HYDROTHERMALE GEOTHERMIE Maria Magdalena Bollmann.
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Gliederung
Allgemeines Hydraulische Eigenschaften Technische Aspekte Hemmnisse Risiken Wirtschaftlichkeit Vorteile/Nachteile Aussichten – Minimierung der Risiken Geothermieprojekte in Deutschland Geothermie AKTUELL
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Einteilung der Geothermiequellen
Oberflächennahe Geothermie
Tiefen Geothermie
HochenthalpieLagerstätten
NiederenthalpieLagerstätten
HydrothermaleSystemePetrothermaleSystemeTiefeErdwärmesonden
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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
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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
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Nutzungsmöglichkeiten
direkte Nutzung Thermalbäder Heilzwecke, Kurbäder oder Wellnessbäder
Heizen und Kühlen mit Erdwärme /Warmwassererzeugung
Stromerzeugung aus Geothermie über Hochenthalpielagerstätten aus Geothermie über Niederenthalpiestätten
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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
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Hydraulische Eigenschaften
Aquifer Porosität Darcy-Gesetz Durchlässigkeit Permeabilität Transmissivität Speicherkoeffizient
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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
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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.
Gestein Porosität
Sandstein 5 - 40 %Kalkstein 5 - 25 %Tonstein 20 - 45 %Schieferton < 10 %
Lockere Sande
> 40 %
Einstufung der Porosität bei der Lagerstättenbewertung
Einstufung PorositätVernachlässigbar Φ < 4 %Niedrig 4 < Φ < 10 %Gut 10 < Φ < 20 %Ausgezeichnet Φ > 20 %
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Hydraulische Eigenschaften
Darcy- Gesetz Wassermenge Q , die eine Fläche A in einem porösen Medium
durchströmt und dabei direkt proportional zum hydraulischen Gradienten i ist.
AL
hhkQ cB
f
kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]
hB Standrohrspiegelhöhe an der Stelle B [m]
hC Standrohrspiegelhöhe an der Stelle C [m]
L Fließstrecke zwischen B und C [m]
A Gesamtquerschnitt [m²]
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Hydraulische Eigenschaften
Durchlässigkeitsbeiwert Durchlässigkeitsbeiwert bezeichnet einen rechnerischen Wert der die
Durchlässigkeit von Boden oder Fels für ein Fluid quantifiziert
kf Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]
Q Fließrate [m³/s]
l Durchströmte Länge des porösen Körpers [m]
ρ Dichte des Fluids [kg/m³]
g Erdbeschleunigung = 9,81 [m/s²]
A Durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²]
∆p Druckdifferenz [N/m²]
pAglQ
k f
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Hydraulische Eigenschaften
Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit von Böden oder Felsgestein für
Fließmedien beschränkt sich allein auf die Gesteinseigenschaften
K Permeabilität [m²]
η Dynamische Viskosität des Fließmediums [m³/s]
l Durchströmte Länge des porösen Körpers [m]
∆p Druckdifferenz (stellt sich nach dem Strömen ein) [N/m²]
A Durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²]
AplQ
K
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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
MkT f
AhV
SS
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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
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Technische Aspekte
Prozesse zur 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
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ORC-Verfahren
Organic-Rankine-Cycle Organischer -Rankine-Kreisprozess
Prinzip: anstatt Wasser zirkuliert ein niedrig siedender organischer Stoff als Arbeitsmedium
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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
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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
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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
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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!
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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
Vorteile Nachteile
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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
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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
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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
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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;
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Quellen - Bilder
http://tu-freiberg.de/ze/geothermie/tg_grundlagen.htmlhttp://www.geotermica.de/waerme-energie.htmlhttp://www.bine.info/publikationen/publikation/aquiferspeicher-fuer-das-reichstagsgebaeude/http://www.grundversorgungskraftwerk.de/techniken/geothermie.htmlhttp://www.energieatlas.bayern.de/thema_geothermie/tiefe/nutzung.htmlwww.lfu.bayern.dehttp://www.ite.tu-clausthal.de/uploads/RTEmagicC_Frontbild_01.jpg.jpghttp://augsburg.agitano.com/wp-content/uploads/2013/02/Geothermie-Bohrturm-in-Bayern.jpghttp://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-05.htmhttp://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/img/klima/Abb_2_Petrothermale_Tiefengeothermie_rdax_413x572.pnghttps://secure.bmu.de/fileadmin/bmu-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdfhttp://www.bine.infohttp://www.mags-projekt.de/MAGS/DE/Bilder/GT_Standorte_g.html