Geotechnische Grundlagen und Methoden der Geothermie. Dr. Gerold Hesse, Dr. Kersten Roselt, Andreas Schaubs, Dr. Helmut Tenzer

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1 Geotechnische Grundlagen und Methoden der Geothermie Dr. Gerold Hesse, Dr. Kersten Roselt, Andreas Schaubs, Dr. Helmut Tenzer

2 Tiefe Geothermie Sollten einst auf der mehr und mehr bevölkerten Erde die Wälder überall stark gelichtet und die Kohlenlager erschöpft sein, so ist es wohl denkbar, daß man die Innenwärme der Erde sich dienstbar macht, daß man sie durch besondere Vorrichtungen in Schächten oder Bohrlöchern zur Oberfläche leitet und zur Erwärmung der Wohnungen oder selbst zur Heizung von Maschinen verwendet. Man wird freilich nicht früher allgemein und mit Vortheil zu dieser, in ihrer Anwendung wahrscheinlich kostspieligen Wärmequelle greifen, bis ein empfindlicher Mangel an Brennmaterial dazu nöthigt; dann aber bleibt die Wärme der Mutter Erde eine sichere letzte Zuflucht. Carl Bernhard von Cotta, 1853

3 Aufbau der Erde Kruste > 100 C Mantel > C Innerer Erdkern > C Äußerer Erdkern > C

4 Gestehungskosten WARUM TIEFE GEOTHERMIE? Grundsätze theoretisch gewinnbares Energiepotenzial enorm Wirtschaftlichkeit derzeit durch EEG erreichbar (max. 30,0 ct/kwh) Kostensenkungspotential auf 5 ct/kwh prognostiziert (GEO 04/2011) technologischer Fortschritt: technologische Lernkurve noch am Anfang Stromproduktion ab 130 C minimaler Flächenbedarf! geringer Eingriff ins Landschaftsbild! grundlastfähig! installierte Leistung unendlich viel Energie

5 Technologien der Geothermie

6 Eignung für petrothermale Verfahren - Wärmeentzug entlang von natürlichen und künstlich angelegten Bruchflächen (Frac-Technologien) - bei plastischen oder viskosen Deformationsverhalten bilden sich keine Bruchflächen aus - elastisch Deformation bis zum Bruchversagen (Kohäsionsverlust) sprödes Verhalten - geschaffene Rissflächen müssen offenbleiben Selbststützung - Überschreitung elastisches Limit unter Beibehaltung der Kohäsion duktiles Verhalten (T, p, v) self propping effect Eigenschaften der Gesteine

7 petrothermale Erschließungskonzepte (Quelle: GEO ENERGIE SUISSE AG ) Stand der Technik (Soultz, Basel) Konzept Multiriss-System (JUNG & SPERBER 2009) (Engineered Geothermal System, EGS) Entwicklung schreitet voran

8 Single fracture stimulation (Freiberger Model): Results Simulation of one fracture wing assuming mirror symmetry. Model dimensions (x y z): 4000m 2000m 2000m Extension (z-direction) of granite layer in model: 500m m (Burial depth of 4km - 5km) Fracture plane discretization: 25m Conny Zeeb Model setup and simulation results UDEC/3DEC

9 Single fracture stimulation (Freiberger Model): Results Parameter Value Volume fluid [m³] Volume fracture [m³] (+ 0.63%) Pore pressure at perforation [Pa] ( ) Aperture at perforation [m] Maximum aperture [m] Average aperture [m] Half-length [m] ~200 Height [m] ~500 Conny Zeeb Model setup and simulation results UDEC/3DEC

10 Multiple fracture stimulation (Freiberger Model): Parallel stimulation Min. Prin. Stress σ 3 Strong interaction between fractures. Max. Prin. Stress σ 1 Different fracture geometries. Smaller fracture apertures. Conny Zeeb Model setup and simulation results UDEC/3DEC

11 Multiple fracture stimulation (Freiberger Model): Parallel stimulation Min. Prin. Stress σ 3 Strong interaction between fractures. Max. Prin. Stress σ 1 Different fracture geometries. Smaller fracture apertures than in the single fracture simulation. Conny Zeeb Model setup and simulation results UDEC/3DEC

12 B - Numerische Rissmodellierung - ANSYS OPTIRISS - DYNARDO

13 B - Numerische Rissmodellierung - ANSYS OPTIRISS - DYNARDO

14 Datenerhebung Südthüringen A71, Tunnel Berg Bock s1 1,8 MPa s2-0,1 MPa

15 Forschungsbohrung Suhl 1/13 Durchströmungsversuch

16 Geomechanische Kennwerte Untersuchungen: - Spaltzugversuche - einaxiale Druckversuche mit Deformationsmessung - Triaxialversuche - Ultraschallmessungen - Durchströmungsversuche - Bruchzähigkeitsmessungen - Großscherversuche Parameter: - Elastizitätsmodul und Querdehnzahl - einaxiale Zug- und Druckfestigkeit - Kohäsion und Reibungswinkel - Hüllkurve der Gesteinsmatrix - Permeabilität und Porosität - Bruchzähigkeit Mode-I - Orientierung von Kluftsystemen - Kluftparameter (Füllung, Dilatanz, Steifigkeiten, Kluftreibungswinkel). Triaxialversuch Großscherversuch Einaxialer Druckversuch Durchströmungsversuch

17 Warum in Meiningen? vorteilhafte naturräumliche Bedingungen optimale geologische Voraussetzung für petrothermale Systeme (Thüringer Hauptgranit unterhalb einer effektiven Rissausbreitungsbarriere) überdurchschnittlich hohes Temperaturniveau im Reservoir-Horizont ermöglicht mit EEG-Einspeisevergütung eigenwirtschaftlichen Betrieb minimales seismisches Risiko günstige infrastrukturelle Voraussetzungen Meiningen verfügt mit dem IG Rohrer Berg über einen ausgezeichnet infrastrukturell erschlossenen Standort mit geringen Auswirkungen auf Schutzgüter - ausgewogen in Bezug auf Chancen und Risiken geeigneter Betreiber Stadtwerke Meiningen besitzen das Knowhow für den Kraftwerksbetrieb und die Auskopplung von Wärme in das Fernwärmen regionale Wertschöpfung und technologische Spitzenposition mit der Etablierung eines petrothermalen Multiriss-Systems optimale Projektvoraussetzungen

18 ENORME POTENZIALE sehr gut geeignet Nutzbare Energie: - thermisch 4, Joule - elektrisch 5, Joule gut geeignet Meiningen Nutzbare Energie: - thermisch 1, J - elektrisch 1, J ungünstig Restriktionen oder Nutzungsausschlüsse

19 Reservoirtemperatur m u.nn ca. 68 C ca. 106 C ca. 90 C ca. 165 C 25 Untergrundtemperaturen m u. NN Quelle: LIAG 2011

20 Grundgebirge Übergangsstockwerk Deckgebirge Meiningen (Quelle: modifiziert nach Wagenbreth/Steiner, 1990)

21 Erdbebenzonen nach DIN 4149 (Quelle:

22 Rissstimulation & Seismizität Seismisch inaktive Gebiete: Seismisch aktive Gebiete: Ausschließbar oder vernachlässigbar (unter Straßenverkehr-Niveau) Kontrolle/Steuerung nach Reaktionsplan Beispiel für einen Reaktionsplan Stufe I Stufe II Stufe III Stufe IV V<1mm/s V<5mm/s V<10mm/s V>10mm/s Dokumentation aller Erschütterungen SMS- und - Benachrichtigung Ausbau Messnetz SMS- und - Benachrichtigung SMS- und - Benachrichtigung Injektionsversuch wie geplant durchführen Injektionsversuch wie geplant durchführen Keine weitere Erhöhung der Injektionsrate Mehr als 5 Ereignisse > 10 mm/s oder 1 Ereignis >20 mm/s Injektionsstopp Weiterer Forschungsbedarf für Seismizität in Petrothermie gegeben! Induzierte Seismizität

23 natürliche vs. induzierte Seismizität (Quelle: GFZ Potsdam, Prof. G. Grünthal) (Quelle: GFZ Potsdam, Prof. G. Grünthal)

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Herrenknecht Terra Invader 350, 410 t Bentec 350-t-AC Euro Rig