Auslegung tiefer Erdwärmesonden und Perspektiven durch hydraulische Anregung, Steigrohrertüchtigung und Bohrlochinstabilitäten

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1 Auslegung tiefer Erdwärmesonden und Perspektiven durch hydraulische Anregung, Steigrohrertüchtigung und Bohrlochinstabilitäten Dr. Winfried Kessels GEO-TIP GmbH; Burgdorf; 10. Workshop der FKPE-Arbeitsgruppe "Bohrlochgeophysik und Gesteinsphysik" Windischeschenbach KTB-Bohrturm 29. und 30. Oktober 2009

2 Auslegung tiefer Erdwärmesonden und Perspektiven durch hydraulische Anregung, Steigrohrertüchtigung und Bohrlochinstabilitäten Dr. Winfried Kessels GEO-TIP GmbH; Burgdorf; Einleitung und Definitionen Erdwärmesonden als Wärmetauscher Variation der Zirkulationsrate Pumpendruck und Pumpenleistung Abschätzung der maximalen Langzeit-Wärmeentzugsleistung Perspektiven

3 Ziele der tiefen Geothermie können sein: Stromproduktion Produktion von Hauswärme Produktion von Wärme für gewerbliche Nutzung Wärmespeicherung Randbedingung für alle Konzepte sollte die mittelfristige Erreichbarkeit der Wirtschaftlichkeit sein.

4 Vorteile und Nachteile Injektion Förderung Hydraulisch offene Wärmetauscher Injektion Injektion Förderung Hydraulisch geschlossene Wärmetauscher Großes Wärmeentzugsvolumen Große Wärmeaustauschfläche Hohes Wärmeentzugspotenzial möglich Hydraulischer Wärmetransport Hydraulischer Widerstand des Gebirges dominant Mineralien in den Tiefenfluiden Hohe Bohrkosten Unsichere technische Prognose Wärmetauscherflüssigkeit Gute technische Planbarkeit Geringer Eingriff in den Untergrund Nur eine Bohrung notwendig Geringes Fündigkeitsrisiko Geringe Nutzungskonflikte Geringe mikroseismische Ereignisse Kleines Wärmeentzugsvolumen Kleine Wärmeaustauschfläche Hohe Kosten für isoliertes Steigrohr Wärmeentzugspotenzial stark begrenzt

6 Prinzip Erdwärmesonde (Zirkulation wie beim Bohren) Außenverohrung WT-F WT-F WÜ WD WD Steigrohr WT-F WÜ Zement Teufe [m] Temperaturprognose für eine Erdwärmesonde in der KTB Vorbohrung für verschiedene Wasserzirkulationsraten mit mittlerer Isolation des Steigrohres (Kessels, 2008) Temperatur [ C] Temperatur nach 17.6 Tagen Zirkulation Ti(100 l/min) Ta(100 l/min) Ti(500 l/min) Ta(500 l/min) Ti(1000 l/min) Ta(1000 l/min) T-ungestört 3500 Gebirge kw 308 kw 10.8 kw

7 Prinzip Erdwärmesonde (Zirkulation beim Bohren) Außenverohrung Steigrohr Temperaturprognose für eine Erdwärmesonde in der KTB Vorbohrung für verschiedene Wasserzirkulationsraten mit Steigrohr aus Stahl (Kessels, 2008) WT-F 0 T e m p e r a tu r [ C ] WÜ WD WD WÜ T - u n g e s t ö rt [ C ] T - In n e n r o h r [ C ] T - R in g r a u m [ C ] WT-F WT-F Gebirge Zement Teufe [m] Zirkulationsrate 62,5 l/min Temperatur nach 17.6 Tagen Zirkulation Ganz billig geht leider auch hier fast nichts

8 Prinzip Erdwärmesonde (Zirkulation beim Bohren) Außenverohrung Steigrohr Temperaturprognose für eine Erdwärmesonde in der KTB Vorbohrung mit superisoliertem Steigrohr (Kessels, 2008) WT-F 0 T e m p e r at u r [ C ] WÜ WD WD WT-F WT-F WÜ Zement T eufe [m] Thermis che Iso la tio n durc h me hrfach V erro hr ung T-u n g es t ört [ C ] T-I n ne n roh r [ C ] T-R in gra u m [ C ] Zirkulationsrate 62,5 l/min Temperatur nach 17.6 Tagen Zirkulation Gebirge

9 Prinzip Erdwärmesonde (Inverse Zirkulation) Außenverohrung WT-F Steigrohr WT-F Temperaturprognose für eine 7000m tiefe Erdwärmesonde mit superisoliertem k=1 W/m 2 /K Steigrohr nach ca. 2 Jahren Zirkulation 0 Temperatur [ C] WÜ WD WD WÜ Zirkulations- Rate [l/s] TA[ C] 1 down WT-F Zement Teufe [m] up 3 down 3 up 6 down 6 up 10 down 10 up 20 down 20 up down 40 up Gebirge down 60 up

11 Thermische Leistung für eine 7000m tiefe Erdwärmesonde mit superisoliertem (k=1 W/m 2 /K) Steigrohr nach ca. 2 Jahren Zirkulation in Abhängigkeit von der Zirkulationsrate L [KW] Eine weitere Steigerung der Zirkulationsrate führt kaum zur Erhöhung der Wärmeleistung L [kw] T-Auslauf [ C] DT [K] Temperatur Differenz [ C] Zirkulationsrate [l/s] 0

12 Thermisches und hydraulisches Wärmeentzugspotenzial tiefer Erdwärmesonden Dr. Winfried Kessels GEO-TIP GmbH; Burgdorf; Einleitung und Definitionen Erdwärmesonden als Wärmetauscher Variation der Zirkulationsrate Pumpendruck und Pumpenleistung Abschätzung der maximalen Langzeit-Wärmeentzugsleistung Perspektiven

13 Zirkulationsdruck und Pumpenleistung Steigrohr 2 5/8 Zoll Durchmesser 1,0E+02 6,0E+02 1,0E+01 5,0E+02 Zirkulationsruck [MPa] 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 1,0E-03 1,0E-04 DP[MPa]-lam/turb DP[MPa]-laminar Pumpen-L [kw] LEIST-[kW]-lam Turbulenz 4,0E+02 3,0E+02 2,0E+02 1,0E+02 Pumpenleistung [W] 1,0E Zirkulationsrate [m^3/h] 0,0E+00

14 Thermische- und Pumpenleistung einer 4000 m tiefen Erdwärmesonde (Steigrohr 2 5/8 Zoll Durchmesser) 1,E+04 0,50 9,E+03 8,E+03 7,E+03 Wärme-L[KW] Pumpen-L [kw] L-el. [kw] L-Wärme/L-Pumpe 0,45 0,40 0,35 Leistung [kw] 6,E+03 5,E+03 4,E+03 17,5 l/s 0,30 0,25 0,20 Pumpen-L/Therm-L 3,E+03 0,15 2,E+03 Verbrauch höher als Produktion 0,10 1,E+03 0,05 0,E+00 0, Zirkulationsrate [qm/h]

16 Die Reduzierung der Wärmeentzugsleistung mit wachsender Betriebsdauer bei einer kontinuierlichen Wärmeentnahme von 10 W/m Wirkungsgrad der Leistungsentnahme Trockener Sand WL=0.5 [W/m/K] WL=1.0 [W/m/K] WL=1.5 [W/m/K] WL=2.0 [W/m/K] WL=2.5 [W/m/K] WL=3.0 [W/m/K] 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 Zeit [Jahre] Kristallin Gestein

18 Perspektive Ringraumanregung Hydraulische Anregung im Gestein bei geschlossenem Wärmetauscher

19 Wärmetransport im hydraulischen Strömungsfeld Für die Wärmestromdichten gilt j = j + j + gesamt konduktiv konvektiv j dispersive j gesamt = λ T+Φ c T v α v Gestein mit Wasser Wasser T Wasser T Und den Erhaltungsgleichungen für: das Wasser die Wärmeenergie

20 Annahmen für eine Berechnung Keine Rückkoppelung von der Temperatur zur Hydraulik Vernachlässigung von Wärmespeicherung und Wärmeleitung in der Bohrung Vernachlässigung der dispersiven Wärmeflüsse Wärmeleitfähigkeit des Gesteins von [1.8 W/m/K] Permeabilität [m 2 ] Temperatur Randbed. an der Bohrlochwand T= -30 C Druck Randbed. an der Bohrlochwand P= [MPa]

21 Perspektive Ringraumanregung Hydraulische Anregung im Gestein bei geschlossenem Wärmetauscher Leistungsaufnahme der Bohrung bei Auskühlung um 30 C Wärmefluss konv. [W/m] Zeit[h] Wärmefluss kond. [W/m] Wärmefluss-Konv Wärmefluss-Ges Wärmefluss-Kond Wärmefluss ohne RA -800 Numerische thermohydraulische Berechnung mit dem GEO-TIP Programm Multitrans

22 Perspektive Ringraumanregung Hydraulische Anregung im Gestein bei geschlossenem Wärmetauscher 700 Auskühlung der Bohrung 30 C 600 Wärmeentzugsleistung [W/m] thermohydraulische Berechnung thermische Berechnung Wärmefluss-Kond Wärmefluss-Konv Wärmefluss-Ges Wärmefluss ohne RA Mittelwerte der Wärmeflüsse bei Ringraumanregung durch thermohydraulische Berechnung mit dem GEO-TIP Programm Multitrans

23 Perspektive thermische Steigrohrsuperisolierung Mechanische Entlastung durch thermische Pulverisolierung GFK-Tubing Tubing 1 Tubing 2 Tubing Verrohrung GFK-Steigrohr 10 < k < 80 in [W/m 2 /K] Vakuum Verrohrung Doppelrohr 1.0 < k < 5.0 in [W/m 2 /K] Superisolation Verrohrung Pulverisolation 0.1 < k < 1.0 in [W/m 2 /K]

24 Perspektive thermische Steigrohrsuperisolierung Bohrlochverlauf, inverse Zirkulation und Beulen P Ringraum > P Steigrohr Außendruck Belastung des Steigrohres führt insbesondere für Kunststoff basierte Rohre leicht zum Kollaps Bohrung Superisolation Tubing Verrohrung inverse Zirkulation Steigrohr wird auf Aussendruck belastet Steigrohr kleiner Druck hoher Druck Steigrohr Der Bohrlochverlauf (hier KTB-VB) Sorgt für Vorverformung des Steigrohres

25 Perspektive Gebirgsmechanik Hydraulic-Fracturing und Nutzung von Bohrlochinstabilitäten. Bohren Teilverrohrung Kleinkavernenbildung Verfiltern erneute Instabiliäten

26 Perspektive Gebirgsmechanik Hydraulic-Fracturing und Nutzung von Bohrlochinstabilitäten. Kleinkavernenbildung durch hydraulische Anregung. Schnelle Unterdruckstöße in der Bohrung führen zu Instabilitäten. Forschungsthema: Bohrlochinstabilitäten durch hydraulische Druckgradienten

27 Perspektive Ringraumanregung Hydraulische Anregung bei geschlossenem Wärmetauscher. Perspektive thermische Steigrohrsuperisolierung Mechanische Entlastung durch thermische Pulverisolierung. Perspektive Gebirgsmechanik Hydraulic-Fracturing und Nutzung von Bohrlochinstabilitäten. Perspektive Erdölbohrungen Abschreibung der Bohrkosten vor der geothermischen Nutzung muss politisch ermöglicht werden. Perspektive Wärmespeicherung Mit Wärmespeicherung sind hohe Temperaturen bei geringen Bohrteufen zu realisieren. Perspektive Bergwerke als Wärmespeicher Mit Wärmespeicherung sind hohe Temperaturen bei geringen Bohrteufen zu realisieren.

28 Erdwärmesonden haben zur Zeit nur ein begrenzt wirtschaftliches thermisches und hydraulisches Wärmeentzugspotenzial Erdwärmesonden sind umweltschonend, besitzen eine risikoarme Technik und besitzen ein beachtliches Entwicklungspotential Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit