Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte
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Geothermische Bereitstellung von Strom, Wärme oder Kälte Strom: Groß Schönebeck Wärme, Kälte: Parlamentsbauten Ernst Huenges GeoForschungsZentrum Potsdam Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Geothermische Energie Chancen: umweltfreundlich saison- und tageszeitunabhängig ressourcenschonend mit großem Potenzial auch in unseren Breiten 1904 Larderello, Italien: nach Lund (Geo-heat center, Oregon) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Bereitstellung von ca. 9 GWelektr. und ca. 18 GWtherm. aus Geothermie weltweit Bedarf an geothermischer Technologie für „non hot spots“ Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Planungen in den USA (DOE 2007) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Soultz-sous Forets Cooper Basin AU Groß Schönebeck Landau Unterhaching productive hydrothermal Basaltic rocks IS Commercial Potentially commercial HotDry Rock Suitable for reservoir enhancement* High natural permeability Zero *Mechanical, chemical, or thermal stimulation, directional drilling etc. Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges USGS Arbeitskreis Energie DPG, Badmod.from Honnef, 19.04.07 Entwicklung geothermischer Technologien Prinzip • Thermalwasserkreis ~ 100 - 200 °C, ~ 2 - 5 km tief • Nutzung Organic Rankine oder Kalina Cycle Herausforderung: • das Reservoir finden • erschließen und stimulieren • die Wärme effizient fördern und wandeln Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Hydrothermale Ressourcen in Deutschland Rostock Hamburg Neustadt-Glewe Norddeutsches Becken Groß Schönebeck Berlin Hannover Leipzig Thüringisches Becken Köln Dresden Frankfurt Gebiete mit hydrothermalen Energieressourcen Gebiete mit potenziellen hydrothermalen Energieressourcen Gebiete ohne nachgewiesene hydrothermale Energieressourcen Grundgebirge ohne oder unter geringer Sedimentbedeckung Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges OberRheinLandaugraben Soultz Stuttgart München Bayrisches Unterhaching Molassebecken Altheim Basel Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 I-GET Experiment, Site Groß Schönebeck profile line Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 „hydraulicfracturing“ in 1.Bohrung • 2. Bohrung mit neuem Erschließungskonzept (großer Durchmesser, geneigter Verlauf und speicherschonender Aufschluss) Ziel: • Nachhaltige Zirkulation mit heißem Tiefenwasser, Steigerung bis zum wirtschaftlich nutzbaren Bereich Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Produktivitätssteigerung (hydraulic fracturing) • Erzeugung einer Zone erhöhter Permeabilität • Vergrößerung des scheinbaren Bohrlochradius • Überwindung ev. geschädigter Übergangszone im Nahbereich der Bohrung • Verbesserung der Zuflussbedingungen Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 production test Groß Schönebeck 1.12.03 productivity index ~ 14 m³/(h MPa) @ fracture opening/closure pressure enhanced from 0.6 m³/(h MPa) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Beginn der zweiten Tiefbohrung in Groß Schönebeck c Geothermal Education Office Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Komplettierung des Geothermielabors Groß Schönebeck Drilling challenges › großer Durchmesser › „balanced drilling“ › gerichtetes Bohren Richtbohrkonzept Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Drilling problems 9 5/8“ liner collapsed after reduction of the mud density from 2000 kg/m³ to 1060 kg/m³ Ovality 8 mm 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? Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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. Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Ausbau Geothermielabor Groß Schönebeck Vor uns liegende Ziele: 1. Fündigkeit für 750 kW-Kraftwerk 2. Nachweis der Nachhaltigkeit (Zirkulation) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Geothermische Stromerzeugung Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Wirkungsgrade geothermischer Kraftwerke & b × c b × Tb , in - T0 m Im Thermalwasser Im Thermalwasser & b × c b × Tb ,in - T0 m Auskühlungswirkungsgrad ha Der Maschine zugeführt technische Thermischer Wirkungsgrad Arbeit, reversibler hth Prozess Turbinenwirkungsgrad hi,tur In die Erde Abwärme, reversibler Prozess reale Maschine Turbinenverluste Mechanischer Wirkungsgrad An der mechanische Verluste Welle hm Vom Generatorwirkungsgrad Generatorverluste Genehgen rator Eigenbedarfswirkungsgrad hei Netz Pnetne t Eigenbedarf Pnet hs = = ha × hth × hi ,tur × hm × hgen × hei & ( ) m c × T T b Huenges b 0 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, bErnst Köhler 2005 Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Ausgangssituation Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Wärmequelle Temperatur 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 Kreisprozess Wärmesenke Entropie Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 ORC im Temperatur-Entropie-Diagramm 150 Temperatur (°C) 125 100 3 75 4 50 5 2 25 1 C5F12 0 0 50 100 150 Entropie (J/mol K) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges 200 250 Köhler 2005 Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Kalina KCS 34 Schema 6’’ Desorber 6 Turbine/Generator G Separator 5 Förderstrang 6’ 7 8 Vorwärmer 4 HTRekuperator Tiefpumpe Produktions- Injektionsbohrung bohrung Grundlösung Ammoniakreicher Dampf Ammoniakarme Flüssigkeit Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges 9 3 10 LT-Rekuperator Wärmesenke 11 2 1 Speise- Absorber Kühlwasserpumpe pumpe Köhler 2005 Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Kalina Wärmeübertragungsdiagramm Tb,in 6’ 6 r Temperatur alw m er Th De sorber Tb,out 8 10 e ass 5 Vorwärmer 4 11 HT-Vorwärmer 3 LT- Vorw är mer 1 DTmin,ab TKW,in Kühlwasser Qab 2 TKW,ou t Qre Qzu Wärmeleistung Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Köhler 2005 Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Systemwirkungsgrad ORC & Kalina 0 – 10 % 10% 10% Kalina ORC 8% Systemwirkungsgrad Systemwirkungsgrad 8% 6% 4% 6% 4% 2% 2% Wasserkühlung Luftkühlung Wasserkühlung Luftkühlung 0% 0% 100°C (R290) 125°C 150°C (RC318) (R600a) 175°C 200°C (R600) (i-C5) 100°C 125°C 150°C 175°C 200°C Thermalwasser Vorlauf Thermalwasser Vorlauf, (Arbeitsmittel) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Abschätzung der Generatorleistung 3.000 G eneratorleistung (kW) 2.500 200°C 2.000 ng u l h kü r se s a g n W lu h tkü f Lu Husavik 121°C 1.500 150°C Altheim 106°C 1.000 500 100°C N-G 96°C 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Volumenstrom Thermalwasser (m³/h) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Energie = Exergie + Anergie Exergie = (reversibeler Prozessanteil) universell umwandelbar Anergie = (irreversibel Prozessanteil) nicht in Exergie umwandelbar Anergieanteil Braunkohle: Geothermie: 65 % 50 – 80 % h = Generatorleistung/(m(h-ho-To (s-so)) To Umgebungstemperatur s-so Entropieproduktionsstrom Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Abschätzung der Erträge 1,4 1,2 1,0 Millionen € Wasserkühlung Ohne Kühlturm 8000 Volllaststunden Vergütung nach EEG (0,15 €/kWh) Betriebskosten nicht berücksichtigt aus Generatorleistung aus Nettoleistung 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 75 100 Volumenstrom Thermalwasser (m³/h) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Thermische Untergrundspeicher in Energiesystemen (Parlamentsbauten) Optimierung der Einbindung der Aquiferspeicher in die Wärme- und Kälteversorgung der Parlamentsbauten im Berliner Spreebogen 12°C 19°C Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Stromgeführte KWK: Beispiel Parlamentsbauten 9000 Direktnutzung der MHKW- Wärme 8000 MHKW- Wärme in den Speicher Wärme aus dem Speicher 7000 Wärmeleistung (kW) Gesamtwärmebedarf 6000 Wärme aus Spitzenlastkessel maximale MHKW- Wärme bei kompletter Deckung des Strombedarfs 5000 4000 MHKW- Wärme 3000 2000 1000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Zeitdauer in h/a Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Verhalten der Aquiferspeicher Be- und Entladung So m m e r B e a l d u n g d e s S p e ic h e rs Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges W i n t e r E n tla d u n g d e s S p e ic h e r s Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Wärmespeicher Energiemengen und Rückgewinnungsgrad 4500 Einspeichern Ausspeichern Energiemenge MWh 4000 3500 h=0,62 h=0,77 3000 2500 h=0,76 2000 h=0,53 1500 1000 500 0 2003/2004 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges 2004/2005 2005/2006 Planung Jahr 5 Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Der energieeffiziente Betrieb von Versorgungssystemen mit Aquiferspeichern verlangt die Entwicklung moderner Einsatzstrategien Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Oberflächennahe Geothermie Erfolgsstory: Zurzeit ca. 1 GWtherm installiert; 100.000 Anlagen, davon 28000 neue im Jahre 2006, das entspricht jedem 10. Neubau Saisonale Untergrundspeicherung von Wärme und Kälte in mehreren Beispielen eindrucksvoll demonstriert (z.B. Spreebogen, Rostock,.) Einsatz von Wärmepumpen notwendig; Jahresarbeitszahlen= Nutzwärme zu Pumpenergie liegen bei 3 Luft und 4 Erde Integration saisonale Untergrundspeicherung in Versorgungsstrukturen mit Berücksichtigung der spezifischen Be- und Entladecharakteristik Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 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 Bohrsowie Fündigkeitsrisiken Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Tiefe Geothermie Forschung und Entwicklung erforderlich in Planungssichere Erkundung Innovativen Bohrtechnologien mit Reduktion von Energie- und Unterhaching Materialverbrauch 2004 Technologien der hydraulischen Stimulation geothermischer Lagerstätten Effiziente Energiewandlung (z.B. Niedertemperaturwärme in Strom und Kälte) Groß Schönebeck 2001 Landau 2005 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 Schlüsselprojekte der Geothermie 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 I-GET: Integrated geophysical exploration technologies for deep fractured geothermal systems (STREP) 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 Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges ENGINE: Enhanced geothermal innovative network for Europe (Coordination Action) LOWBIN: Efficient low temperature geothermal binary power (STREP) HITI: High Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 EU-Projekt HITI HIgh Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation • Entwicklung und Bau von Prototypen von Messinstrumenten für heiße Bohrungen • Methodenentwicklung zur Beobachtung tiefliegender geothermischer Reservoire Quelle: IDDP u.a. Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 EFFICIENT LOW TEMPERATURE GEOTHERMAL BINARY POWER (LOWBIN) Entwicklung und Bau von Prototypen • Niedertemperatur Rankine Cycle (Thermalwasser < 80°C) • Kombinierte Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme (Gesamtwirkungsgrad > 90 %) POLITECNICO DI MILANO (Polimi) Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07 EU-Projekt ENGINE Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe (ENGINE) • Zusammenführung und Vernetzung europäischer Forschungsaktivitäten • 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 Forschungsbedarf und Vorbereiten neuer Forschungsprojekte Geothermische Technologien für Strom, Wärme und Kälte, Ernst Huenges Arbeitskreis Energie DPG, Bad Honnef, 19.04.07
