Erhöhte Entzugsleistung von Erdwärmesonden in Salzstockhochlagen

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1 Erhöhte Entzugsleistung von Erdwärmesonden in Salzstockhochlagen Simulationsstudie Dr. Jörn Bartels 1, Joachim Fritz 2, Doreen Gehrke 1, Dr. Wolfgang Wirth 2 1 Geothermie Neubrandenburg GmbH, Seestraße 7a, Neubrandenburg 2 Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Stilleweg 2, Hannover

2 a. Fragestellung/Motivation b. Überblick Gesamtstudie c. Modellbeschreibung für Simulation der Entzugsleistung d. Resultate der Simulation e. Bewertung des energetischen Potentials Übersicht

3 Salzstockhochlage : Salzstöcke die mit ihrem Salzhut weniger als 200 m unter der Erdoberfläche stehen. Allein in Niedersachsen sind mehr als 80 solcher Salzstockhochlagen bekannt. Besondere geothermische Charakteristik: verglichen mit anderen Sedimentgesteinen, sehr hohe Wärmeleitfähigkeit des Salzes typische Temperaturanomalien im Umfeld von Salzstrukturen: über und im oberen Bereich der Struktur ist die Temperatur höher, unter und im unteren Bereich der Struktur dagegen niedriger, als in vergleichbaren Tiefen ohne Salzstrukturen Ansatz: Kombination von oberflächennahen (bis 400 m Tiefe) und mitteltiefen (bis 1000 m Tiefe) Erdwärmesonden mit einer Salzstockhochlage? Wie wird die thermische Entzugsleistung solcher Erdwärmesonden durch die Salzstruktur beeinflusst? Fragestellung/Motivation

4 2 Bohrungen 2.1 Bohrungskonzept (Aufschluss, Komplettierung, Ablauf) nach geologischer Vorgabe 2.2 Druckverlustberechnungen 2.3 Kostenschätzung Bohrungen 3 Simulation der nachhaltigen Entzugsleistung für Varianten (geologisch, Betrieb) (dieser Vortrag) 4 Wirtschaftlichkeitsbewertungen für die Varianten (Auslegung Wärmepumpe, Bohrungskosten, Kapitalkosten, Verbrauch und Wartung, ) 4.2 Ergebnisse (Spezifische Wärmekosten in Ct/kWh) Heizungsvorlauftemperatur 50 C Heizungsvorlauftemperatur 35 C... Überblick Gesamtstudie Effizienzvorteile Tiefer Erdwärmesonden in Salzstockhochlagen: Simulationsstudie & Wirtschaftlichkeitsbewertung Geothermie Neubrandenburg GmbH, 2009, für das LBEG Hannover

5 Bohrlochkonstruktionen für die Sonden bis 200 m Länge (a), bis 400 m Länge (b) und bis 1000 m Länge (c) für die Variante mit 100 m Salzstockabdeckung Angepasste Konstruktion der Koaxialsonde

6 3 Varianten Temperaturfeld 1 (ohne Salzstock, Referenzsituation) Temperaturfeld 2 (Salzstock mit 100 m Überdeckung und 85 m Gipshut) Temperaturfeld 3 (Salzstock mit 200 m Überdeckung und 85 m Gipshut) Schematischer Aufbau des 3-dimensionalen Modells: 17 Vertikalschichten känozoischen Sedimenten (gelb), mesozoischen Sedimenten (orange), permokarbonischen Gestein (violett), Gipshut (grün), Zechstein (Salzstock, blau) Berechnung des initialen Temperaturfelds (Simulator: FEFLOW)

7 Schnitt durch das Zentrum des simulierten 3D-Temperaturmodells des Salzstocks Benthe (oben) und Verteilung der Wärmeleitfähigkeit im Modell (unten) Modellkalibrierung Salzstockmodell

8 Temperaturprofile für das Sondenmodell Erdwärmesonden in Salzstockhochlagen

9 Rand- und Anfangsbedingung: T-Profil aus dem Salzstock T out T in Sondengeometrie: Tiefe m Thermostrang Zement Gebirge R= m Zylindersymmetrisches Modell für Rohrströmung und Wärmetransfer Sondenmodell (Simulator: SHEMAT)

10 T out T in Sondengeometrie: Tiefe m Thermostrang Zement Gebirge R= m Zylindersymmetrisches Modell für Rohrströmung und Wärmetransfer Sondenmodell (Simulator: SHEMAT)

11 Sondenteufe Temperaturfelder 100 m 1000 m T1, T2 und T3 Eintrittstemperaturen in die Erdwärmesonde 0 C (+ Frostschutz), 5 C und 10 C Umwälzmengen in der Erdwärmesonde Vollbenutzungsstunden 4, 6 und 8 l/s 2000 und 8000 Stunden/Jahr Heizungsvorlauftemperaturen 35 C und 50 C Anmerkung: An zwei Stellen wurde eine Annahmen getroffen, die dazu führt, dass die Ergebnisse als Maximalabschätzung für die in Salzstöcken erreichbare Steigerung der Entzugsleistung zu interpretieren sind: - tendenziell niedrige Wärmeleitfähigkeiten im umgebenden Gestein aus dem möglichen Werteintervall - Verwendung eines Temperaturprofils aus der Mitte des Salzstockes Simulierte Varianten

12 Spezifische Entzugsleistungen nach 10 Betriebsjahren als Funktion der Sondenteufe, Durchflussrate und Überdeckungsmächtigkeit für verschiedene Anzahl der jährlichen Betriebsstunden (2000 h (b, d) und 8000 h (a, c)) bei einer Sondeneintrittstemperatur von 10 C (a, b) und 0 C (c, d) Resultate

13 Steigerung der spezifischen Entzugsleistung durch den Salzstock als Funktion der Sondenteufe für verschiedene Jahresbetriebsstunden (2000 h, 8000 h) und Überdeckungsmächtigkeiten (T2=100 m, T3=200 m) bei einer Sondeneintrittstemperatur von 10 C (a) und 0 C (b) ohne Salzstock = 100 % Resultate

14 Temperaturprofil T1 ohne Salzstock Temperaturprofil T3 mit Salzstock Temperaturbedingte Steigerung WLF in Salzstockzone 1,9 W/m/K WLF in Salzstockzone 5,7 W/m/K 56 W/m 76 W/m + 36 % 112 W/m 126 W/m + 13 % WLF-bedingte Steigerung % + 66 % Ursachen für Leistungssteigerung

15 Kostenrelation zu T1 Kostenrelation zu T h/a 1,00 1,00 0,80 0,80 0,60 0,60 0,40 0,40 0,20 0,20 0,00 0,00 Kostenrelation zu T1 Kostenrelation zu T1 1,00 1,00 0,80 0,80 0,60 0,60 0,40 0,40 0,20 0,20 0,00 0,00 Erdwärmesonden in Salzstockhochlagen 0,97 0,92 0,97 0,92 0,97 0,97 0,65 0,65 0,50 0,49 0,50 0,49 0,46 0,46 1,05 0,92 1,05 0,92 0,74 0,74 0,59 0,59 0,50 0,50 0,47 0,50 0,50 0,47 0,94 0,97 0,95 0,94 0,97 0,95 0,70 0,70 0,56 0,57 0,56 0,56 0,57 0,56 1,04 0,93 1,04 0,93 0,77 0,77 0,63 0,63 0,55 0,58 0,58 0,55 0,58 0, T2 T T2 T3 Bohrungstiefe in m Bohrungstiefe in m Temp.- Temp.- feld feld T2 T T2 T3 Bohrungstiefe in m Bohrungstiefe in m Temp.- Temp.- feld feld 8000 h/a Beispiel: Wirtschaftlichkeitsbewertung bei Vorlauf Heiznetz 50 C

16 1. Bei Erdwärmesonden ab einer Teufe von 400 m ist mindestens von einer Verdoppelung der spezifischen Entzugsleistung auszugehen, wenn sie in einer Salzstockhochlage errichtet werden. 2. Bei einer günstigen Kombination von Sondenteufe und Mächtigkeit der Salzstockabdeckung erreicht man mit Sonden im Salzstock, eine Verdreifachung der spezifischen Entzugsleistung. 3. Bei flachen Sonden oberhalb des Salzes oder nur knapp darin führt die Summe aus dem negativen Einfluss der geringen Wärmeleitfähigkeit des Gipshuts und dem positiven Einfluss der (bis an die Oberfläche reichenden) Temperaturanomalie zu einer stark teufen- und überdeckungsabhängigen spezifischen Leistung der Sonde. Generell überwiegt hier der positive Effekt mit etwa 10 % Leistungssteigerung nur geringfügig. 4. Die Simulationsrechnungen zeigen damit, dass sich in Salzstockhochlagen für mitteltiefe Sonden energetisch äußerst günstige Konstellationen ergeben können Im konkreten Fall ist eine Standortstudie mit tatsächlicher Salzstockgeometrie, Sondenposition und Bedarfszahlen zur optimalen Sondendimensionierung unverzichtbar. nachzulesen auch in : Z. dt. Ges. Geowiss., 161/4, Dezember 2010 Schlussfolgerungen

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