PRÄSENTATION GEOTHERMIE/GEOPHY

SIK

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 Verbesserte Geothermische Systeme

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Fazit

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 Verschiedene Tiefen

Oberflächennahe Geothermie Tiefe Geothermie

Grenze bei 400 m Verschiedene Temperaturniveaus

Hoch-Enthalpie-Systeme Nieder-Enthalpie-Systeme

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 Geothermie Nieder-Enthalpie-Systeme

Überwiegend in Gebieten nichtvulkanischer Aktivität

Ausschließliche Wärmenutzung Temperaturbereich: bis 90°C Erdwärmesonden-Anlagen oder

Thermalwasser-Erfassungs-Anlagen

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 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 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 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 geschertSchieb- und Schwerbewegungen im Millimeterbereich

Lässt der Druck nach, passen die Flächen nicht mehr genau aufeinander anhaltende Verbesserung der Durchlässigkeit

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 GeothermieSchaubild eines Verbesserten Geothermischen Systems

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

Nutzungsarten der Geothermie

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

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 Global

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 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 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 Global Klassifikation des Geothermischen

Potenzials

Geothermisches Feld Coso, Kalifornien Kalifornien enthält

die größten geothermischen Kraftwerkskapazitäten der USA

Leistung 3.000 MW Überdurchschnittlic

h hohe Wärmeströme (>200 °C in einer Tiefe von 3 km)

Quelle: USGS – U.S. Geological Survey

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 Caithness Energy 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, 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, 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, Kalifornien Probebohrung auf der Ostflanke des Coso

Feldes Bodenphysikalische Untersuchung von

Gesteinsproben Porendruck, Druckfestigkeit des Gesteins,

Spannungenim 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, Kalifornien

Quelle: US Geological Survey

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

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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 the World’s Highest Geothermal Power Output, With Potential for Even More Production With Advanced Techniques, Sass, Priest und U.S. Geological Survey

Model for Success - An Overview of Industry-Military Cooperation in the Development of Power

Operations at the Coso 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