Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka

1. Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka Von: Yuriy Rogalski und Angelika Euler

2. Fachgebiet • Geohydraulik und Ingenieurhydrologie • Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Gliederung • Einführung • Geothermie in Russland • Geothermale Gegebenheiten in Kamtschatka • Geothermiekraftwerke in Kamtschatka und den Kurilen • Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers • Das geothermale Feld bei Pauzhetskaya • Geochemie des Thermalwassers • Erstellung eines numerischen 3D Modells • Exkurs: Seismische Messverfahren • Standortanalyse • Datenlage 3) Das geothermale Feld bei Mutnowskij • Modellberechnungen für eine konstante Förderrate • Geologische Untersuchungen • Exkurs: Durchlässigkeitsbeiwert nach Darcy • Geothermisches Reservoir • Ausbau und Datenlage

4. Thermalquellen Geysire

5. Kamtschatka – Das Land aus Feuer und Eis • Landeshauptstadt: Petropawlowsk - Kamtschatskij • Fläche : 370.000 km², etwa 5 % größer als Deutschland • Einwohnerzahl: etwa 380.000 EW • Vulkane: 160, davon 29 heute noch aktiv „In Kamtschatka existiert eines der weltweit größten Potenziale für Geothermie“ • Gleichzeitig leiden Bevölkerung und Industrie heutzutage unter Energiemangel • Energierohstoffe haben einen langen Weg, bevor sie von Übersee die entlegene Region erreichen

6. Geothermische Energie aus oberflächennahen Magmakammern • Abgabe der Wärmeenergie erfolgt über: Konduktiven Wärmefluss Aufsteigende geothermale Fluide Vulkanausbrüche Ausbildung von Magmakammern • Ermittelte Temperatur in Kammern der Vulkane in Kamtschatka liegt im Bereich von 600-1000 ° C • Tiefenbohrungen zur Gewinnung der Wärmeenergie in Tiefen von 3 bis 7 km besonders interessant Anmerkung: HeatEfflux – Wärmefluss [MW thermisch] Reservoir heat Energy – Gespeicherte Wärmeenergie [J]

9. Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme) • Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC) b) der Kalina-Prozess Anwendung bei: - nicht ausreichender Temperatur oder Druck zur Stromerzeugung - hohe Menge an nicht kondensierten Gasen - Chemisch angreifendes Thermalfluid (Schwefelwasserstoff, Calciumhaltige Minerale, u.a Salze) Besonders beständig gegen harte klimatische Bedingungen: - niedrige Temperaturen, Wind, Schneelast oder Seismik

10. Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme) • Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC) • Das Arbeitsmittel wird durch das Thermalfluid vorgewärmt, anschließend verdampft und in einer Turbine entspannt • Kondensation und erneute Erhitzung auf Verdampferdruck • Thermalwasser nach Gebrauch wieder ins Erdreich über Injektionsbohrungen befördert • Eingesetzten Arbeitsmittel in der Regel Kohlenwasserstoffe wie n-Pentante oder Isobutane

11. Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme) • Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts Die verwendeten Prozesse sind: b) der Kalina-Prozess • Das Zwei-Stoff-Gemisch aus Wasser und Ammoniak wird durch das Thermalwasser vorgewärmt • Bei der Verdampfung entstehen ein ammoniakreicher Dampf und ammoniakarme Flüssigkeit • Der separierte Dampf wird in einer Turbine entspannt • Im Anschluss werden Flüssigkeit und entspannter Dampf gemeinsam verflüssigt und auf Verdampferdruck gebracht

12. Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“ • Die geologische Struktur besteht aus einer mehrschichtigen tektonischen Kuppel… …aus Lava, Tuffgestein und Tiefengestein mit neutraler bis saurer Zusammensetzungaus dem Miozän bis Holozän Zeitalter. • Pauzhetskaya-Kombalny-Koshelev ist eines der größten geothermalen Gebiete in Kamtschatka • Intensive und vielfältige hydrothermale Aktivitäten in Form von zahlreichen Ausströmungen von Dampf-Gas-Gemischen an der Oberfläche • Die geochemischen Untersuchungen die dort an mehreren Messstationen am Thermalwasser durchgeführt wurden sehen wie folgt aus:

13. Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“

14. Erstellung eines 3D numerischen Modells für den Standort „Pauzhetskaya“ • Erstellung eines 3D numerischen Modells der geothermalen Lagerstätte auf Basis eines hydrogeologischen Modells • Kalibriert auf Grundlagen von TOUGH2 und iTOUGH2 aus den Datensätzen von 1960-2006 • iTOUGH2 untersucht dabei die Veränderungen des Grundwasserspiegels als Response auf barometrische Luftänderungen • iTOUGH2 deckt eine Fläche von 4x5 km² ab und umfasst drei Schichten: (1) Basisschicht mit den Führungskanälen des geothermalen Fluides (2) Hydrothermales Reservoir (3) Obere Schicht, die die Grundwasserneubildung und –entnahme in festgelegten Zeitabschnitten berücksichtigt

15. Exkurs: SeismischeMessverfahren • Vibroseis -Verfahren zur Standortbestimmung für Tiefenbohrungen. • Seismische Wellen werden dabei von drei Vibroseis Spezialfahrzeugen innerhalb von 12 -16 Sekunden in den Boden geschickt. • Geophone, die im gesamten Messgebiet ausliegen, zeichnen die seismisch erzeugten Reflexionen auf und leiten sie zur Bearbeitung an einen Messwagen weiter. • Die ausgewerteten Ergebnisse der seismischen Messungen entscheiden dann über den Standort der Tiefenbohrungen – oder den Abbruch des Projektes.

16. SeismischeMessverfahren • In folgender Abbildung :Geophonpunkte (blau) und Vibratorpunkte (lila) mit CMP- Überdeckung (im Zentrum bis ca. 300-fach, am äußeren Rand ca. 10- 20-fach) dargestellt. • Wärmeskala von dunkelblau (kalt) bis rot (sehr warm) gibt Aufschlüsse für potentielle Standorte für Tiefenbohrungen

17. Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“ • Die schematische Karte zeigt sowohl den Ist-Zustand als auch eine überlagerte Modellierung des Kraftwerkstandorts • Beschrieben wird das geothermische Reservoir selbst, der Betrieb des Kraftwerks genauso wie Ausblicke für neue Erschließungsmöglichkeiten.

18. Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“ • Im oberen Graphen sind die Förderraten von Thermalwasser bei Pauzhetskaya über die Jahre 1960 bis 2006 abgetragen • Die Fördermenge ist eine Akkumulation aus alten (grau) und neuen (rot) Produktionsbohrungen • Der untere Graph bildet Anteil an Thermalwasser ab, der in den Boden zurück injiziert wird - Blaue Ausfärbung der Kurve, kaltes Thermalwasser bei der Reinjektion - Pinke Färbung bedeutet: Temperatur bei 100-120 °C • Reinjektion zur Vermeidung von Umweltschäden, - Giftiger Schwefelwasserstoff - Eisen II-haltiges Wasser • Hydrothermale Dublette notwendig zur Rückführung des abgekühlten Wassers

20. Numerisches Modell des geothermischen Feldes am „Mutnowskij“ • Es wurden mehrere numerische Modelle für das Gebiet rund um das Kraftwerk Mutnowskij erstellt • Modell EX3F zeigt Topografie und Temperaturverteilung (250 m u. NN) • Ergebnis: Absenkung der Dampfabgabe von 64,4 auf 31 kg/s und Verminderung des Drucks von 44,7 auf 32 bar innerhalb der nächsten 15 Jahre • Entwicklung Zeitplans für Inbetriebnahme zusätzlicher Produktionsbohrungen in diesem Zeitraums

21. Geologischer Querschnitt am geothermalen Feld „Dachny“ • Zu sehen ist ein Schnitt entlang der Produktionsbohrungen 17 u. 30 am „Dachny“ • Auftretende Zirkulationsverluste durch die gefüllten schwarzen Kreise dargestellt • Gestrichelte rote Linie markiert die Hauptproduktion bzw. Entnahmestellen des geothermalen Fluides

22. Exkurs: Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes nach Darcy Mit: kf= Durchlässigkeitsbeiwert [m/s] Q= Fließrate [m³/s] l= durchströmte Länge des porösen Körpers [m] ρ= Dichte des Fluids, bei Wasser 1000 kg/m³ g= Erdschwerebeschleunigung = 9,81 m/s² A= durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²] Δp= Druckdifferenz ,die sich nach dem Strömen einstellt [N/m²]

23. Geothermisches Reservoir bei „Mutnowskij“

24. Ausbau der geothermalen Lagerstätte „Mutnowskij“ Russisch – Deutsche Kooperationsarbeit

25. Fragen?

26. Quellen • GtV Bundesverband Geothermie • Studie zu den Möglichkeiten der Stromerzeugung aus hydrothermaler Geothermie in Mecklenburg- Vorpommern, 2003 • Geothermische Produktion aus Enhanced aus Enhanced Geothermal Systems (EGS) – Stand der Technik, Geothermal Explorers Ltd, 2007 • http://pangea.stanford.edu/ERE/db/IGAstandard/search_results.php • Практика реализации инвестиционныхпроектов в области геотермальной энергетики. Проблемы, перспективы – Понкратьев Павел Александрович, Начальник Департаментавозобновляемых источников энергии • Геотермальная энергетика России. Состояние и перспективы - Никольский А.И., Технический директор ЗАО «Геотерм-ЭМ» • ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ В РОССИИ - Г.В. Томаров, А.И.Никольский, В.Н. Семенов, А.А. Шипков, ЗАО «Геоинком»

27. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit