Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie:

1. Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie: Hydrothermale und Petrothermale Systeme Florian Hosak 16.09.2010

2. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Agenda • Begriffsbestimmungen • Geophysikalische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung geothermischer Parameter • Hydrothermale Systeme • Petrothermale Systeme • Zusammenfassung Florian Hosak

3. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Die tiefe Geothermie wird durch folgende Systeme beschrieben: (Maßgebend hierfür ist die Enthalpie – der Wärmeinhalt) Hydrothermale Systeme • In Tiefen von ca. 2.000 – 4000 Metern werden Wasser führende Schichten angezapft • Mit dem heißen Thermalwasser ist bereits das Medium vorhanden, mit dem die Wärme an die Erdoberfläche gefördert wird • Hydrothermale Geothermie unterscheidet • Systeme mit niedriger Enthalpie • Systeme mit hoher Enthalpie Florian Hosak

4. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Petrothermale Systeme: • Überwiegend Nutzung der im Gestein gespeicherten Energie • Bis zu 6000 m Tiefe unter der Erdoberfläche • Im Unterschied zur hydrothermalen Geothermie sind in der Tiefe keine oder nur unzureichende Thermalwasservorkommen „sitzt auf dem Trockenen“ • Daher häufig auch als „Hot-Dry-Rock-Verfahren“ bezeichnet Florian Hosak

5. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert (hydraulische Leitfähigkeit) : • Beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte • Permeabilität K beschränkt sich auf die Gesteinseigenschaften • Durchlässigkeitsbeiwert kfbezieht die Eigenschaften des z.T. hoch mineralisierten, gasreichen Wassers zusätzlich mit ein K: Permeabilität in m2 μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser kf: Durchlässigkeitsbeiwert in ms-1 Q: Volumenstrom in m3s-1 i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m2 Florian Hosak

6. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Als wichtigste Umfelduntersuchung vor der eigentlichen Bohrtätigkeit ist die Erstellung eines 3D-Seismikmodells unerlässlich Warum? • Erkundung der Geometrie des Reservoirs und Störungsmuster  damit essentielle Festlegung des Bohrungsstandortes • Beurteilungen über die Ergiebigkeit einer Geothermiebohrung während der geophysikalischen Untersuchung des Bohrloches  Kenntnisse über das Umfeld der Bohrung ausschlaggebend Florian Hosak

7. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme 3D Seismik-Modell: • Dreidimensionales Abbild des Untergrundes • Informationen über den Verlauf und die Mächtigkeit der wasserführenden Schichten in der Zieltiefe • Gesteinsschichten und räumlicher Verlauf der Bruchzonenerkennbar Quelle: [8] Florian Hosak

8. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Prinzip (Reflexionsseismik): • Vibrationsfahrzeuge oder kleine Sprengladungen erzeugen Schallwellen, die von den verschiedenen Gesteinsschichten im Untergrund reflektiert werden • Die „Echos“ der Schallwellen werden an der Oberfläche von den Geophonen registriert und anschließend ausgewertet Quelle: [7] Quelle: [5] Florian Hosak

9. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Bestimmung hydraulischer Eigenschaften des Nutzhorizontes durch bohrlochgeophysikalische Verfahren wireline logging („klassische Technik“) • über eine Messsonde, die über ein Kabel mit der Registrierstation verbunden ist, werden Daten aufgenommen • Die Messungen erfolgen beim Ziehen der Sonde mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min • Alle 15 cm wird ein Messpunkt erfasst logging while drilling (LWD) • Direkt während des Bohrvorgangs wird gemessen Quelle: [2] Florian Hosak

10. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Geophysikalische Messungen in Bohrlöchern tragen u.A. zur Lösung folgender Aufgaben bei: • Dokumentation des Bohrprofils auf der Basis physikalischer Messgrößen • Quantitative Bestimmung von Parametern • Ableitung von Aussagen zur stofflichen bzw. mineralogischen Zusammensetzung • Dokumentation und Überwachung des technischen Zustandes von Bohrungen • ... Florian Hosak

11. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Bohrlochmessverfahren zur Bestimmung physikalischer Größen der Bohrlochumgebung : Quelle: [2] Florian Hosak

12. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Hydrothermale Systeme • Heißes Thermalwasser in 2.000-4.000 Meter Tiefe • Temperaturabhängig können hydrothermale Systeme sowohl zur Wärme- als auch zur Stromerzeugung genutzt werden • Hydrothermale Geothermie kennt drei unterschiedliche Wärmequellen: • Thermalwasserfelder • Heißwasser-Aquifere (Grundwasserleiter) • Störungen bzw. Störungszonen • Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen Florian Hosak

13. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Hydrothermale System Turbinenkreislauf Injektions-bohrung Thermalwasserkreislauf Förderbohrung Quelle: [4] Florian Hosak

14. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Hydrothermale Systeme mit niedriger Enthalpie (Thermalwasserfelder) • Meist Dublettenbetrieb mit zwei getrennten Kreisläufen(Förder- und Injektionsbohrung) • Förderbohrung: heißes Thermalwasser wird an die Oberfläche gebracht • Gefördertes Thermalwasser zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf • Gewonnene Wärme wird über einen Wärmeübertrager an einen sekundären Kreislauf abgegeben • Injektionsbohrung: Abgekühltes Thermalwasser wird über zweite Bohrung wieder in den Untergrundgeleitet und zwar in die Schicht, aus der es entnommen wurde Quelle: [1] Florian Hosak

15. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie (hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen) • Temperaturen bis 250°C • Dampf- oder Zweiphasensysteme zur direkten Wärme- und Stromerzeugung • Vorkommen stehen meist unter hohem Druck • Beim Anbohren kommt es zur Entspannung und ein Wasser-Dampf-Gemisch oder trockener Dampf entweicht • Über einen konventionellen Dampfprozess wird Elektrizität erzeugt • In Deutschland und Mitteleuropa kaum geeignete geologische Bedingungen Florian Hosak

16. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Anwendungsgebiete der Hydrothermalen Geothermie • Speisung von Nah- und Fernwärmenetze • landwirtschaftliche bzw. industrielle Zwecke • Sonderfall: balneologische Anwendung in ThermalbäderEinzelne (Produktions-) Bohrung ausreichend Nachteil der hydrothermalen Geothermie: • räumlich beschränkte Verbreitung der Reservoirgesteine • Bindung an bestimmte Regionen für die Wärmenutzung z.B. Oberrheingraben Florian Hosak

17. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Petrothermale Systeme • Klassischer Begriff Hot Dry Rock • aber auch Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured Rock oder Stimulated Geothermal System „Enhanced Geothermal System (EGS)“ • Bis zu 6.000 Meter Tiefe unter der Erdoberfläche • Im folgenden Konzentration auf das klassische HDR-Verfahren • Zielhorizont ist meist das kristalline Grundgebirge Florian Hosak

18. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Petrothermale System Turbinenkreislauf Förderbohrung Thermalwasserkreislauf Injektions-bohrung Förderbohrung Quelle: [4] Florian Hosak

19. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik • Derzeitiger Stand: • Kristallines Grundgebirge der oberen Erdkruste ist geklüftet • Die Klüfte sind z.T. geöffnet, mit hoch mineralisiertem Wasser gefüllt und mit einander durch ein Kluftnetz verbunden • Durch Einpressen von Wasser in eine abgeteufte Bohrung wird das natürliche Kluftsystem geweitet bzw. werden auch neue Klüfte (fracs) geschaffen  Die natürliche Permeabilität wird erhöht; zusätzliche und bessere Wasserwegsamkeiten werden geschaffen „Stimulation“ Quelle: [1] Florian Hosak

20. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Petrothermale Systeme: Grundprinzip HDR-Technik • Um Durchflussraten und Temperatur dauerhaft zu erzielen, muss das Riss-System eine Mindestgröße für die Wärmeübertragerfläche aufweisen • Durch eine zweite Bohrung muss der stimulierte Bereich durchteuft werden • Man schickt durch den „Wärmeübertrager“ Oberflächenwasser über Injektions- und Förderbohrungen, um die Gebirgswärme aufzunehmen „Wasser ist der Wärmeträger, das Gebirge die Wärmequelle“ Quelle: [1] Florian Hosak

21. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Außerdem unter Petrothermale Systeme aufgeführt: Tiefe Erdwärmesonden • Energienutzung aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit geschlossenem Kreislauf des Wärmeträgermediums in der Sonde • Bisher nur Wärmegewinnung, kein Strom • Kein Eingriff in das Stoffgleichgewicht des Gebirges Quelle: [1] Florian Hosak

22. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Zusammenfassung: • Die tiefe Geothermie unterscheidet hydrothermale und petrothermale Systeme • Permeabilität und Durchlässigkeitsbeiwert beschreiben die Durchlässigkeit eines Mediums gegenüber einer viskosen Flüssigkeit mit einer bestimmten Dichte • Wichtigste Umfelduntersuchung vor der Bohrtätigkeit:Erstellung eines 3D-Seismikmodells • Anhaltspunkte zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des Nutzhorizontes können bohrlochgeophysikalische Verfahren liefern • Hydrothermale Nutzung: Wasser bzw. Heiß- und Trockendampf aus tiefen Grundwasserleitern (Aquifere) • Petrothermale Nutzung: Gewinnung geothermischer Energie aus dem tiefen Untergrund unabhängig von wasserführenden Horizonten Florian Hosak

23. 2. Geophysikalische Untersuchungen 1. Begriffsbestimmungen 5. Zusammen-fassung 4. PetrothermaleSysteme 3. HydrothermaleSysteme Quellenverzeichnis: [1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (Hrsg.): Tiefe Geothermie: Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland. 2. akt. Auflage, Berlin: 2010 [2] Internetseite der RWTH Aachen: http://www.geophysik.rwth-aachen.de/html/loginterpretation_grundlagen.htm am 07.09.2010 [3] Internetseite der Webseite des GtV – Bundesverband Geothermie e.V. (GtV-BV): www.geothermie.de am 08.09.2010 [4] Internetseite der Agentur für Erneuerbare Energie: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme/detailansicht/article/87/wie-funktioniert-die-hydrothermale-geothermie.html am 08.09.2010 [5] Internetseite des Geothermie-Projektes der Stadt St. Gallen: http://www.geothermie.stadt.sg.ch/index.phpam 11.09.2010 [6] Internetseite des Bundeslandes Sachsen-Anhalt: http://www.sachsen-anhalt.de/LPSA/index.php?id=20048am 11.09.2010 [7] Internetseite Planet Erde Welt der Geowissenschaften: www.planeterde.de/.../image_previewam 11.09.2010 [8] Internetseite der GeoEnergy GmbH: www.geoenergy.de/.../Brhl/3D_Seismik_Modell.jpg am 11.09.2010 Florian Hosak

24. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Florian Hosak