geothermische technologien für strom, wärme und kälte, ernst huenges arbeitskreis energie dpg,...

Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07

Geothermische Bereitstellung von Strom, Wärme oder Kälte

Strom: Groß SchönebeckWärme, Kälte: Parlamentsbauten

Ernst HuengesGeoForschungsZentrum Potsdam


Geothermische Energie

Chancen:

umweltfreundlich saison- und tageszeitunabhängig ressourcenschonend mit großem Potenzial auch in unseren Breiten

1904 Larderello, Italien:nach Lund (Geo-heat center, Oregon)


Bereitstellung von ca. 9 GWelektr. und ca. 18 GWtherm. aus Geothermie weltweit

Bedarf an geothermischer Technologie für „non hot spots“


Planungen in den USA (DOE 2007)


CommercialPotentially commercial

productivehydrothermal

HotDryRock

*Mechanical, chemical, or thermal stimulation, directional drilling etc.

Suitable for reservoirenhancement*

High Zeronatural permeability

mod.from USGS

Gro

ß Sc

höne

beck

Soul

tz-s

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Fore

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Coo

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asin

AU

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chin

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cks

IS

Land

au


Entwicklung geothermischer Technologien

• Nutzung Organic Rankine oder Kalina Cycle

Prinzip• Thermalwasserkreis ~ 100 - 200 °C, ~ 2 - 5 km tief

Herausforderung:

• das Reservoir finden

• die Wärme effizient fördern und wandeln

• erschließen und stimulieren


Hydrothermale Ressourcenin Deutschland

Gebiete mit hydrothermalen Energieressourcen

Gebiete mit potenziellen hydrothermalen EnergieressourcenGebiete ohne nachgewiesene hydrothermale EnergieressourcenGrundgebirge ohne oder unter geringer Sedimentbedeckung

Rostock

Berlin

Hannover

Köln

München

Stuttgart

Hamburg

Leipzig

Dresden

N o r d d e u t s c h e s B e c k e n

ThüringischesBecken

BayrischesMolassebecken

Altheim

Neustadt-Glewe

Groß Schönebeck

Basel

Soultz

Landau

Ober-Rhein-graben

Frankfurt

Unterhaching


profile line

I-GET Experiment, Site Groß Schönebeck


Forschungsstandort Groß Schönebeck

• 2 Forschungsbohrungen im Sedimentgestein in • 4.3 km Tiefe bei 150 °C

Was wurde gemacht und erreicht:• erfolgreiche Stimulation der Speichergesteine durch „hydraulic- fracturing“ in 1.Bohrung• 2. Bohrung mit neuem Erschließungs- konzept (großer Durchmesser, geneigter Verlauf und speicherschonender Aufschluss) Ziel: • Nachhaltige Zirkulation mit heißem Tiefenwasser, Steigerung bis zum wirtschaftlich nutzbaren Bereich


Produktivitätssteigerung (hydraulic fracturing)

• Erzeugung einer Zone erhöhter Permeabilität• Vergrößerung des scheinbaren Bohrlochradius• Überwindung ev. geschädigter Übergangszone im Nahbereich der Bohrung• Verbesserung der Zuflussbedingungen


waterfrac Nov/Dec 2003

wellbore completion frac string installation

HP triplex pumps 80 l/s bei 500 bar 4000 kW

1500 m³ storage acidization filter systems


production test Groß Schönebeck 1.12.03

productivity index ~ 14 m³/(h MPa) @ fracture opening/closure pressure enhanced from 0.6 m³/(h MPa)


Beginn der zweiten Tiefbohrung in

Groß Schönebeck

c Geothermal Education Office


Komplettierung des Geothermielabors Groß Schönebeck

Drilling challenges› großer Durchmesser› „balanced drilling“ › gerichtetes Bohren

Richtbohrkonzept


Drilling Performance

ROP much less than expected:

• significantly larger diameter

• Insufficient pumping capacity

• improper bit selection

16“ PDC-bit after drilling of 7m unexpectedly abrasive sandstone


Drilling problems

Total fluid loss during cementation of casing 16“ x 13 3/8“ (density 1450 kg/m³)

To prevent thermally induced casing damage (during production) => squeeze cementation from top - down


Drilling problems

9 5/8“ liner collapsed after reduction of the mud density from 2000 kg/m³ to 1060 kg/m³

Causes not yet clear:

• Design – according to the rules with an overburden pressure gradient of 2,3

• Casing material – certified quality

• Anisotropic stress due to well inclination of about 20° in connection with anhydrite content of the salt?

Ovality 8 mm


Remedy for the collapse

Replacement of the collapsed 9 5/8“ liner by a 7“x7 5/8“ liner after sidetracking

Repeated attempts (4 times) to set the mechanical anchor of the whipstock required the modification of the anchor for a reliable operation in mud with 40% baryte content


Remedy for the collaps

Loss of one casing dimension:

• Adjustment of the borehole design

• 5 7/8“ drilling of the Rotliegend section

• Running and cementing of a combined 5“ liner with an uncemented section of preperforated pipes at the bottom.


Ausbau Geothermielabor Groß Schönebeck

Vor uns liegende Ziele:1. Fündigkeit für 750 kW-Kraftwerk2. Nachweis der Nach- haltigkeit (Zirkulation)


Geothermische Stromerzeugung


Binäranlagen

Einsatzgebiet– Temperatur & Druck des Thermalwassers– Mineralisation des Thermalwassers

Verfügbare Systeme– Organic Rankine Cycle (ORC)– Kalina Kreislauf

Leistungsbereich 0,1 – 5 MW

Unabhängig von Saison, Wetter und Tagesgang

Wie wird ein Geothermievorkommen am effektivsten genutzt?Köhler 2005


Wirkungsgrade geothermischer Kraftwerke

Der Maschine zugeführt

Im Thermalwasser 0i n,bbbTTcm& -××

In die ErdeAuskühlungswirkungsgradha

technische Arbeit,reversibler Prozess

Abwärme, reversibler Prozess

Thermischer Wirkungsgradhth

Mechanischer Wirkungsgradhm

Turbinenwirkungsgradhi,tur

realeMaschine

An der Welle

Vom Gene-rator

Turbinenverluste

mechanische Verluste

GeneratorverlusteGeneratorwirkungsgradhgen

NetzP net

EigenbedarfEigenbedarfswirkungsgradhei

Mechanischer Wirkungsgradhm

Turbinenwirkungsgradhi,tur

Im Thermalwasser0i n,bbb

TTcm& -××

P ne t

In die Erde

Abwärme, reversibler Prozess

Turbinenverluste

mechanische Verluste

Generatorverluste

Eigenbedarf

Thermischer Wirkungsgradhth

Auskühlungswirkungsgradha

Generatorwirkungsgradhgen

Eigenbedarfswirkungsgradhei

( ) e ig e nmt u r,it ha

0bbb

n e t

sTTcm

Ph×h×h×h×h×h=

-×=h

&

Köhler 2005


Ausgangssituation

Wärmequelle – Temperatur

100°C – 200°C– Massenstrom

50 – 200 m³/h (~14 – 55 kg/s)

– Begrenzte Wärmeleistung ~ 5 to 50 MWth pro Bohrung

– Sensible Wärme Ziel

– Elektrische Energie– Wirkungsgrad

Weg– Systeme– Auslegung & Freiheitsgrade– Eignung der Systeme

Entropie

Tem

pera

tur

Wärmequelle

Wärmesenke

Kreisprozess


ORC im Temperatur-Entropie-Diagramm

0

25

50

75

100

125

150

0 50 100 150 200 250

Entropie (J/mol K)

Tem

pera

tur (

°C)

1

2

3 4

5

C F5 12

Köhler 2005


Kalina KCS 34 Schema

7

6

GrundlösungAmmoniakreicher Dampf

Speise-pumpe

Absorber

Turbine/Generator

Produktions-bohrung

Förder-strang

Injektions-bohrung

Tief-pumpe

Kühlwasser-pumpe

Separator

Wärme-senke

G

12

5

6’’

11

Vor-wärmer

Desorber

4

Ammoniakarme Flüssigkeit

HT-Rekuperator

LT-Rekuperator3

6’8 9

10

4

Köhler 2005


K ü h l w a s s e r

D e s o r b e r

Th e

r ma l w

a s s e r

Tem

pera

tur

Wärmeleistung

1

10

2

6

5

Qab Qzu

V o r w ä r m e r

TKW,in

TKW,ou t

Tb,in

Tb,out

DTmin,ab

K ü h l w a s s e r

D e s o r b e r

Th e

r ma l w

a s s e r

Tem

pera

tur

Wärmeleistung

H T - V o r w ä r m e r

1

11

10

2

3

4

6

5

6’

8

Qab QzuQre

V o r w ä r m e r

L T - V o r w ä r m e r

TKW,in

TKW,ou t

Tb,in

Tb,out

DTmin,ab

Kalina Wärmeübertragungsdiagramm

Köhler 2005


Systemwirkungsgrad ORC & Kalina

0%

2%

4%

6%

8%

10%

100°C 125°C 150°C 175°C 200°C

Thermalwasser Vorlauf

WasserkühlungLuftkühlung

Kalina

0%

2%

4%

6%

8%

10%

100°C 125°C 150°C 175°C 200°C

(R290) (RC318) (R600a) (R600) (i-C5)

Thermalwasser Vorlauf, (Arbeitsmittel)

Sys

tem

wirk

ungs

grad

WasserkühlungLuftkühlung

ORC

0 – 10 %


0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

0 50 100 150 200 250 300 350Volumenstrom Thermalwasser (m³/h)

Gen

erat

orle

istu

ng(k

W)

Wasserk

ühlung

Luftk

ühlung

100°C

150°C

200°C

Husavik121°C

Altheim 106°C

N-G 96°C

Abschätzung der Generatorleistung


Energie = Exergie + Anergie

Exergie = (reversibeler Prozessanteil) universell umwandelbarAnergie = (irreversibel Prozessanteil) nicht in Exergie umwandelbar

AnergieanteilBraunkohle: 65 %Geothermie: 50 – 80 %

h = Generatorleistung/(m(h-ho-To (s-so))

To Umgebungstemperatur

s-so Entropieproduktionsstrom


Abschätzung der Erträge

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

50 75 100

Volumenstrom Thermalwasser (m³/h)

Mill

ione

n €

aus Generatorleistungaus Nettoleistung Wasserkühlung

Ohne Kühlturm 8000 Volllaststunden Vergütung nach EEG

(0,15 €/kWh) Betriebskosten nicht

berücksichtigt


Thermische Untergrundspeicher in Energiesystemen (Parlamentsbauten)

Optimierung der Einbindung der Aquiferspeicher in die Wärme- und

Kälteversorgung der Parlamentsbauten im Berliner Spreebogen

19°C

12°C


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Wär

mel

eist

ung

(kW

)

Zeitdauer in h/a

MHKW- Wärme

Gesamtwärmebedarf

maximale MHKW- Wärme bei kompletter

Deckung des Strombedarfs

MHKW- Wärme in denSpeicher

Wärme aus demSpeicher

Wärme ausSpitzenlastkessel

Direktnutzung derMHKW- Wärme

Stromgeführte KWK: Beispiel Parlamentsbauten


SommerBela dung des Speichers

W in terEntla dung des Speichers

Verhalten der Aquiferspeicher

Be- undEntladung


Wärmespeicher

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2003/2004 2004/2005 2005/2006 Planung Jahr 5

Ener

giem

enge

MW

h

EinspeichernAusspeichern

h=0,62

h=0,53

h=0,76

h=0,77

Energiemengen und Rückgewinnungsgrad


Der energieeffiziente Betrieb von Versorgungssystemen mit Aquiferspeichern verlangt

die Entwicklung moderner Einsatzstrategien


Oberflächennahe Geothermie

Erfolgsstory: Zurzeit ca. 1 GWtherm installiert; 100.000 Anlagen, davon 28000

neue im Jahre 2006, das entspricht jedem 10. Neubau

Einsatz von Wärmepumpen notwendig; Jahresarbeitszahlen= Nutzwärme zu Pumpenergie liegen bei 3 Luft und 4 Erde

Saisonale Untergrundspeicherung von Wärme und Kälte in mehreren Beispielen eindrucksvoll demonstriert (z.B. Spreebogen, Rostock,.)

Integration saisonale Untergrundspeicherung in Versorgungsstrukturen mit Berücksichtigung der spezifischen Be- und Entladecharakteristik


Tiefe Geothermie (Stand/ Tendenzen)

Tiefe Geothermie bietet die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte in der Grundlast

Technik wird demonstriert für Wärme in Waren, Neustadt Glewe, Erding, Straubing, Unterschleißheim, Riem, Weinheim u.a., Strom in Neustadt Glewe

Nach Brancheneinschätzung befinden sich ca. 50 Anlagen > 10 MWtherm in der Ausbauplanung zur Bereitstellung von Strom und/oder Wärme

Herausforderungen durch hohe Anfangsinvestitionen und Bohr- sowie Fündigkeitsrisiken


Tiefe Geothermie

Forschung und Entwicklung erforderlich in

Planungssichere Erkundung

Innovativen Bohrtechnologien mit Reduktion von Energie- und Materialverbrauch

Technologien der hydraulischen Stimulation geothermischer Lagerstätten

Effiziente Energiewandlung (z.B. Niedertemperaturwärme in Strom und Kälte)

Demonstration der Technik in verschiedenen geologischen Umgebungen Weiterentwicklung von Technologien, die nicht auf geothermische Anomalien

beschränkt sind mit dem Ziel der Übertragbarkeit und Entwicklung der Exportfähigkeit

Landau 2005Groß Schönebeck 2001

Unterhaching 2004


National International

In situ geothermal laboratory Groß Schönebeck (1) Development of technologies for the allocation of base load energy from geothermal resources(2) Feasibility of geothermal power production from deep sedimentary hydrothermal resources

Integration of aquifer storage beneath the German Parliament into the energy provision system – optimisation of aquifer integration into the heating and cooling system of German parliament buildings

I-GET: Integrated geophysical explo-ration technologies for deep fractured geothermal systems (STREP)

ENGINE: Enhanced geothermal innovative network for Europe (Coordination Action)

LOWBIN: Efficient low temperature geothermal binary power (STREP)

Schlüsselprojekte der Geothermie

HITI: High Temperature Instrumentsfor supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation


EU-Projekt HITI

• Entwicklung und Bau von Prototypen von Messinstrumenten für heiße Bohrungen

• Methodenentwicklung zur Beobachtung tiefliegender geothermischer Reservoire

HIgh Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoircharacterization and exploitation

u.a.Quelle: IDDP


Entwicklung und Bau von Prototypen

• Niedertemperatur Rankine Cycle (Thermalwasser < 80°C)

• Kombinierte Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme (Gesamtwirkungsgrad > 90 %)

POLITECNICO DI MILANO (Polimi)

EFFICIENT LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL BINARY POWER (LOWBIN)


EU-Projekt ENGINE

• Zusammenführung und Ver- netzung europäischer For- schungsaktivitäten

• Förderung der Entwicklung innovativer geothermischer Technologien, um das nutzbare Potenzial geothermischer Energie zu erweitern

• Aufzeigen von Hemmnissen und Risiken, die einer breiten Nutzung noch entgegenstehen

• Definieren von Forschungs- bedarf und Vorbereiten neuer Forschungsprojekte

Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe (ENGINE)

geothermische technologien für strom, wärme und kälte, ernst huenges arbeitskreis energie dpg,...

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