16.03.2010 geothermische stromerzeugung - vom reservoir bis zur turbine ernst huenges
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16.03.2010
Geothermische Stromerzeugung- vom Reservoir bis zur Turbine
Ernst Huenges
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst Huenges
Vier Wege in eine CO2-ärmere zukünftige Energieversorgung
Energieffizienzsteigerung in der Stromerzeugung und im Verbrauch
Ausweitung der erneuerbaren Energiebereitstellung durch Wind-,Solar- ,Biomasse- und geothermische Nutzung Abtrennung von CO2 bei der Nutzung fossiler Energien und anschließende Sequestrierung Nutzung der Kernenergie
In den nächsten Jahrzehnten gibt es folgende Optionen zur Reduktion von CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung:
• Ca. 5000 fossil gefeuerte Kraftwerke weltweit 11 Gigatonnen/Jahr (IPCC 2005)
• davon in D 0,4 Gigatonnen/Jahr (REECS 2007)
CO2-Emissionen heute:
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst HuengesLinz, 19. November 2009 ; Dr. Ernst Huenges: Geothermische Technologien – Exploration, Erschließung, Nutzung
Vorteile der Nutzung geothermischer Energie
sehr großes noch unerschlossenes Potenzial für nachhaltige Energieversorgung dezentral einsetzbarer, grundlastfähiger, heimischer Energieträger
CO2-arme Bereitstellung von Wärme und Strom
kombinierbar mit anderen grundlastfähigen und nicht grundlastfähigen Energieträgern (Biomasse, Braunkohle, Solarthermie, Windenergie) oder mit CCS hohe Akzeptanz
Nachteile hohe Anfangsinvestitionen Industrieinteresse in EU noch schwach (Vorreiter ENEL) lokal Irritationen mit Einfluss auf Akzeptanz (Basel, Landau) Lernkurve der tiefen Geothermie in der Startphase
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst Huenges
Japan535 MW
Russia 79 MW
Philippines 1970 MW
Indonesia 992 MW
New Zealand 472 MW
USA 2687 MW
Costa Rica163 MW
Kenya 129 MW
Iceland421 MW
Italy 811 MW
Turkey38 MW
Portugal 23 MW
Ethiopia 7 MW
France 15 MW
China 28 MW
Mexico 953 MW
Australia 0,2 MW
Austria 1 MW
Germany 7 MW
El Salvador204 MW
Guatemala53 MW
Nicaragua87 MW
PapuaNew Guinea
56 MW
Thailand 0,3 MW
total installed capacity in 2009 = 11 GW 76 TWh/a
Bertani, 2009
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Geothermal energy production
Fridleifsson et al, 2008
TW
h /
year
year
140 GW
0
1
10
100
1,000
10,000
100,000
1904
1913
1923
1930
1943
1944
1950
1960
1963
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2009
Inst
alle
d cap
acity
Power (MWe) Direct uses (MWt)
World War II
IPCC 2010
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CO2-Emissions @ geothermal power production
Geothermal: plants in USA -open cyclesCoal, oil, gas: DOE, Bloomfield et al. (2003)
EGS-LCAFrick et al. (2008)
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst HuengesLinz, 19. November 2009 ; Dr. Ernst Huenges: Geothermische Technologien – Exploration, Erschließung, Nutzung
Geothermal electricity production - conventional
Mitigation potential substituting:
Fridleifsson et al, 2008
/ ye
ar
Mitigation of one Gigatonne CO2/year thinkable
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Prinzip tiefer Erdwärmenutzung
• Binär-Kreislauf Organic Rankine oder Kalina Cycle
Grundprinzip• Thermalwasserkreislauf cc~ 100 - 200 °C, Tiefe : ~ 2 - 5 km
Herausforderungen:• Wo ist das Reservoir?
• Effiziente Nutzung und Wandlung der Wärme
• Erschließung / Stimulation => Enhanced Geothermal System
Direkte Nutzung von Geothermie für Wärme/Kälte und Elektrizität
Turbine
Heat exchanger Evaporator
Condenser
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Projektphasen „Tiefengeothermie “
Geothermie-Forschungsfelder, Umfang abhängig von Standort
Untertage
Vorbohrung,loggen, testen,
stimulieren detaillierte Machbarkeits-
studie
Basis- Exploration,Geologische
Modelle,Gesteins-
eigenschaftenT-Modelle,Stress-Feld
Vertiefte Prospektionz.B. geophys. Feldarbeiten, vorläufiges Reservoir-
modell
Standort-entwicklung
Dublette,Leistungs-
überprüfung
Übertage
Geothermische Anlage
(Strom oder Wärme)
Engineering, Bau,
Inbetriebnahme
System-leistung
Ziel-gebiet,
Erlaubnis-feld
1.Mach-barkeits-einschät
-zung
2.Mach-barkeits-einschät
-zung
Nutzungs-
konzept
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stress regimes and their impact to frac orientation
Normal Faulting Strike Slip Reverse
redrawn by Inga Moeck
hydraulic stimulation (Enhanced Geothermal Systems)
Fokker 2007
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In situ Geothermielabor Groß Schönebeck
• In situ Geothermielabor Groß Schönebeck mit 2 Forschungsbohrungen im Sediment ( 4.3 km Tiefe und 150 °C)• 2.Bohrung (großer Durchmesser, Ablenkung, speicherschonender Ausschluss)• Reservoirgesteine beider Bohrungen erfolgreich stimuliert
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reservoir engineering
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frac equipment
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13000 m³ water(pH5)
24 t sandPmax = 586 barQmax = 150 liter/sec.
Zimmermann et al. In prep.
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relocation of induced seismic events
-2 < M < -1
Kwiatek et al. 2010 submitted
Groß Schönebeck
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relocation of induced seismic events-2 < M < -1
Understanding induced seismicity,Soultz, Basel, Geysers & othersrefined stimulation treatments to enhance hydraulic productivity while reducing the risk of seismic hazard, instruments for assessment
Kwiatek et al. 2010 submitted
Groß Schönebeck
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst Huenges
500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl
95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated)
Pmax= 380 barQmax = 66 liter/sec.
Zimmermann et al. 2010
DPG Jahrestagung Bonn 16 März 2010 ; Dr. Ernst Huenges
500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl
95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated)
Pmax= 380 barQmax = 66 liter/sec.
500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl
113 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated)
Pmax= 495 barQmax = 58 liter/sec
13000 m³ water(pH5)
24 t sandPmax = 586 barQmax = 150 liter/sec.
Zimmermann et al. I2010
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0 10 20 30 40 50
4000
4100
4200
4300
4400
dept
h [m
]
cumulative flowcorrected [m³/h]
Perforation
Frac 1
Frac 2
Frac 3test 2009:productivity index 13-15 m³/(h MPa)temperature 150 °C
next steps:• long term communication experiment• geothermal power production
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Projektphasen „Tiefengeothermie “
Untertage Übertage
Gro
ß S
chö
neb
eck
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Kommunikationsexperiment
• Zeitliches Verhalten der Eignungsparameter
• Leistungskriterien wie Produktivitäts-/Injektivitäts-Index
• Zusammensetzung des Thermalwassers
• Reservoireigenschaften
• Zeitverhalten der Druck- und Temperaturverhältnisse
• beteiligtes Reservoir-Volumen Thermalwasserzirkulation
• Begrenzungen des Reservoirs
• Untersuchung verfahrenstechnischer Fragen
• Korrosion und Fällungsreaktionen
• Komponentenverhalten
• …
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Cl; 4719Ca; 1347
Na; 1671
K; 74 other; 115
Sr29
Mg 22
Br 18
Mn4.9
Fe; 2.0
Li 29
Pb; .0.8
SO4; 1.45
SiO2; 1.2 NH4; 4.1 Zn; 1.1
Groß Schönebeck Fluidzusammensetzung
Chemische Zusammensetzung (in mM) des GrSk Fluids
Hauptkomponenten
Nebenkomponenten
A) Lösung: TDS = 265 g/L B) Gase: Verhältnis von Gas:Flüssigkeit = ca. 1:1
in mM; Zeitraum: 2003-2008
CH4: 13.84
N2: 85.1
CO2: 0.3 CH4
N2
CO2
He
40Ar
H2
O2
Kaum reaktive Gase (CO2, H2S) in GrSk
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Thermalwasserkreislauf: Komponenten und ProzesseSlide 24/42
Förderpumpe
Injektions-pumpe
Filter
Armaturen
RohrleitungZweiphasen-
Strömung
KraftwerkWärme-
übertragung
Teststrecke
Chem. Reaktionen
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Wärmeübertrager
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Kleinkraftwerk 60 kW,dezentrale LösungIndonesien2010-2013
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Freitag, 12.03.10
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Nachhaltigkeit GEOEN
In Situ Labor Groß
Schönebeck
GFZ KP II
Korrosion
System-qualifizierung
Projekte
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„geothermische“ Forschungskonzeption
Komponenten
Kraftwerk
Thermalwasser-kreislauf
Bohrungen
Induzierte Risse
Natürliche Wegsamkeiten
Hydraulisch-geologisches System
Prozesse
Wärmeübertragung
Chemische Reaktionen
Korrosion & Ausfällung
2-Phasenfluss & hyd. Leitfähigkeit (p, T, C)
Trennflächensysteme & Bruchmechanik
Poro- & Thermoelastizität (Risse)
Gesteinsalteration (incl. clay swelling)
Engineered Geothermal System
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Ausblick
Qualifizierung geothermischer Technologien:• Verlässlichkeit der Systemkomponenten und deren Zusammenspiel• effiziente Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes• (umfassende Risikobewertung zu Aufbau und Betrieb geothermischer Energiebereitstellung)
In situ Geothermielabor:• Leistungstest und Weiterentwicklung von Systemkomponenten unter extrem unwirtlichen Thermalwasser-Bedingungen• Überprüfung ihres Zusammenspiels in variierenden Betriebsbedingungen Experimentiermöglichkeit auch für Studenten mit guten Ideen• Demonstration (lokal bedingt) effizienter Energiebereitstellung auf Basis eines ganzheitlichen Ansatzes• Validierung von numerischen Programmen, die Prozesse untertage und übertage verknüpfen
Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit