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Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie:
Hydrothermale und Petrothermale Systeme
Florian Hosak
16.09.2010
1. Begriffsbestimmungen
2. Geophysikalische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung geothermischer Parameter
3. Hydrothermale Systeme
4. Petrothermale Systeme
5. Zusammenfassung
Agenda
2Florian Hosak
1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
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
3Florian Hosak
1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen
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
4Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
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 kf bezieht die Eigenschaften des z.T. hoch mineralisierten, gasreichen Wassers zusätzlich mit ein
k f Q
i A
k f K g
kf: Durchlässigkeitsbeiwert in ms-1
Q: Volumenstrom in m3s-1
i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m2
K: Permeabilität in m2
μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser
5Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
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
6Florian Hosak
1. Begriffsbestimmungen 2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
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
7Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
Quelle: [8]
1. Begriffsbestimmungen
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
8Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [5] Quelle: [7]
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
9Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [2]
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• ...
10Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Bohrlochmessverfahren zur Bestimmung physikalischer Größen der
Bohrlochumgebung :
11Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
4. PetrothermaleSysteme
3. HydrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [2]
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
5. Zusammen-fassung
12Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
1. Begriffsbestimmungen
13Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
Turbinenkreislauf
Thermalwasserkreislauf
Förderbohrung
Injektions-bohrung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [4]
Hydrothermale System
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
14Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [1]
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
15Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Anwendungsgebiete der Hydrothermalen Geothermie
• Speisung von Nah- und Fernwärmenetze• landwirtschaftliche bzw. industrielle Zwecke• Sonderfall: balneologische Anwendung in Thermalbäder
Einzelne (Produktions-) Bohrung ausreichend
Nachteil der hydrothermalen Geothermie:• räumlich beschränkte Verbreitung der Reservoirgesteine• Bindung an bestimmte Regionen für die Wärmenutzung
z.B. Oberrheingraben
16Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
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
17Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Turbinenkreislauf
Thermalwasserkreislauf
Förderbohrung
Injektions-bohrung
Förderbohrung
18Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [4]
Petrothermale System
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“
19Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [1]
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“
20Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [1]
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
21Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
Quelle: [1]
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
22Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
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.php am 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_preview am 11.09.2010
[8] Internetseite der GeoEnergy GmbH: www.geoenergy.de/.../Brhl/3D_Seismik_Modell.jpg am 11.09.2010
23Florian Hosak
2. Geophysikalische Untersuchungen
3. HydrothermaleSysteme
4. PetrothermaleSysteme
5. Zusammen-fassung
1. Begriffsbestimmungen
24Florian Hosak
Vielen Dank für Ihre
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