Präsentation Geothermie/Geophysik Verbesserte Effizienz Geothermischer Systeme von Niklas Lange

1. Präsentation Geothermie/GeophysikVerbesserte Effizienz Geothermischer Systemevon Niklas Lange Beispiel geothermisches Projekt Coso, Kalifornien 13.09.2011

2. Gliederung • Einleitung und Motivation • Nutzungsarten der Geothermie • Geothermisches Potenzial Global • Verbesserte Geothermische Systeme • Geothermisches Feld Coso, Kalifornien • Fazit

3. 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

4. Nutzungsarten der Geothermie • Verschiedene Tiefen • Oberflächennahe Geothermie • Tiefe Geothermie • Grenze bei 400 m • Verschiedene Temperaturniveaus • Hoch-Enthalpie-Systeme • Nieder-Enthalpie-Systeme

5. 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

6. Nutzungsarten der Geothermie • Nieder-Enthalpie-Systeme • Überwiegend in Gebieten nichtvulkanischer Aktivität • Ausschließliche Wärmenutzung • Temperaturbereich: bis 90°C • Erdwärmesonden-Anlagen oder Thermalwasser-Erfassungs-Anlagen

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. Nutzungsarten der Geothermie Auswahl eines geeigneten Reservoirs Injektions- und Stimulations- bohrungen Energetische Nutzung des Reservoirs Quelle: http://egs.egi.utah.edu/index.htm

12. Nutzungsarten der Geothermie Schaubild eines Verbesserten Geothermischen Systems Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

13. Nutzungsarten der Geothermie Quelle: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/

14. 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

15. Geothermisches Potenzial Global

16. 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

17. 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

18. 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

19. Geothermisches Potenzial Global • Klassifikation des Geothermischen Potenzials

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

29. 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