Hydrothermale Geothermie

1. Hydrothermale Geothermie Maria Magdalena Bollmann

2. Gliederung • Allgemeines • Hydraulische Eigenschaften • Technische Aspekte • Hemmnisse • Risiken • Wirtschaftlichkeit • Vorteile/Nachteile • Aussichten – Minimierung der Risiken • Geothermieprojektein Deutschland • Geothermie AKTUELL

3. Einteilung der Geothermiequellen Oberflächennahe Geothermie Tiefen Geothermie Hochenthalpie Lagerstätten Niederenthalpie Lagerstätten Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme Tiefe Erdwärmesonden

4. Hydrothermale Geothermie - Definition • Nutzung von natürlich auftretenden tiefen Aquiferen • Mittels Tiefbohrung wird heißes Wasser an die Erdoberfläche gefördert. Das geförderte heiße Wasser wird in einem Kraftwerk zum Antrieb einer Turbine mit gekoppelten Stromgenerator genutzt. • Leistungsspektrum von 1 – 6 MWe • notwendige Temperaturen von ca. 100°C • Bohrungstiefen 3000 – 6000 Metern • Injektion des abgekühlten Wassers zur erneuten Erwärmung in den Aquifer

5. Woher kommt die Wärme ? • Kombination aus Restwärme und stetig neu produzierter Wärme • Temperaturanstieg 3 °C/100 km • Restwärme  30 % • Abkühlung der Erde seit ihrer Entstehung • Wärmefluss des Erdinneren dringt nach außen • Temperaturen ~ 5000 – 6000 °C • Radioaktiver Zerfall  70 % • vorrangig im Erdmantel • stetiger Wärmenachschub • Temperaturen > 1200 °C

6. Nutzungsmöglichkeiten • direkte Nutzung  Thermalbäder • Heilzwecke, Kurbäder oder Wellnessbäder • Heizen und Kühlen mit Erdwärme /Warmwassererzeugung • Stromerzeugung • aus Geothermie über Hochenthalpielagerstätten • aus Geothermie über Niederenthalpiestätten

7. Voraussetzungen • Vorhandensein einer ergiebigen wasser-/gasführenden Gesteinsschicht (Nutzhorizont) • Thermalwasseraquifer in Tiefen mit ausreichend hohen Temperaturen • Aquifer muss gute hydraulische Eigenschaften aufweisen • Das Thermalwasser muss sich mit der chemischen Zusammensetzung, dem Gasgehalt und der mikrobiologischen Zusammensetzung für die vorgesehene Nutzung eignen. • gute Förderrate

8. Hydraulische Eigenschaften • Aquifer • Porosität • Darcy-Gesetz • Durchlässigkeit • Permeabilität • Transmissivität • Speicherkoeffizient

9. Hydraulische Eigenschaften • Aquifer • hochpermeable Gesteinsschichten mit ausreichend durchlässigem Material • speichern oder weiterleiten von signifikanten Mengen an Wasser • hochporöser Sandstein oder stark geklüftete oder verkarstete Sedimentgesteine

10. Hydraulische Eigenschaften • Porosität • Anteil des Hohlraumvolumens n [-] am Gesamtvolumen des Gesteins • großen Einfluss auf den Widerstand bei der Durchströmung einer Schüttung • von Größe und Form der Teilchen abhängig • je kleiner Teilchen und je unterschiedlicher die Form desto enger passen sie zusammen • Sedimente weisen höhere Porosität auf als Magmatit oder Metamorphite.

11. Hydraulische Eigenschaften • Darcy- Gesetz • Wassermenge Q , die eine Fläche A in einem porösen Medium durchströmt und dabei direkt proportional zum hydraulischen Gradienten i ist.

12. Hydraulische Eigenschaften • Durchlässigkeitsbeiwert • Durchlässigkeitsbeiwert bezeichnet einen rechnerischen Wert der die Durchlässigkeit von Boden oder Fels für ein Fluid quantifiziert

13. Hydraulische Eigenschaften • Permeabilität • beschreibt die Durchlässigkeit von Böden oder Felsgestein für Fließmedien • beschränkt sich allein auf die Gesteinseigenschaften

14. Hydraulische Eigenschaften • Transmissivität • beschreibt das Produkt des Durchlässigkeitsbeiwert kf und der Mächtigkeit M der wasserführenden Boden- oder Gesteinsschicht. • Homogen und isotrop • Speicherkoeffizient • Der Speicherkoeffizient S ist ein Maß für die Änderung des gespeicherten Wasservolumens ΔV pro Oberflächeneinheit A bei einer Absenkung Δh um einen Meter. • Homogen und isotrop

15. Technische Aspekte

16. Technische Aspekte • Geothermische Reservoire • Störungszonen • Sedimentäre- kristalline Gesteine mit zahlreichen Bruchzonen • reichen in große Tiefen • Verbindung von Aquiferen in unterschiedlichen Tiefenlagen • großes Potenzial aufgrund von gutem hydraulischen Leitvermögen • Stimulation notwendig • Strukturen können sehr gut bis nicht durchlässig sein • ! Weitere grundlegende Forschungsarbeit erforderlich ! • Aquifere • mind. eine Bohrung • Wirtschaftlicher zwei Bohrungen  Doublette • Förder- und Injektionsbohrung • Entzug der Wärme im Wärmetauscher

17. Technische Aspekte • Prozessezur geothermischen Stromerzeugung • direkte Nutzung des Fluids ab 150 °C • Deutschland, Binäranlagen  Systeme mit Sekundärfluid • Verdampfer • Turbine • Kondensator • Pumpe • Steuer- und Regelungsinstrumente • Kraftwerksprozesse • ORC-Verfahren • Kalina-Prozess

18. ORC-Verfahren • Organic-Rankine-Cycle  Organischer -Rankine-Kreisprozess • Prinzip: anstatt Wasser zirkuliert ein niedrig siedender organischer Stoff als Arbeitsmedium

19. Kalina Prozess • Ammoniak-Wasser Gemisch • günstige Wärmeübertragungsverhältnisse • beide Zustandsänderungen nicht isotherm • Gemisch verdampft bei stetig steigender Temperatur bzw. kondensiert unter stetig sinkender Temperatur. • Verluste sind geringer • obere Prozesstemperatur wird angehoben • untere Prozesstemperatur abgesenkt • Nachteile: • aufwendige Wartung • Ammoniak stark basisch • starkes Stoffwechselgift • brennbar und explosionsfähig

20. Hemmnisse • Geologie • schwierige Einschätzung und kostenintensive Ermittlung der geologischen Verhältnisse im Untergrund • Fehlen der verallgemeinerungsfähigen Erfahrung, aufgrund realisierter Projekte • lange Realisierungszeiträume von bis zu 5 Jahren • hohe Anfangskosten und Anfangsrisiken • 15 bis 70 Mio. € • Fündigkeitsrisiko, nicht ausreichende Temperatur oder Schüttung (Volumenstrom) zu erschließen • Kostensteigerung und Personalknappheit • Anstieg der Bohrkosten • gestiegene Weltmarktpreise für Stahl • Erschließung neuer Regionen • Einschätzung der Ergiebigkeit der wasserführenden Schicht • Wärme in Verbrauchernähe = gewisse Siedlungsdichte vorausgesetzt = nur begrenzter Teil des Potenzials kann genutzt werden

21. Risiken Geologisches Risiko Bohrtechnisches Risiko Anlagen-technisches Risiko Seismisches Risiko • Unvorhergesehene Prognosen  instabile Schichten, erhöhte Gebirgsdrücke • Fündigkeitsrisiko Temperatur, Ergiebigkeit • Risiko einer Havarie • Gasgefährdung • Korrosion • Ausfällung • Sauerstoffeintrag über Injektion • Erdbeben • Veränderungen des Flüssigkeitsdrucks im Erdinneren

22. Wirtschaftlichkeit • Abhängig von den hydraulischen und thermischen Eigenschaften des Aquifers, dem Nutzhorizont und der Zusammensetzung des Wassers • Nutzung der Wärme über das gesamte Jahr – Nah- und Fernwärme, Trocknungsanlagen und Kühlanlagen • Kaskadenprinzip - ökologisch und ökonomisch sinnvoll – Fernwärme (90 – 60°C), Gewächshäuser (60 – 30°C) und Fischzucht (unter 30°C) • ! Eigenverbrauch der Anlage!

23. Vorteile/Nachteile Vorteile Nachteile • bei jeder Wetterlage nutzbar  Tag und Nacht • stabile und sichere Grundversorgung an Strom • gilt als regenerativ • unerschöpfliche • Ressourcenschonend • einheimisch • gute CO2 Bilanz • multiple Verwendungsmöglichkeiten • geringer Platzbedarf • direkt vor Ort • Fündigkeitsrisiko • tiefe Bohrungen notwendig  hohe Erdbebengefahr • Höffigkeit Wasserergiebigkeit im Untergrund • geothermische Dämpfe enthalten nicht kondensierbare Gase • Stromerzeugung nur wirtschaftlich in Hochenthalpiegebieten • aufwendige Vorarbeiten notwendig • sehr hohe Bohrkosten

24. Aussichten – Minimierung der Risiken • Seismizität • Positionspapier – Handlungsanweisung zur Beherrschung von Seismizität bei Geothermieprojekten • Reprocessing vorhandener Seismikdaten • Information • Geothermisches Informationssystem • Lehre • Ausbildungsprogramme befinden sich im Hochschulbereich im Ausbau (Karlsruhe, Aachen, Bochum) • Kompetenzzentren

25. Tiefengeothermische Projekte in Deutschland • Ausschließlich Hydrothermale Anlagen • Anlagen in Betrieb: 23, Wärmeleistung 222,95 MW • Anlagen mit Stromerzeugung: 5, Wärmeleistung 12,51 MW • Anlagen in Bau oder Planung: ca. 59

26. Hydrothermale Geothermie AKTUELL • St. Gallen • 19. Juli 2013 – Freitagmittag – rasanter und massiver Druckanstieg – kurzzeitiger Austritt eines Wasser-Gasgemisches • Stabilisierung durch Einpumpen von 650 m³ Wasser und schwerer Bohrspülung • 20. Juli 2013 – Samstagmorgen – 5:30 Uhr – Erdbeben – Stärke 3,6 • Arbeiten am Bohrloch gestoppt • Landau • Erdbeben 2009 • dritte Bohrung für November geplant • Erdbebenrisiko vermindern

27. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

28. Quellen - Inhalt • www.uni-kassel.de/fb14/geohydraulik/Lehre/Hydrogeologie/Hydrogeologie.html • www.uni-kassel.de/fb14/geohydraulik/Lehre/Geophysik_Geothermie/Geophysik.html • www.geo.tu-freiberg.de • www.wikipedia.de • www.geothermie.de • www.udo-leuschner.de • www.wir-ernten-was-wir-saeen.de • Bayrischer Geothermieatlas; Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie; 2010 • Tiefe Geothermie, Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; 2011 • Bericht der Bundesregierung über ein Konzept zur Förderung Entwicklung und Markteinführung von geothermischer Stromerzeugung und Wärmenutzung; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; • Aufbau eines geothermischen Informationssystems für Deutschland; Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik Hannover ; 2009 • Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung; Silke Köhler und Ali Saadat, GeoForschungsZentrum Potsdam;

29. Quellen - Bilder http://tu-freiberg.de/ze/geothermie/tg_grundlagen.html http://www.geotermica.de/waerme-energie.html http://www.bine.info/publikationen/publikation/aquiferspeicher-fuer-das-reichstagsgebaeude/ http://www.grundversorgungskraftwerk.de/techniken/geothermie.html http://www.energieatlas.bayern.de/thema_geothermie/tiefe/nutzung.html www.lfu.bayern.de http://www.ite.tu-clausthal.de/uploads/RTEmagicC_Frontbild_01.jpg.jpg http://augsburg.agitano.com/wp-content/uploads/2013/02/Geothermie-Bohrturm-in-Bayern.jpg http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-05.htm http://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/img/klima/Abb_2_Petrothermale_Tiefengeothermie_rdax_413x572.png https://secure.bmu.de/fileadmin/bmu-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdf http://www.bine.info http://www.mags-projekt.de/MAGS/DE/Bilder/GT_Standorte_g.html