16.03.2010 Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges.

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


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


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


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


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


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


stress regimes and their impact to frac orientation

Normal Faulting Strike Slip Reverse

redrawn by Inga Moeck

hydraulic stimulation (Enhanced Geothermal Systems)

Fokker 2007


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


reservoir engineering


frac equipment


13000 m³ water(pH5)

24 t sandPmax = 586 barQmax = 150 liter/sec.

Zimmermann et al. In prep.


relocation of induced seismic events

-2 < M < -1

Kwiatek et al. 2010 submitted

Groß Schönebeck


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


500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl

95 t proppant(HSP 20/40coated/uncoated)

Pmax= 380 barQmax = 66 liter/sec.

Zimmermann et al. 2010


500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl


Pmax= 380 barQmax = 66 liter/sec.

500 m³ gel(YF140/145) + 4% KCl


Pmax= 495 barQmax = 58 liter/sec

13000 m³ water(pH5)

24 t sandPmax = 586 barQmax = 150 liter/sec.

Zimmermann et al. I2010


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


Projektphasen „Tiefengeothermie “

Untertage Übertage

Gro

ß S

chö

neb

eck


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

• …


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


Thermalwasserkreislauf: Komponenten und ProzesseSlide 24/42

Förderpumpe

Injektions-pumpe

Filter

Armaturen

RohrleitungZweiphasen-

Strömung

KraftwerkWärme-

übertragung

Teststrecke

Chem. Reaktionen


Wärmeübertrager


Kleinkraftwerk 60 kW,dezentrale LösungIndonesien2010-2013


Freitag, 12.03.10


Nachhaltigkeit GEOEN

In Situ Labor Groß

Schönebeck

GFZ KP II

Korrosion

System-qualifizierung

Projekte


„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


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


Danke für Ihre Aufmerksamkeit

16.03.2010 Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges.

Documents

Transcript of 16.03.2010 Geothermische Stromerzeugung - vom Reservoir bis zur Turbine Ernst Huenges.