Geologische Grundlagen der Tiefen Geothermie

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1 Geologische Grundlagen der Tiefen Geothermie Bürgerforum Geothermie I: Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass, Dr. Kristian Bär Fachgebiet Angewandte Geothermie Institut für Angewandte Geowissenschaften Technische Universität Darmstadt

2 Geothermie Geothermie (oder Erdwärme) ist die gesamte unterhalb der Erdoberfläche vorhandene Wärme Woher kommt diese Wärme? Restwärme aus den Zeiten der Erdentstehung vor 4,7 Mrd. Jahren (30-50%) Zerfall radioaktiver Elemente (Uran, Thorium, Kalium) in den Gesteinen (50-70%) Klimaeinfluss (geringer Einfluss, nur in den obersten Metern) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 2

3 Geothermischer Gradient Die Temperatur in der Erdkruste (0-40 km Tiefe) nimmt im Durchschnitt alle 100 m um etwa 3 C zu. Dies wird als geothermischer Gradient bezeichnet. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 3

4 Geothermischer Gradient Technisch nutzbar (d.h. durch Bohrungen erreichbar) sind nur die obersten Kilometer bis in eine Tiefe von etwa 5 bis 7 km. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 4

5 Wie lässt sich Geothermie nutzen? Geothermie kann als Energiequelle zur Stromerzeugung und/oder Wärmegewinnung genutzt werden. Oberflächennahe Geothermie wird im Allgemeinen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden genutzt und umfasst alle Systeme bis zu einer Tiefe von 400 m. Tiefe Geothermie wird zur Stromerzeugung und/oder zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt. Tiefe Systeme beginnen bei einer Tiefe von 1000 m. Dabei wird zwischen Hydrothermalen und Petrothermalen System unterschieden. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 5

6 Tiefe Geothermie Hydrothermale Systeme Hydrothermale Systeme nutzen natürliche heiße Fluide (Wasser, Dampf) aus dem Untergrund. Die Fluide werden mittels Tiefbohrungen erschlossen und in Abhängigkeit von der Temperatur zur Stromerzeugung (>100 C) oder Wärmegewinnung genutzt. Geothermie- Kraftwerk 0 m 3000 m Geothermie-Kraftwerk Wairakei, Neuseeland Heißwasser-Reservoir 4000 m 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 6

7 Tiefe Geothermie Petrothermale Systeme (EGS) Petrothermale Über Injektionsbohrungen Systeme werden wird auch als anschließend Hot Dry Rock-Systeme Wasser durch bezeichnet. die 0 m Die erzeugten Technik Fließwege beruht auf gepumpt, der Nutzung von welches heißen, dem aber umgebenden schlecht Gestein durchlässigen Wärme entzieht. Gesteinen, aus denen keinen Über Produktionsbohrungen natürlichen heißen Fluide wird gefördert das erhitzte werden Wasser können. wieder an die Das Oberfläche Gestein gepumpt muss daher und in künstlich ein aufgebrochen Geothermiekraftwerk werden, um geleitet. Fließwege Hier zu wird erzeugen. mit Hilfe von Turbinen aus dem Dies heißen wird Wasser mit Hilfe Strom von erzeugt, Tiefbohrungen erreicht, während über das wieder die Wasser abgekühlte in das Gestein Wasser wieder eingepresst über die wird. Injektionsbohrungen Durch den 3000 m hohen hydraulischen in den Untergrund Druck bricht das Gestein reinjektiert auf ( hydraulisches wird fracen ) und es der entstehen Kreislauf neue beginnt Fließwege. von Neuem m Heißes, schlecht durchlässiges Gestein 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 7

8 Potenzialdefinition Ohne Berücksichtigung geologischer Kennwerte oder der Tiefenabhängigkeit thermophysikalischer oder hydraulischer Reservoireigenschaften

9 Tiefe Geothermie Potenziale in Deutschland hydrothermal petrothermal TAB Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 9

10 Hydrothermales Potenzial des Rotliegend Eignungsgebiete ÜWG Feldesgrenzen ÜWG Stromerzeugung möglich 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 10

11 Geologie des Oberrheingrabens 3 km mächtige Sedimentfüllung im Norden keine Buntsandstein- und Muschelkalkreservoire Saar-Nahe-Becken mit 6 km mächtigen Sedimenten des Permokarbons Röhr (2006) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 11

12 Stark generalisiertes Normalprofil des nördlichen Oberrheingrabens Quartär und Tertiär liegen meist zu flach oder scheiden zur tiefengeothermischen Nutzung aus anderen Gründen aus. Gesteine der Trias (Buntsandstein) und des Permokarbons (Rotliegend) stellen potenzielle Reservoirgesteine dar. Das Kristallin ist überall vorhanden, und an der Oberfläche stark verwittert. Über 4000 m Mächtigkeitsunterschiede Obere Nahe-Subgruppe Untere Nahe-Subgruppe Glan-Subgruppe (Sass & Bär, 2008) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 12

13 Schematischer Schnitt durch den nördlichen Oberrheingraben (Sass & Bär, 2008) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 13

14 KW-Bohrungen Rotliegend im nördlichen Oberrheingraben Andesit, Latit ( Melaphyr ) Rhyolith ( Quarzporphyr ) Sandstein (z.t. Arkose), Silt- und Tonstein Konglomerat, Sandstein (z.t. Arkose), Siltstein unter geringer Überdeckung Bohrungen in denen Rotliegend angetroffen wurde Verbreitungsgrenze 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 14

15 Eingangsdatensatz Seismik Andesit, Latit ( Melaphyr ) Rhyolith ( Quarzporphyr ) Sandstein, bzw. Arkose, Silt- und Tonstein Konglomerat, Sandstein (z.t. Arkose), Siltstein unter geringer Überdeckung Seismik vor 1970 Seismik nach 1970 Seismik nach 2005 (Exploration Geothermie) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 15

16 Wärmeinhalt von Gesteinen 1 km³ eines 200 C heißen Granits, der um 20 C abgekühlt wird......liefert circa 10 MW elektrischen Strom......für eine Periode von 20 Jahren. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 16

17 Berechnung des Wärmeinhaltes von Reservoirsystemen E th = c ρ G G V nach Muffler & Cataldi (1978) ( T T ) O G Mächtigkeit des Rotliegend [m] E th c G ρ G V T G T O Wärmeinhalt [J] spezifische Wärmekapazität des Gesteins [J/(kg K)] Dichte des Gesteins [kg/m³] Gesteinsvolumen [m³] Temperatur des Gesteins [ C] Temperatur an der Erdoberfläche [ C] Mittlere Temperatur des Rotliegend [ C] 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 17

18 Hydrothermales Stromerzeugungspotenzial im nördlichen Oberrheingraben Reservoirformation Mittlere Temperatur [ C] Volumen [km³] Therm. Energie [EJ] Verstrombarer Anteil [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [TWh] 112 1,61 0,32 0,036 0,003 0, ,14 0,56 0,103 0,011 3, ,9 12,19 2,510 0,301 83,61 Σ (Buntsandst.) 40,7 13,1 2,65 0,32 87,5 Buntsandstein Rotliegend ,16 2,59 0,26 72, ,73 11,31 1,27 352, ,6 15,90 3,12 0,38 105,56 Σ (Rotliegend) ,8 17,01 1,92 530,56 Muschelkalk ORG (Jung et al. 2002) Buntsandstein ORG (Jung et al. 2002) 43,3 12 2,1 0, , Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 18

19 Übersicht Tiefbohrtechnik 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 19

20 Ablauf einer Erschließung Erkundung (Exploration) Standortwahl und Einrichten des Bohrplatzes Bohren und Komplettieren ggf. Stimulation (Fracking) Gewinnung Bohrplatz Rückbau/Renaturierung 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 20

21 Wie tief kann man Bohren? Historische Entwicklung der Bohrtiefen 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 21

22 Wie tief kann man Bohren? Historische Entwicklung der Bohrtiefen 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 22

23 Teufe und Tiefe 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 23

24 Directional Drilling - Richtungsbohren Richtungsbohren: Vertikalbohrung bis m Aufbau des Ablenkwinkels 1-2 /30 m bis 30-45, benötigt einen Spülungsmotor. Wird der Ablenkwinkel von bis zur Endteufe beibehalten, spricht man von einer stiff bottom hole assembly. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 24

25 Rotary Drilling - Rotationsbohren Definition: Bohren eines Loches unter kontinuierlicher Drehbewegung des Bohrmeißels um das Gestein an der Bohrlochsohle zu brechen. Rotationsbohren ist ein nahezu kontinuierlicher Prozess, da Bohrklein durch die zirkulierende Spülung durch den Bohrmeißel und das Bohrgestänge an die Oberfläche transportiert wird. land-based rotary drilling rig. Encyclopædia Britannica, Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 25

26 Bohrplatz mit Nebeneinrichtungen 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 26

27 Bohranlagen 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 27

28 Komponenten einer Bohranlage Bei der Entwicklung moderner geothermischer Tiefbohranlagen wurden Sicherheit und Effizienz durch die Automatisierung vieler Arbeitsabläufe am Bohrgerät verbessert. Dies verringert den personellen Aufwand zur Erreichung der Zieltiefe und ermöglicht es, Kosten zu reduzieren. Die Hauptkomponenten einer Bohranlage: Bohrturm (Derrick/Mast) Haken (Hook) Übertageantrieb/Kraftdrehkopf (Top Drive) Drehtisch (Rotary Table) Bohrgestänge (Drill Pipe) Stabilisierungseinrichtungen (Drill Collar) Bohrmeißel (Drill Bit) Spülungspumpen (Mud Pumps) Spülungskühler (Mud Coolers) Spülungsbecken (Mud Pit) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 28

29 Rotary Table - Drehtisch 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 29

30 Top Drive - Kraftdrehkopf Moderne Alternative zum Rotary- Drehtischbohren Im Kraftdrehkopf ist ein Antrieb eingebaut (entweder elektrischer oder hydraulischer Motor) um den Bohrstrang zu drehen und vorzutreiben ohne das eine Mitnehmerstange gebraucht wird. In der Praxis wird oftmals ein Rotary- Drehtisch als Back-up für den Kraftdrehkopf vorgehalten. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 30

31 Top Drive - Kraftdrehkopf (Top-Drive-Antrieb) 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 31

32 Roughneck - Brecheinrichtung Erledigt das Verschrauben der einzelnen Stangen des Bohrstrangs automatisch Dadurch verringerter Personaleinsatz in der Gefahrenzone am Bohrtisch Es gibt auch weitere halboder vollautomatisierte Werkzeuge zum Umgang mit dem Bohrgestänge: magnetic tools or complete automatic hoisting/ roughneck systems 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 32

33 New Hoisting Systems - Vortriebssysteme 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 33

34 Drill String - Bohrstrang Das Bohrgestänge bildet den Hauptteil des Bohrstrangs. Es besteht aus heißgewalzten, nahtlosen Rohren. Es wird spezifiziert durch Außendurchmesser, Gewicht, Stahlsorte und Länge. Es überträgt die Rotation, die Vertikalbewegung und die Spülung an den Bohrspitze Schwerstangen: dickwandiges Bohrgestänge, das anstelle von Bohrkragen oder zwischen Bohrkrägen und dem normalen Bohrgestänge eingesetzt wird. Wird in stark abgelenkten Bohrungen eingesetzt um die Wandreibung gegenüber dem Einsatz von Bohrkrägen herabzusetzen. 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 34

35 Drill Bits - Bohrmeißel RockBit International, Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 35

36 Schematic of Rig Circulating System for liquid Drilling Fluid/Mud - Spülungskreislauf 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 36

37 Mud Tank - Spülungstank 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 37

38 Well Completion - Bohrlochfertigstellung Casing - Verrohrung, Cementing - Zementation, Perforation/Slotted Liner Förderstrecke and Wellhead - Förderkopf 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 38

39 Well Completion - Bohrlochausbau 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 39

40 Casing - Verrohrung Casing String Nomenclature Nomenklatur Verrohrung: Conductor Erste Rohrtour Surface Casing - Standrohrtour Intermediate Casing (Anchor Casing) Zwischenrohrtour (Ankerrohrtour) Production Casing - Produktionsrohrtour Slotted Liner or Open Hole Schlitzfilter oder Offenes Bohrloch 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 40

41 Verrohrung 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 41

42 Zementierung einer Rohrtour 17. Januar 2013 Bürgerdialog Geothermieprojekt Groß-Gerau Prof. Dr. Ingo Sass & Dr. Kristian Bär Geologische Grundlagen 42