prÄsentation geothermie/geophysik verbesserte effizienz geothermischer systeme von niklas lange...
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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