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Hannover-Messe 2005

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Geothermische Energie: Unbegrenzt, umweltfreundlich und günstig

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Überall in der Erdkruste steigt die Temperatur mit der Tiefe an. Zum Beispiel ist die Temperatur in 3 km Tiefe in Teilen Deutsch-lands 120-180C.

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Treibhaus Schwimmbad

Geothermisches KraftwerkDie in den Gesteinen ge-speicherte Wärme kann zum Heizen, zur Stromerzeugung oder beidem genutzt werden.

Quelle: Orkustofnun

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Um die in Gesteinen gespeicherte Wärme ökonomisch nutzen zu können, sind detaillierte geologische Studien unverzichtbar – sogar in Gebieten wie Island, wo geothermische Felder häufig nahe der Erdoberfläche vorkommen.

Die heiße QuelleStrokkur aufIsland.

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Für geothermische Energie- gewinnung werden benötigt:

• ein Bohrloch für das Verpressen kalten Wassers,

• ein stimuliertes, bruchkontrolliertes Reservoir,

• ein Bohrloch zur Förderung heißen Wassers und ein Kraftwerk.

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a) detaillierte geologische und geophysikalische Studien, b) Laboruntersuchungen und c) numerische Modellierungen notwendig.

a

b c

Um das geothermische Potential eines Gebietes beurteilen zu können, sind

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Um das Risiko geothermischer Projekte zu minimieren, bzw. deren Erfolgschance zu optimieren, beginnen wir mit geologischen Geländestudien. Zum Beispiel untersuchen wir “erloschene” Paläo-Geothermiefelder, um heutige Geothermiefelder zu verstehen.

Teil eines Paläo-Geothermiefelds in Sedimentgesteinen in England.

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Um die Permeabilität (Wasserdurchlässigkeit) eines geothermischen Reservoirs zu verstehen, muss das Bruchsystem des Reservoir-gesteins bekannt sein. Dies ist ein Teil eines Bruch-systems im Buntsandstein bei Göttingen.

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Große Mengen geo-thermischen Wassers werden entlang von Störungen transportiert, wie dieser im Muschel-kalk bei Göttingen.

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Die Permeabilität eines geothermischen Reservoirs in einer Störungszone hängt einerseits vom Bruch-system, andererseits vom lokalen Spannungsfeld ab.

Störungszone in England

Schemaskizze mit verschiedenen Spannungsfeldern

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Teil eines erloschenen geothermischen Felds, bestehend aus Mineralgängen, in einer Störungszone auf Island.

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Geländestudien müssen durch Laborbestimmungen der Gesteins-eigenschaften an Proben des potentiellen Reservoirgesteins ergänzt werden.

Festigkeitsprüfung

Rasterelektronen-mikroskopie

Texturanalyse

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Mittels Laboruntersuchungen an Gesteinsproben werden Perme-abilitäten bestimmt und untersucht, wie Permeabilitäten vom lokalen Spannungsfeld, bzw. Gesteinsgefügen abhängen.

H

P

h

P

Hh

Spannungs-kontrollierte Permeabilität

Gefüge-kontrollierte Permeabilität

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Gelände- und Laboruntersuchungen sollten durch numerische Modellierungen ergänzt werden, um die Ausbreitung und Vernetzung von Brüchen sowie den Fluidtransport im potentiellen Reservoir vorher- zusagen. Diese Untersuchungen sind ebenso wichtig, um die zur Steigerung der Permeabilität nötige Stimulierung des Reservoirs zu bestimmen.

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Beispiel eines sehr einfachen numerisch-en Modells der Aus-breitung eines fluid-induzierten Bruchs (“Hydrobruchs”).

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Numerische Modelle der Spannungskonzentration (links) und Richtung der Ausbreitung von Hydrobrüchen (rechts). Die dünnen Schichten sind weich, die dicken Schichten sind steif. Dieser Unterschied der mechanischen Eigenschaften der Schichten kontrolliert weitgehend ob, und in welche Richtungen, sich Hydrobrüche ausbreiten.

Richtung der Ausbreitung von Hydrobrüchen

Konzentration der Zugspannung

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Basierend auf geologischen und geophysikalischen Untersuchungen wird der Standort eines geothermischen Reservoirs ausgewählt und die nötige Stimulation bestimmt. Die beiden grundlegenden Stimulationsmethoden sind (a) Hydraulische Bruchbildung und (b) massive hydraulische Stimulation.

Quelle: BGR

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Bei der hydraulischen Bruchbildung wird eine Flüssigkeit unter hohem Druck in die Reservoirschicht verpresst und bildet einen Bruch. Dieser Bruch erhöht die Permeabilität des Reservoirs.

Quelle: Smith & Shlyapobersky 2000

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Bei der massiven hydrau-lischen Stimulation werden natürliche Brüche geöffnet, wodurch ein Reservoir hoher Permeabilität zwischen zwei Bohrlöchern erzeugt wird. Die Bruchöffnung erzeugt zahl-reiche Mikro-Erdbeben, die geortet werden können, wodurch die Ausbreitung des Reservoirs kontrolliert wird.

Quelle: Asanuma et al. 2002 (Tohoku University, Japan)

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Im Anschluss an geologische Untersuchungen, numerische Modellierungen und Stimulationsexperimenten, werden chemische Markierungsstoffe (“Tracer”) eingesetzt, um das Reservoir zu charakterisieren und dessen Permeabilität zu testen.

V in V out

Injektionsphase

Tracer 1, Tracer 2

Produktionsphase

Diffusionsfront(immobiles Wasser)

Puls-Input

Rückdiffusion

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Tracertests geben ebenso Aufschluss über die Oberfläche und Beschaffenheit des unterirdischen Wärmetauschers und das Nebengestein, und zeigen also, wie effektiv Wärme vom Gestein ins Wasser übergeht.

Durchführung von Tracer-Tests in Bad Urach.

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Große Teile Deutsch-lands (in der Karte hellgrün) sind für die Erzeugung künstlicher geothermischer Reser-voire besonders ge-eignet. Einige derzeitige geothermische Bohr-projekte sind durch große Punkte dargestellt.

Quelle: Geoforschungszentrum Potsdam

Groß Schönebeck

Hamburg

Hannover

ThüringischesBecken

Ober-rhein

graben

Dresden

Leipzig

Urach

Soultz Stuttgart

Frankfurt

Köln

Erding

Straubing

BayerischesMolassebecken

NorddeutschesBecken

Neustadt-Glewe

BerlinGenesys Horstberg

Basel

Speyer

Offenbach

Pullach

Unterhaching

Aachen

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Quelle: Shell

Ca. 14% des weltweiten Primärenergieverbrauchs wird derzeit durch erneuerbare Energieformen bereitgestellt. Es wird vorhergesagt, dass nicht-erneuerbare Energie-quellen bereits in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts zurückgehen werden.

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• Seit vielen Jahrzehnten werden hunderte Megawatt Wärme und Strom durch geo-thermische Energie erzeugt.

• Mehr als 20 Länder weltweit verwenden geothermischen Dampf zur Stromerzeugung. In fünf Ländern stammen 10-22% der gesamten Stromer-zeugung aus Geothermie.

Bohrung, die geothermischen Dampf für das geo-thermische Kraftwerk Nesjavellir, Island, liefert.

Quelle: Fridleifsson 2002

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Fazit Erfahrungen aus Island und anderen Ländern sind hilfreich für die

Bewertung des Potentials geothermischer Energie-gewinnung in Deutschland.

Wärmegradienten in Teilen Deutschlands sind ähnlich denen in den älteren Teilen Islands, also recht hoch.

Versuch und Irrtum sind in der Exploration potentieller geothermischer Reservoire selten erfolgreich.

Der am schwierigsten vorher abschätzbare Parameter für künstliche geothermische Reservoire ist die bruchkontrollierte Permeabilität.

Die Permeabilität kann mit Hilfe von Geländestudien, natürlichen Analogen, Laboruntersuchungen und numerischen Modellen abgeleitet werden.

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Geothermische Kraftwerke sind umweltfreundlich und können vielfältig verwendet werden: Die Blaue Lagune auf Island.

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