzung der Kernenergie  Vier Wege in eine CO2-ärmere zukünftige Energieversorgung

3. Vorteile der Nutzung geothermischer Energie • sehr großes noch unerschlossenes Potenzial für nachhaltige Energieversorgung • dezentral einsetzbarer, grundlastfähiger, heimischer Energieträger • CO2-arme Bereitstellung von Wärme und Strom • kombinierbar mit anderen grundlastfähigen und nicht grundlastfähigen Energieträgern (Biomasse, Braunkohle, Solarthermie, Windenergie) oder mit CCS • hohe Akzeptanz Nachteile • hohe Anfangsinvestitionen • Industrieinteresse in EU noch schwach (Vorreiter ENEL) • lokal Irritationen mit Einfluss auf Akzeptanz (Basel, Landau) • Lernkurve der tiefen Geothermie in der Startphase

4. Germany Austria 7 MW 1 MW Italy China France 811 MW 28 MW 15 MW Turkey 38 MW USA Thailand Iceland 2687 MW 0,3 MW 421 MW Russia 79 MW Portugal 23 MW Japan 535 MW Mexico 953 MW Philippines Ethiopia 1970 MW Guatemala 7 MW 53 MW Costa Rica Papua Indonesia Nicaragua 163 MW New Guinea 992 MW 87 MW Kenya 56 MW El Salvador 129 MW 204 MW Australia 0,2 MW New Zealand total installed capacity in 2009 = 11 GW  76 TWh/a 472 MW Bertani, 2009

5. Geothermal energy production 140 GW TWh / year IPCC 2010 Fridleifsson et al, 2008 year

6. CO2-Emissions @ geothermal power production EGS-LCA Frick et al. (2008) Geothermal: plants in USA -open cycles Coal, oil, gas: DOE, Bloomfield et al. (2003)

7. Geothermal electricity production - conventional Mitigation potential substituting: / year Fridleifsson et al, 2008  Mitigation of one Gigatonne CO2/year thinkable

8. Prinzip tiefer Erdwärmenutzung Direkte Nutzung von Geothermie für Wärme/Kälte und Elektrizität • Grundprinzip • Thermalwasserkreislauf cc~ 100 - 200 °C, • Tiefe : ~ 2 - 5 km Turbine Heat exchanger Evaporator Condenser • Binär-Kreislauf • Organic Rankine oder Kalina Cycle Herausforderungen: • Wo ist das Reservoir? • Erschließung / Stimulation • => Enhanced Geothermal System • Effiziente Nutzung und • Wandlung der Wärme

9. Übertage Untertage Basis- Exploration, Geologische Modelle, Gesteins- eigenschaften T-Modelle, Stress-Feld Vertiefte Prospektionz.B. geophys. Feldarbeiten, vorläufiges Reservoir-modell Vorbohrung, loggen, testen, stimulieren detaillierte Machbarkeits-studie Geothermische Anlage (Strom oder Wärme) Engineering, Bau, Inbetriebnahme Standort-entwicklung Dublette, Leistungs-überprüfung Ziel-gebiet, Erlaubnis-feld 2.Mach-barkeits-einschät-zung 1.Mach-barkeits-einschät-zung System- leistung Nutzungs-konzept Geologie Geophysi-kalische, Exploration Bohrungs-begleitung, Reservoir-engineering Dubletten-konzeption, Technologie Thermalwas-serkreislauf Technologie Anlagen-technikSystemquali-fizierung Geothermie-Forschungsfelder, Umfang abhängig von Standort Projektphasen „Tiefengeothermie “

10. stress regimes and their impact to frac orientation Normal Faulting Strike Slip Reverse redrawn by Inga Moeck

11. hydraulic stimulation (Enhanced Geothermal Systems) Fokker 2007

12. In situ Geothermielabor Groß Schönebeck • In situ Geothermielabor Groß Schönebeck mit 2 Forschungsbohrungen im Sediment ( 4.3 km Tiefe und 150 °C) • 2.Bohrung (großer Durchmesser, Ablenkung, speicherschonender Ausschluss) • Reservoirgesteine beider Bohrungen erfolgreich stimuliert

13. reservoir engineering

14. frac equipment

15. 13000 m³ water(pH5) 24 t sand Pmax = 586 bar Qmax = 150 liter/sec. Zimmermann et al. In prep.

16. relocationof induced seismic events Groß Schönebeck -2 < M < -1 Kwiatek et al. 2010 submitted

17. relocationof induced seismic events Groß Schönebeck -2 < M < -1 Understanding induced seismicity, Soultz, Basel, Geysers & others refined stimulation treatments to enhance hydraulic productivity while reducing the risk of seismic hazard, instruments for assessment EU-funded GEISER 2009-2012 Kwiatek et al. 2010 submitted

18. 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 380 bar Qmax = 66 liter/sec. Zimmermann et al. 2010

19. 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 380 bar Qmax = 66 liter/sec. 13000 m³ water(pH5) 24 t sand Pmax = 586 bar Qmax = 150 liter/sec. 500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl 113 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated) Pmax= 495 bar Qmax = 58 liter/sec Zimmermann et al. I2010

20. cumulative flowcorrected [m³/h] 0 10 20 30 40 50 4000 4100 Frac 3 depth [m] Frac 2 4200 Perforation 4300 Frac 1 4400 test 2009: productivity index 13-15 m³/(h MPa) temperature 150 °C • next steps: • long term communication experiment • geothermal power production

21. Untertage Übertage Groß Schönebeck Projektphasen „Tiefengeothermie “

22. Zeitliches Verhalten der Eignungsparameter • Leistungskriterien wie Produktivitäts-/Injektivitäts-Index • Zusammensetzung des Thermalwassers • Reservoireigenschaften • Zeitverhalten der Druck- und Temperaturverhältnisse • beteiligtes Reservoir-Volumen Thermalwasserzirkulation • Begrenzungen des Reservoirs • Untersuchung verfahrenstechnischer Fragen • Korrosion und Fällungsreaktionen • Komponentenverhalten • … Kommunikationsexperiment

23. Chemische Zusammensetzung (in mM) des GrSk Fluids A) Lösung: TDS = 265 g/L B) Gase: Verhältnis von Gas:Flüssigkeit = ca. 1:1 Hauptkomponenten Nebenkomponenten Kaum reaktive Gase (CO2, H2S) in GrSk in mM; Zeitraum: 2003-2008 Groß Schönebeck Fluidzusammensetzung

24. Thermalwasserkreislauf: Komponenten und Prozesse Wärme-übertragung Kraftwerk Armaturen Teststrecke Filter Chem. Reaktionen Injektions-pumpe Rohrleitung Zweiphasen-Strömung Förderpumpe Slide 24/42

25. Wärmeübertrager

26. Kleinkraftwerk 60 kW, dezentrale Lösung Indonesien 2010-2013

27. Freitag, 12.03.10

28. GEOEN KP II In Situ Labor Groß Schönebeck Korrosion Nachhaltigkeit GFZ System-qualifizierung Projekte

29. „geothermische“ Forschungskonzeption Basis Experimente Kopplung Optimierung& Validierung

30. Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ausblick • Qualifizierung geothermischer Technologien: • Verlässlichkeit der Systemkomponenten und deren Zusammenspiel • effiziente Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes • (umfassende Risikobewertung zu Aufbau und Betrieb geothermischer Energiebereitstellung) • In situ Geothermielabor: • Leistungstest und Weiterentwicklung von Systemkomponenten unter extrem unwirtlichen Thermalwasser-Bedingungen • Überprüfung ihres Zusammenspiels in variierenden Betriebsbedingungen Experimentiermöglichkeit auch für Studenten mit guten Ideen • Demonstration (lokal bedingt) effizienter Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes • Validierung von numerischen Programmen, die Prozesse untertage und übertage verknüpfen

31. Danke für Ihre Aufmerksamkeit