Ergebnisse zur Planung kristalliner

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1 Hessen 3D und die Nutzung der Ergebnisse zur Planung kristalliner Hochtemperaturspeicher Dipl.-Ing. & MSc. Sebastian Homuth, Prof. Dr. Ingo Sass 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie

2 Inhalt Wie funktionieren Hochtemperaturspeicher? Gekoppelte Systeme (Solarthermie, BHKW-Abwärme, Geothermie) Technische Rahmenbedingungen (Bohrverfahren, Vorstudien, Modellierung) Warum sind Hochtemperaturspeicher interessant? konventionelles Heizsystem (Radiatoren mit hohen Vorlauftemperaturen) bestehende Infrastruktur (Nah-/Fernwärmenetz) verwendbar geringerer Wärmeverlust da geringeres T Warum ist das Kristallin interessant? geringe Durchlässigkeit, Wärmepool petrothermale Systeme im norg Was wissen wir über die mitteldeutsche Kristallinschwelle? Welche Untersuchungen liefern wichtige Eingangsdaten für Dimensionierung und Modellierung eines Hochtemperaturspeichers t h sowie für petrothermale th Systeme? 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 1

3 Konventionelle Erdsonden-Wärmespeicher d Sommerbetrieb: b Kühlung Winterbetrieb: t i b Heizung 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 2

4 Hochtemperaturspeicher t h Wenige, dafür mitteltiefe Bohrungen ( m) Hohe Einspeisetemperaturen C Bohrtiefen von über 1000 m erreichen höhere Untergrundtemperaturen geringere Temperaturspreizung zwischen Reservoirtemperatur und Einspeisetemperatur geringerer Wärmeverlust als bei oberflächennahen Speichern Hohe Vorlauftemperaturen können ausgespeist werden (55-65 C) Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verzicht auf Wärmepumpe geringerer Primärenergieeinsatz Energetische Optimierung von bestehender Infrastruktur Kostengünstiges Bohrverfahren einsetzbar (hydraulisches Imlochhammer- Bohrverfahren) 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 3

5 Energetische Sanierung im Gebäudebestand b d konventionelle Heizsysteme (Radiatoren mit höheren Vorlauftemperaturen als Flächenelemente) können weiter genutzt werden Einsparung von Sanierungskosten Bestehende Nah-/Fernwärmenetze können gespeist werden Einspeisung ins Wärmenetz oder direkte Gebäudeversorgung ersorg möglich Bei direkter Gebäudeversorgung ist eine energetische Sanierung des Bestandes Voraussetzung 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 4

6 Solarthermie Verschiedene Kollektorentypen für unterschiedliche Betriebsregimes / Temperaturbereiche vorhanden Zusätzliche Wärmeeinspeicherung mit höheren Temperaturen als in konventionellen Wärmenetzten möglich Wetter- und Saisonabhängig! 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 5

7 Gekoppelte Systeme X Die Koppelung von unterschiedlichen h regenerativen Energien mit bestehender Infrastruktur ist über die Speichertechnologie möglich Besonders wetterabhängige Technologien wie Solarthermie und Windkraft sind auf Speicher angewiesen. Kopplung mit industrieller Abwärme, Prozesswärme gewährleistet Grundlastfähigkeit Kopplung mit BHKW s ermöglicht stromgeführten Betrieb im Sommer Schmidt et al Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 6

8 Lage des geplanten Hochtemperaturspeichers t h Lageplan des geplanten Hochtemperaturspeichers inklusive Angabe der Lokation der bestehenden Bohrungen ins kristalline Grundgebirge 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 7

9 Strukturgeologie am Bohrstandort t Darmstadt liegt auf der östlichen Randverwerfung des Oberrheingrabens. Die Rheingrabenrandverwerfung unterteilt das Stadtgebiet geologisch und hydrogeologisch in einen Bereich mit kristallinen und permischen Kluftgrundwasserleitern l des Odenwaldes und Sprendlinger Horstes im E und ein Gebiet mit den quartären Porengrundwasserleitern des Oberrheingrabens im W. Die steilstehende Rheingrabenrandverwerfung g quert das Stadtgebiet etwa in N-S- Richtung und markiert einen Versatz der Gesteinsschichten von über m Insbesondere im Innenstadtbereich, wo die Störung in NE-SW-Richtung umschwenkt, ist ein kompliziertes Schollenmosaik ausgebildet (Fahlbusch 1970, Hoppe & Lang 2007). Das Odenwaldkristallin besteht im Stadtgebiet hauptsächlich aus Granodiorit, außerdem treten Amphibolit, Gneise, Granit, Diorit, Gabbro, Kalksilikatfels und Hornfels auf (Klemm 1938, Nickel 1985). Die meist NE-SW streichenden Einheiten sind von jüngeren basischen und sauren Ganggesteinen sowie Barytgängen durchzogen (Chelius 1890, Klemm 1938). 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 8

10 Standortbedingungen tb di Lithologie Temperaturverteilung Lockergestein Melaphyr Verwitterter Granodiorit Granodiorit 1000m Bei einem angenommenen geothermischen Gradienten von 3 o C / 100 m ergeben sich Temperaturen von 12 o C in 40 m 41 o C in 1000 m Der tatsächliche Gradient ist jedoch noch unbekannt. 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 9

11 Bohrverfahren: h DTH Fluidhammer Bohrverfahren: hydraulisches Imlochhammerverfahren, DTH (down to hole) Fluidhammer, mitentwickelt am GZB Bochum Perkussionsbohrtechnik Schneller Bohrfortschritt im Festgestein Geringerer Primärenergieeinsatz nötig Gute Bohrlochstabilität Verbesserter Bohrkleintransport im Vergleich zu Lufthebeverfahren Gute Kontrolle über Vertikalität / Bohrlochablenkung wirtschaftliches Bohren Wittig 2012 Wittig Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 10

12 Beladung des Hochtemperaturspeichers t h Beladung durch BHKW während des Sommers (stromgeführter BHKW-Betrieb) und bei Lastspitzen (ganzjährig möglich) Einspe eisetemperat turen C 1000 m 40 C 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 11

13 Entladung des Hochtemperaturspeichers t h Entladung im Winter mit direkter Einspeisung ins Nahwärme-/Fernwärmenetz Rück klauftempera aturen C 1000 m 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 12

14 Sommerbetrieb b Szenario 1: BHKW / Speicher / Endverbraucher BHKW Endverbraucher Hochtemperaturspeicher Solarthermieanlage Szenario 2: BHKW + Solarthermieanlage/ Speicher / Endverbraucher BHKW Endverbraucher Hochtemperaturspeicher 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 13

15 Winterbetrieb t i b Szenario 1: BHKW / Speicher / Endverbraucher BHKW Endverbraucher Hochtemperaturspeicher Solarthermieanlage Lastspitzen Szenario 2: BHKW + Solarthermieanlage/ Speicher / Endverbraucher BHKW Endverbraucher Hochtemperaturspeicher 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 14

16 Beladungszustand d Melaphyr Einspeisetemperatur: C Bohrtiefe: 1000 m 3 Bohrungen 1000 m Thermische Isolierung: ca. 100 m Koaxialsonde 40 C Thompson Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 15

17 Entladungszustand t d Melaphyr Ausspeisetemperatur: C Bohrtiefe: 1000 m 3 Bohrungen 1000 m Thermische Isolierung: ca. 100 m Koaxialsonde 40 C Thompson Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 16

18 Aufbau eines ersten numerischen 3D-Modells Simulation des Speichers über eine Betriebsdauer von 10 Jahren Boxmodell für 3 Sonden a 1000 m Koju Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 17

19 Simulation der Temperaturen in 950 m Tiefe bei 10 Jahren Speicherbetrieb Simulationsvideo Rühaak Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 18

20 Temperatur Output t des Speichers Geothermischer Gradient 3 C/100 m 220 Tage im Jahr Einspeisung von 90 C Im Winter wird mit (3 * 120 m³ d -1 = 360 m³ d -1 ) reinjiziert Nach ca. 7 Jahren ist die Vorlauftemperatur aus dem Speicher nicht geringer als ~ 50 C. 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 19

21 Warum ist das Kristallin interessant? t? Der Kenntnisstand über die Heterogenität des kristallinen Grundgebirges, die Hydraulik insbesondere im Nahbereich von Störungszonen, die thermischen und mechanischen Eigenschaften ist noch unzureichend und es besteht erheblicher Forschungsbedarf. Bohrungen zur Klärung dieser Fragen im Übergangsbereich von Deckgebirge zu Grundgebirge, der als Grundwasserleiter und potenziellen geothermischer Reservoirhorizont bekannt ist, kann Grundlagen schaffen in Zukunft eine wirtschaftliche Erschließung zu ermöglichen. Bohrungen im Bereich des nördlichen Oberrheingrabens sind von besonderem Interesse, da hier die typischen geothermischen Reservoirgesteine des Oberrheingrabens (Buntsandstein und Muschelkalk) nicht mehr vorkommen und das Grundgebirge für die Tiefengeothermie ein wichtiger Erschließungshorizont ist (Kristallinspeicher und Petrothermale Systeme). In Landau in der Pfalz und in Insheim ist das Grundgebirge bereits erfolgreich erschlossen worden. 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 20

22 Was wissen wir über die MDKS? MDKS = Mitteldeutsche Kristallinschwelle Erkenntnisse aus dem Hessen 3D-Projekt: Bär 2012 Profilschnitt itt (nördlich v. Darmstadt) 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 21

23 Tiefenlinienplan Grundgebirge Tiefenlage des Grundgebirges aus Modell Hessen 3D entnommen 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 22 Bär 2012

24 Untergrundtemperaturdaten t d t Bär Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 23

25 Bär Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 24

26 Temperatur in 1000 m Tiefe Temperaturverteilung t in 1000 m Teufe aus Modell Hessen 3D entnommen Bär Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 25

27 Konzept: Aufschlussanalogstudie l Aufschluss Bohrkern Dünnschliff 0.5 mm Makroskala Mesoskala Mikroskala Homuth et al Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 26

28 Thermofazieskonzept Carbonates Mudstones Wackestones/Packstones Grainstones Clastics Lacustrine Claystones/Siltstones Coastal-Deltaic Sandstones Fluvial/Alluvial Sandstones/Conglomerates Volcanic Lacustrine Claystones/Siltstones Lavas/Tuffs Fluvial Volcaniclastics Plutonic Plutonic Rocks Altered Plutonic Rocks Altered Plutonic Rocks Enhanced Petrothermal Systems Enhanced Geothermal Systems Hydrothermal Systems Conductive Heat Transfer Auto-Convective- Forced Convective e Heat Transfer Conductive- Convective e Heat Transfer Forced Convective e Heat Transfer Auto-Convective Heat Transfer 1,0E-17 1,0E-16 1,0E-15 1,0E-14 1,0E-13 1,0E-12 1,0E-11 low permeable m² high permeable Sass & Götz Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 27

29 Gesteinskennwerte der Mitteldeutschen Kristallinschwelle Gesteinsarten Wärmeleit- Temperatur- Spezifische fähigkeit n leitfähigkeit n Wärmekapazität [W/(m K)] [10-6 m²/s] [J/(kg K)] n Amphibolit 1,88 ± 0, ,81 ± 0, ± Gabbro 2,10 ± 0, ,01 ± 0, ± Diorit 2,23 ± 0, ,03 ± 0, ± Tonalit 2,36 ± 0, ,14 ± 0, ± Granodiorit 2,51 ± 0, ,26 ± 0, ± Granit 258± 2, , ± 1, , ± Gneis 2,59 ± 0, ,33 ± 0, ± GESAMT Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 28

30 Geothermische Kennwerte: Granodiorit Bär Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 29

31 Gesteinspermeabilität 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 30

32 Gebirgspermeabilität bilität Grundgebirge: Fluidtransport t erfolgt in der Regel entlang des Trennflächengefüges fü bzw. größerer Störungszonen (Stober & Bucher 2007). Für die Abschätzung der Ergiebigkeit sind Kenntnisse des Trennflächengefüges, die Lage und Ausbildung größerer Störungszonen sowie durch hydraulische Tests ermittelte Gebirgspermeabilitäten von großer Bedeutung. Korrelation mit anderen Bohrungen, die das Grundgebirge erschließen: Bohrung Urach 3 Gneisgebirge: Durchlässigkeit von k f = 1, m/s ermittelt. KTB-VB Metabasite (Amphibolit, Metagabbro): Durchlässigkeit k f = 4, m/s. Für die durchflusswirksamen Hohlraumgehalte wurde n = 0,5 % (Urach 3) und n = 0,7 % (KTB- VB) berechnet (Stober 1995, Tenzer 1997, Stober & Bucher 2000, 2005, 2007). Heubach-Bohrung Korrelation mit Aufschlussanalogstudien und abgeleiteten Prognosewerten und Pumptests aus Erschließungsbohrungen des Hochtemperaturspeichers 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 31

33 Geothermischer h Gradient Kann zwischen 2,6 und 3,7 C/100m liegen, abhängig von Nähe und Lage zum Grabenrandstörungssystem 0 Temperaturlog aus EWS-Bohrung Heubach (gestört) Geothermischer Gradient hat großen Einfluss auf Temperaturfeld -200 Es wird am Vorhabenstandort derzeit versucht über Temperaturlogs in Grundwassermessstellen den geothermischen Gradient abzuschätzen Teufe (m) Bestimmung des Gradienten in Bohrungen des -800 Hochtemperaturspeichers Temperatur ( C) H. Anger s Söhne Bohr- und Brunnenbaugesellschaft mbh, Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 32

34 Anomalien des erdmagnetischen Totalfeldes geben Hinweise auf tiefen Untergrundaufbau Korrelation von Aufschlussgebieten und Geophysik ermöglicht die Identifikation von Intrusivgesteinen und Bereichen metamorpher Schieferhüllen Geologie nach Voges et al. (1993) Magnetische Totalfeldanomalien aus Gabriel und Vogel (2010) 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 33

35 Welche Untersuchungen liefern wichtig Eingangsdaten für Dimensionierung i i und Modellierung des Speichers und petrothermaler Systeme Für belastbare Prognosen zur Dimensionierung und Betrieb eines thermischen Speichers ist eine gute Kenntnis des geologischen Aufbaus des ausgewählten Speichergesteins, der petrophysikalischen Eigenschaften sowie der geometrischen und hydraulischen Eigenschaften des Kluftnetzwerkes notwendig. direkter Aufschluss (Analog und Bohrungen zur Herstellung des Hochtemperaturspeichers) Die projektierte Lage des Bohrstandortes gewährleistet die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf den tieferen Untergrund im Bereich des nördlichen Oberrheingrabens zwischen Heidelberg im Süden bis Frankfurt a. M. im Norden sowie bis ins Pfälzer Bergland im Westen und den kristallinen Odenwald im Osten und somit auf einen großen Teil der Mitteldeutschen Kristallinschwelle. integrierende geophysikalische Untersuchungen Die unmittelbare Nähe zur Rheingrabenrandverwerfung mit einem vergleichbaren Trennflächensystem wie im nördlichen Oberrheingraben lässt Aussagen über den Spannungszustand sowie die Stimulierbarkeit des Grundgebirges g zu. Bohrlochtests 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 34

36 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 7. Tiefengeothermieforum Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. Fachgebiet Angewandte Geothermie 35