Nutzung von Tiefengeothermie in Deutschland

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1 LUH - Ringvorlesung Transformation des Energiesystems Nutzung von Tiefengeothermie in Deutschland Hannover, 17. April 2013 Johannes Peter Gerling, BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

2 Inhalt Einführung Geothermie im süddeutschen Raum Geothermie in Norddeutschland Fazit GeneSys Lernkurve für Norddeutschland

3 Tiefe Geothermie: Hochenthalpiestandorte Vulkanische Gebiete Dampflagerstätten Heißdampf 1 kwh/kg (überwiegend Verdampfungswärme) Energiegehalt: Zum Vergleich: Erdöl : 10 kwh/kg Niedrigenthalpiestandorte z.b. Deutschland Heißwasser (flüssig) Heißwasser 0,1 kwh/kg (bei Abkühlung um 100 K) Faktor 100 höherer Massenstrom notwendig!

4 Geothermie weltweit Geoth. Kraftwerkskap.: (MW el, aus Bertani, 2010) USA : 3093 Philippinen : 1904 Indonesien : 1197 Italien : 843 Neuseeland : 628 Island : 575 Deutschland : 7

5 Hochenthalpie Äthiopien (Projekt GEOTHERM)

6 Erdwärmenutzung weltweit Installierte Leistung, 2005 Quelle: BGR, 2009

7 Aktueller Energieverbrauch gesamt + geothermisch Primärenergie (ohne Strom) Welt Gesamt Geoth. Anteil (%) (Wärme) 0, Deutschland Gesamt Geoth. Anteil (%) 3,5 (Wärme) Strom , ,01 0,1 Angaben in TWh pro Jahr Quellen: Bertani, 2010 Lund et al., 2010 Wikipedia: Weltenergiebedarf

8 Tiefe Geothermie in Deutschland: Geothermische Heizzentralen Heizzentralen, Status 2012: 20 Anlagen mit einer installierten Kapazität von ca. 187 MW t Temperaturverteilung in 2500 m Quelle: Schellschmidt, 2010 Daten aus: GtV

9 Tiefe Geothermie in Deutschland: Stromerzeugung Stromerzeugung 2012: 6 Anlagen mit einer installierten Kapazität von ca. 12 Mw el Temperaturverteilung in 2500 m Quelle: Schellschmidt, 2010 Daten aus: GtV

10 Aktuelle Geothermieregionen in Deutschland (Tiefe Geothermie) Norddeutsches Becken? Oberrheingraben Süddeutsches Molassebecken Quelle: Schellschmidt, 2010

11 Süddeutsches Molassebecken Permeable Karst u. Störungs- Strukturen (Malmkarst) Seismische Erkundung Erfolgreiche Erschließung (optional nach Säuerung) Referenzprojekt Unterhaching: Temperatur : 122 C Fließrate : 150 l/s Wärme (installiert) : 30 MW t Strom (installiert) : 3.4 MW e

12 Oberrheingraben Störungen/Klüfte (Muschelkalk, Buntsandstein, Granit) + Seismische Erkundung Photo: Fa. Bestec Referenzprojekt Landau: Temperatur : 160 C Fließrate (max.) : 70 l/s Wärme (installiert) : 6 MW t Strom (installiert) : 3,6 MW e

13 Oberrheingraben: Induzierte Seismizität Spürbare seismische Ereignisse (auch) im Regelbetrieb Investitionshemmnis / F&E-Bedarf Seismische Ereignisse seit 2000 mit Magnitude > 2 (max.: 4,5): Rot: tektonisch Gelb: induziert

14 Norddeutsches Becken Porenwasseraquifere: klassische hydrothermale Nutzung 0 m Kreide 1000 m Jura Keuper 2000 m Muschelkalk Buntsandstein 3000 m Zechstein 4000 m 5000 m Oberrotliegendes Unterrotliegendes Vulkanite Karbon

15 Norddeutsches Becken: Neustadt-Glewe Geothermische Heizzentrale Abnehmer Temperatur: 99 C Fließrate (max.): 35 l/s Wärme (installiert): 2 km Förderbohrung Injektionsbohrung Quelle: Fa. GTN 7 MW t Strom (installiert): 0,5 MW e

16 Geothermisches Potenzial, Heißwasseraquifere für Stromerzeugung (TAB-Bericht, 2002) Süddeutsches Molassebecken : 19 GWa el Oberrheingraben : 58 GWa el Norddeutsches Becken : 210 Gwa el? (v.a. Rotliegendes) (GWa: Gigawattjahr) Geringes Potenzial in aktuellen Vorzugsgebieten: Molassebecken + Oberrheingraben Geothermie im Norddeutschen Becken schwieriger (geringe hydr. Durchlässigkeit )!

17 Geothermisches Potenzial in gering permeablem Gestein Kristallingesteine Aus: TAB-Studie (2002) Kristallingebiete: GWa el (TAB) + Zusätzl. großes Potential im gering permeablen bzw. dichtem Gestein (sedimentär/metamorph)! Petrothermale Geothermie!

18 Hydraulic Fracturing (Hydraulische Risserzeugung) Schlüsselmethode zur Erschliessung gering permeabler Gesteinsformationen! Fluidinjektion mit Drücken oberhalb der Gebirgsspannung Erzeugung von Rissen senkrecht zur kleinsten Gebirgsspannung Economides & Nolte 2000

19 Hydraulic Fracturing (Hydraulische Risserzeugung) Stützmittelfrac : Injektion von Gel + Stützmittel Stützmittel zum Erhalt der Rissöffnung technisch aufwendig v.a. Verbesserung des bohrlochnahen Bereichs Wasserfrac : Injektion großer Wassermengen mit hohen Fließraten (z.b. 50 l/s) permanente Öffnung der Rissflächen durch Scherung Rissflächen bis zu 1 km 2 (in gering permeablem Gestein)

20 Das GeneSys-Projekt:

21 Demonstrationsprojekt Hannover: Vorgaben Nutzung von gering permeablen Sedimentgesteinen Erprobung von Einbohrlochkonzepten Wärmeversorgung des Geozentrums Hannover Thermische Leistung: 2 MW Vorlauftemperatur Primärseite: ca. 110 C Volumenstrom ca. 7 l/s Zielhorizont: Mittlerer Buntsandstein Finanzierung durch BMWi

22 GeneSys: Bohrung Speicherhorizont Wealden-Sandstein Förderung + Injektion Detfurth/Volpriehausen

23 Was ist bisher passiert? 2009 (6-11): Teufen der Bohrung Groß Buchholz Gt1 bis auf 3901 m : Untersuchungen/Tests im Wealden u. Buntsandstein Mai 2011: massiver Wasserfrac Volpriehausen Sandstein ( m) m 3 Juni/Oktober 2011: kurzzeitige Injektionstests Riss nachgewiesen November 2011: artesische Rückförderung nach drei Tagen Salzausfällungen im Ringraum und Förderstrang Fördertest abgebrochen

24 Das Medienecho

25 Was lernen wir aus der Bohrung Groß Buchholz Gt1 für die Tiefe Geothermie im Norddeutschen Becken?

26 Befund 1: Bohren im urbanen Umfeld möglich 3901 m Teufe voll-elektrische Anlage pipe handler 80 m bis zum nächsten Schlafzimmer 10 m hohe Lärmschutzwand, Länge 150 m

27 Tiefe (m) Befund 2: Hot Spot Hannover m 3000m 1000 Wealden Sdst Karten: Schellschmidt, Volpriehausen Sdst Temperatur ( C) Vergleichbare Temperaturen wie im Oberrheingraben (unterhalb 2500 m)! 3705 m: ca. 165 C (Perforation) 3900 m: ca. 170 C!

28 Kerne Permeability (md) 3500 Befund 3: Zielhorizont gering durchlässig 1950 Rho (kg/m 3 ) GR (API) Phi Phi Depth (m)

29 Befund 4 : Fracken im urbanen Umfeld möglich (1) ( m 3 Frischwasser; 5 Tage; bis zu 90 L/s)

30 Befund 4 : Fracken im urbanen Umfeld möglich (2) ( m 3 Frischwasser; 5 Tage; bis zu 90 L/s) Fracoperation: Begleitendes Monitoring Deformationsmessung (Uni Hannover) Schallmessung Seismologisches Monitoring Ergebnis: Keine seismischen Ereignisse oder Deformationen registriert!

31 Befund 4 : Fracken im urbanen Umfeld möglich (3) ( m 3 Frischwasser; 5 Tage; bis zu 90 L/s)

32 1250 Permeability (md) 1225 Core 1200 N 2 -Lift 1175 Befund 5 : Wealden ( m) gut leitend 1950 Rho (kg/m 3 ) GR (API) Phi Phi 1 T 0,8 Dm 1000 Side wall cores Depth (m)

33 Kopfdruck (bar) Befund 6 : Buntsandstein unter starkem Druck (Minifrac-Versuch) Break down hoher Fracdruck ( 410 bar bei Frischwasser) Shut in bleed off 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 Uhrzeit am :00 15:00 Uhrzeit am Rissschließdruck (ca. 750 bar): nahezu isotrope Spannungsbedingungen: S h = 0,85 S v (bei ρ m = 2,4 g/cm 3 ) (S V > S H > S h ) Wiederholung des Minifrac-Versuchs am : - Test reproduzierbar Ergebnis: Rückgewinnung der hydraulischen Energie im zyklischen Verfahren Jedoch: Wir benötigen Druck für Re-Injektion des Wassers

34 Befund 7 : Großer Riss geschaffen (1) Mai 2011: Fracoperation massiver Wasserfrac (keine Stützmittel!) großflächiger Riss als Wärmetauscher (> 0.5 km 2 ) hochpermeable Rissfläche

35 Befund 7 : Großer Riss geschaffen (2) Injektionstests nach der Fracoperation Frac Closure Injektionstest1 Injektionstest2

36 Befund 7 : Großer Riss geschaffen (3) Injektionstests im Juli/Oktober 2011 k (md) A (m 2 ) 0, , , p ~ t Formationslineares Fließregime Großflächiger, hochpermeabler Riss! Volumen: 90 m³ - Injektionsrate: 5 l/s - Injektionszeit: 5 h

37 Befund 8 : Bohrloch verstopft (1) Wealden 1200m Wasserrechtliche Genehmigung im Oktober! Verpressung in Ringraum mit Auflagen (Druckbegrenzung) Rückförderung ab November (gedrosselt)

38 Befund 8 : Bohrloch verstopft (2) Salzbrücke (Nachweis am ) Salzbrücke ab 655 m!

39 Wie geht es weiter in Groß Buchholz? Optionen für die Bohrung Groß Buchholz Gt1 : Bohrung freiräumen (obligatorisch), plus Förderund Injektionstests (optional) Bohrung temporär einschließen Tiefe Erdwärmesonde Bohrung verfüllen

40 Der Blick über den Tellerrand.. 1. Ergebnisse aus Groß Buchholz Gt1 sind örtliche Befunde 2. In Bohrung Horstberg Z1 (Vorversuche) waren die Befunde verschieden: gesamtes Frac-Wasser ( m 3 ) rückgefördert geringere Salzgehalte (ca. 300 g/l); keine Probleme mit Ausfällung erfolgreicher Zirkulationstest in Trias (hydraulische Verbindung zweier Sandsteinhorizonte per Riss) daher Blick in das Norddeutsche Becken Hydrothermale Geothermie Petrothermale Geothermie

41 Norddeutsches Becken hydrothermale Geothermie Fazies der Sedimente vielfach in NO Deutschland vorteilhafter hier: Rhät-Hettang Aus: Ziegler, 1988

42 Norddeutsches Becken hydrothermale Geothermie Temperaturverteilung in 2500 m Beleg: Geothermische Heizzentralen, Status 2010 Quelle: Schellschmidt, 2010

43 Norddeutsches Becken hydrothermale Geothermie, Zukunftspotenzial? HH HB H

44 Norddeutsches Becken hydrothermale Geothermie, Zukunftspotenzial? HH HB H

45 Norddeutsches Becken petrothermale Geothermie Außerhalb hydrothermaler Standorte Stimulation notwendig ( Fracking) nach: Jung & Sperber 2010

46 Fazit (1) Ausbau der Tiefen Geothermie derzeit vorrangig im Süddeutschen Molassebecken und Oberrheingraben Flächendeckende Anwendung hängt von der petrothermalen Geothermie ab Hydraulic Fracturing ist entscheidend (Neue Frack-Konzepte; F&E- Bedarf, Demonstrationsprojekte, qualifiziertes Personal, ) Langer Atem für die Tiefe Geothermie notwendig!

47 Fazit (2) Ergebnisse der Bohrung Groß Buchholz Gt1 sind lokale Befunde NB: Bohrung wird NICHT aufgegeben Das hydrothermale Geothermiepotenzial in flachen Sedimenten in Norddeutschland liegt vermutlich eher in NO Deutschland Gilt nicht grundsätzlich (s. GeneSys) Tiefliegende Sedimente im Bereich des Erdgasgürtels sind ein Zukunftspotenzial Das Einbohrlochkonzept ist aus wirtschaftlichen Gründen ein wesentliches Element für zukünftige petrothermale Anwendungen Multifrac-Anwendungen sind die nächste technologische Herausforderung

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!