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Präsentation Geothermie/Geophysik Verbesserte Effizienz Geothermischer Systeme von Niklas Lange - PowerPoint PPT Presentation


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Präsentation Geothermie/Geophysik Verbesserte Effizienz Geothermischer Systeme von Niklas Lange. Beispiel geothermisches Projekt Coso, Kalifornien. 13.09.2011. Gliederung. Einleitung und Motivation Nutzungsarten der Geothermie Geothermisches Potenzial Global

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Presentation Transcript
pr sentation geothermie geophysik verbesserte effizienz geothermischer systeme von niklas lange

Präsentation Geothermie/GeophysikVerbesserte Effizienz Geothermischer Systemevon Niklas Lange

Beispiel geothermisches Projekt Coso, Kalifornien

13.09.2011

gliederung
Gliederung
  • Einleitung und Motivation
  • Nutzungsarten der Geothermie
  • Geothermisches Potenzial Global
  • Verbesserte Geothermische Systeme
    • Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Fazit
einleitung und motivation
Einleitung und Motivation
  • Der Prozess globaler Erwärmung schreitet voran
  • Der Bedarf an erneuerbaren Energien ist größer denn je
  • Die Rohstoffpreise steigen
  • Neue Energiequellen müssen erschlossen werden
    • Das Innere der Erde ist eine unerschöpfliche Energiezentrale, die den weltweiten Energiebedarf um ein Vielfaches abdecken könnte

 Effizientere Systeme nötig

nutzungsarten der geothermie
Nutzungsarten der Geothermie
  • Verschiedene Tiefen
    • Oberflächennahe Geothermie
    • Tiefe Geothermie
      • Grenze bei 400 m
  • Verschiedene Temperaturniveaus
    • Hoch-Enthalpie-Systeme
    • Nieder-Enthalpie-Systeme
nutzungsarten der geothermie1
Nutzungsarten der Geothermie
  • Hoch-Enthalpie-Systeme
    • Überwiegend in Gebieten mit Vulkanischer Aktivität
    • Dient zur Stromproduktion (Flash-Verfahren) und Prozesswärmegewinnung
    • Temperaturbereich: 90 – 300°C
    • Abhängig vom Druck können die Lagerstätten entweder mehr Dampf- oder Wasserdominiert sein
    • Dampf wird reinjiziert

 keine negativen Umwelteinwirkungen

 höhere Produktivität

nutzungsarten der geothermie2
Nutzungsarten der Geothermie
  • Nieder-Enthalpie-Systeme
    • Überwiegend in Gebieten nichtvulkanischer Aktivität
    • Ausschließliche Wärmenutzung
    • Temperaturbereich: bis 90°C
    • Erdwärmesonden-Anlagen oder Thermalwasser-Erfassungs-Anlagen
nutzungsarten der geothermie3
Nutzungsarten der Geothermie
  • Erdwärmesonden – Niederenthalpie
    • Anwendung in Gebieten mit niedrigem Temperaturgradienten
    • Wärmeübertrager entzieht dem Gestein Wärme
    • Tiefe bis 200 m
    • Wärmepumpe hebt diese Nieder-Enthalpie Energie auf ein höheres Temperaturniveau
    • Geeignet zur Heizung und Kühlung
nutzungsarten der geothermie4
Nutzungsarten der Geothermie
  • Hydrothermale Systeme – Hoch-/Niederenthalpie
    • Thermalwasser aus wasserführender Gesteinsschicht wird energetisch genutzt
    • Um hohe Temperaturen zu erzielen, muss das Wasser durch tiefere Gesteinsschichten zirkulieren (2000 m) und abgepumpt werden
    • Einspeisungsgebiet des Grundwassers bis 100 km Radius
    • Gestein fungiert als riesiger Wärmetauscher
    • Durch Entzug von Tiefenwasser negative Grundwasserbilanz  Unterdruck je nach Durchlässigkeit des Gesteins  erhöhte Pumpleistung
    • Zusätzliche Bohrungen in die Tiefe um Wasser zurückzuführen
nutzungsarten der geothermie5
Nutzungsarten der Geothermie
  • Petrothermale-Systeme – Hochenthalpie
    • Größere Tiefen als die Hydrothermalen Systeme
    • Im Gegensatz zur Durchlässigkeit des Gesteins nimmt die Wärme mit steigender Tiefe immer weiter zu
    • Vulkanische Gebiete mit großem Temperaturgradienten
    • Gestein fungiert als riesiger Wärmeübertrager
    • Meist keine natürlichen Wasservorkommen vorhanden
  • Verbesserte Geothermische Systeme – Enhanced Geothermal Systems
    • EGS machen es möglich eine Geothermische Ressource wirtschaftlicher zu nutzen
      • Größere Tiefen
      • Zusätzliche Stimulation des Gesteins zur Verbesserung der Durchlässigkeit
nutzungsarten der geothermie6
Nutzungsarten der Geothermie
  • In Tiefen größer als 3 km muss zuerst eine minimale Permeabilität des Gesteins geschaffen werden, um Wasser zu fördern
    • Einpressen von Wasser mit großem Druck (120 bar)
    • Einsatz von Säuren (selten)
  • Beim Einpressen von Wasser werden bestehende Schwächezonen ausgeweitet
    • Gesteinsflächen werden gegeneinander verschoben und geschert

Schieb- und Schwerbewegungen im Millimeterbereich

    • Lässt der Druck nach, passen die Flächen nicht mehr genau aufeinander  anhaltende Verbesserung der Durchlässigkeit
nutzungsarten der geothermie7
Nutzungsarten der Geothermie

Auswahl eines geeigneten Reservoirs

Injektions-

und

Stimulations-

bohrungen

Energetische Nutzung

des Reservoirs

Quelle: http://egs.egi.utah.edu/index.htm

nutzungsarten der geothermie8
Nutzungsarten der Geothermie

Schaubild eines Verbesserten Geothermischen Systems

Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

nutzungsarten der geothermie9
Nutzungsarten der Geothermie

Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

geothermisches potenzial global
Geothermisches Potenzial Global
  • 99% der Erde sind heißer als 1000°C
  • Die feste Kruste besteht aus hartem, sprödem Gestein, das 5 – 30 km dick ist
  • Unterhalb der Kruste verhält sich das Gestein zunehmend plastisch
  • Vom Erdmantel bis zum Erdkern nehmen die Temperaturen langsamer zu als in der Erdkruste
    • Temperatur im Erdkern 5000 – 6000°C
geothermisches potenzial global2
Geothermisches Potenzial Global
  • Herkunft der Erdwärme
    • Die Wärme stammt zu 2/3 aus natürlichem radioaktivem Zerfall

 Temperaturen seit Mio. Jahren annähernd konstant

 Antrieb der Plattentektonik

  • Ressource Erdwärme unermesslich groß
    • In einer Bohrtiefe von 3 – 10 km sind nach Schätzungen von J. Tester weltweit 100 Mio. Exajoule (1 EJ = 1018 J) geothermische Energie zugänglich
    • Jährlicher weltweiter Energieverbrauch 400 Exajoule
geothermisches potenzial global3
Geothermisches Potenzial Global
  • Begrenzung des Potenzials
    • Liegt nicht in der Ressource, sondern bei der Wirtschaftlichkeit der Technik
      • Kosten steigen mit der Tiefe überproportional
    • Für eine wirtschaftliche Nutzung des Geothermischen Potenzials wird eine Bohrtiefe von 7 km als sinnvolles Limit angenommen
  • Günstige geothermische Verhältnisse bei einem Temperaturgradient von > 30 °C/km
geothermisches potenzial global4
Geothermisches Potenzial Global
  • Wirtschaftliche geothermische Erschließung
    • Möglichst geringe Bohrtiefe zum Erreichen möglichst heißen Gesteins
    • Hohe Gesteinstemperaturen in geringer Tiefe liegen nur in vulkanischen Gebieten vor
    • In geringen Tiefen ist die Wahrscheinlichkeit größerer natürlicher Durchlässigkeit des Gesteins höher
    • Nähe zum Markt
      • Während Strom über weite Distanzen transportiert werden kann, sind dem Transport von Wärme enge Grenzen gesteckt
geothermisches potenzial global5
Geothermisches Potenzial Global
  • Klassifikation des Geothermischen Potenzials
geothermisches feld coso kalifornien
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Kalifornien enthält die größten geothermischen Kraftwerkskapazitäten der USA
  • Leistung 3.000 MW
  • Überdurchschnittlich hohe Wärmeströme (>200 °C in einer Tiefe von 3 km)

Quelle: USGS – U.S. Geological Survey

geothermisches feld coso kalifornien1
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Innerhalb der China Lake U-S. Naval Air Weapons Station in der Nähe von Ridgecrest, CA liegt das vulkanische Feld Coso (seit 1987)
  • Die Kraftwerke werden derzeit von der Firma CaithnessEnergy betrieben
  • Zur Zeit werden 270 MW mit vier Geothermie-Kraftwerken und mehr als 80 Brunnen produziert
  • Verfügbarkeit von 98%
  • Fluidtemperaturen über 300°C in weniger als 3000 m ermöglichen Doppel-Flash-Technologie für Dampf-extraktion
  • Flüssigkeit dominierte Lagerstätte
geothermisches feld coso kalifornien2
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Geologie
    • Höchst aktive seismische Zone
    • Stark gebrochen und tektonisch beansprucht (hohe Spannungen)
    • Granit und Basalt
    • Dreieckige Fläche aus Mulden und Bergketten
      • Begrenzt auf der Nordseite durch die

Walker Lane, im Süden

durch die Garlock Verwerfung

und im Westen durch die

Sierra Nevada

Quelle: Monastero et al., 2000

geothermisches feld coso kalifornien3
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Problematik
    • Kraftwerk-Entwickler gehen in der Regel von einer Nutzungsdauer von 20 bis 30 Jahren für eine geothermische Ressource aus
    • Trotz guter geologischer Bedinungen wiesen einige der Brunnen des Coso Reservoirs zunehmend geringere Fließraten auf
    • Abnahme der Kapazität in Coso
      • Rückgang von Temperaturen und Drücken
  • Detaillierte Analyse des Feldes mit Hilfe von Probebohrungen
geothermisches feld coso kalifornien4
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Probebohrung auf der Ostflanke des Coso Feldes
    • Bodenphysikalische Untersuchung von Gesteinsproben
      • Porendruck, Druckfestigkeit des Gesteins, Spannungen

im Gestein sowie eine petrographische Analyse

    • Hydraulische Spannungsmessung
      • Bohrloch wird mit Druck beaufschlagt
      • Drücke und Durchflüsse werden gemessen
        • Druck der ausreichenden Durchfluss gewährleistet
        • Maximale Druck der Gesteinsbrocken lösen kann
geothermisches feld coso kalifornien5
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Bilddatenanalyse
    • ElectricMicroImager (EMI)
      • Analyse zum Nachweis makroskopischer Brüche, die das Bohrloch schneiden
      • Aussage über räumliche und strukturelle Gliederung von Gesteinsschichten
    • Programm GMI-Imager, entwickelt für digitale Bohrloch- analyse, analysiert natürliche Brüche und deren Fallrichtung
      • Datengrundlage: ElectricMicroImager
      • Am Beispiel eines Brunnens der Ostflanke ergab sich eine Häufung der Fallrichtung 90° und 270° (Norden = 360°)
      • Fallrichtung des Brunnens der Ostflanke Richtung

Zentrum des Feldes

Quelle: US Geological Survey

geothermisches feld coso kalifornien6
Geothermisches Feld Coso, Kalifornien
  • Eine Erhöhung der Effizienz und Lebensdauer durch Anwendung von Verbesserten Geothermischen Systemen wurde im Detail erreicht durch:
    • Verbesserte Energieumwandlung
    • Neue Injektionsbrunnen am Rande der Ostflanke die die Fließrate in Richtung des Zentrums des Feldes erhöhen
    • Gezielte Injektion und Stimulation der Ostflanke Verbesserung der Durchlässigkeit
    • Chemische Behandlung zur Minderung der Korrosion
fazit
Fazit
  • EGS
    • Hebt die Geothermische Energieproduktion auf ein höheres Level
    • Produktivität und Lebensdauer eines Feldes wird erhöt
    • Emittiert wenig bis gar keine Treibhausgase (Kreislaufsystem)
    • Energieproduktion rund um die Uhr mit hoher Verfügbarkeit
    • Zukunft Geothermischer Energieproduktion
    • Vorsicht in Urbanen Gebieten!

Durch Stimulation des Untergrundes können Erschütterungen hervorgerufen werden

quellen
Quellen
  • IN SITU STRESS, FRACTURE, AND FLUID FLOW ANALYSIS IN WELL 38C-9: AN ENHANCED GEOTHERMAL SYSTEM IN THE COSO GEOTHERMAL FIELD, Sheridan und Hickman
  • California Claims theWorld’sHighest Geothermal Power Output, WithPotential for Even More ProductionWithAdvancedTechniques, Sass, Priest und U.S. Geological Survey
  • Model forSuccess- An Overview of Industry-Military Cooperation in the Development of Power
  • OperationsattheCoso Geothermal Field in Southern California, Monastero, Geothermal Program Office, U.S. Naval Air Weapons Station, China Lake
  • Geothermal Technologies Program, http://www1.eere.energy.gov/
  • Geothermische Stromproduktion aus Enhanced Geothermal Systems, Häring