Post on 06-Apr-2015
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Nutzung und Förderung der Geothermie in Kamtschatka
Von: Yuriy Rogalski und Angelika Euler
Gliederung
Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch
1) Einführung
• Geothermie in Russland• Geothermale Gegebenheiten in Kamtschatka• Geothermiekraftwerke in Kamtschatka und den Kurilen• Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers
2) Das geothermale Feld bei Pauzhetskaya
• Geochemie des Thermalwassers• Erstellung eines numerischen 3D Modells• Exkurs: Seismische Messverfahren• Standortanalyse• Datenlage
3) Das geothermale Feld bei Mutnowskij
• Modellberechnungen für eine konstante Förderrate• Geologische Untersuchungen • Exkurs: Durchlässigkeitsbeiwert nach Darcy• Geothermisches Reservoir • Ausbau und Datenlage
Geysire
Thermalquellen
Kamtschatka – Das Land aus Feuer und Eis
Landeshauptstadt: Petropawlowsk - Kamtschatskij Fläche : 370.000 km², etwa 5 % größer als Deutschland Einwohnerzahl: etwa 380.000 EW Vulkane: 160, davon 29 heute noch aktiv
„In Kamtschatka existiert eines der weltweit größten Potenziale für Geothermie“
Gleichzeitig leiden Bevölkerung und Industrie heutzutage unter Energiemangel
Energierohstoffe haben einen langen Weg, bevor sie von Übersee die entlegene Region erreichen
Geothermische Energie aus oberflächennahen Magmakammern
Abgabe der Wärmeenergie erfolgt über:
Konduktiven Wärmefluss Aufsteigende geothermale Fluide Vulkanausbrüche Ausbildung von Magmakammern
Ermittelte Temperatur in Kammern der Vulkane in Kamtschatka liegt im Bereich von 600-1000 ° C
Tiefenbohrungen zur Gewinnung der Wärmeenergie in Tiefen von 3 bis 7 km besonders interessant
Anmerkung:
Heat Efflux – Wärmefluss [MW thermisch]Reservoir heat Energy – Gespeicherte Wärmeenergie [J]
Geothermie-Kraftwerke in Kamtschatka und auf den Kurilen-Inseln
Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts
Die verwendeten Prozesse sind:
a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC) b) der Kalina-Prozess
Anwendung bei:
- nicht ausreichender Temperatur oder Druck zur Stromerzeugung
- hohe Menge an nicht kondensierten Gasen
- Chemisch angreifendes Thermalfluid (Schwefelwasserstoff, Calciumhaltige Minerale, u.a Salze)
Besonders beständig gegen harte klimatische Bedingungen:
- niedrige Temperaturen, Wind, Schneelast oder Seismik
Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Das Arbeitsmittel wird durch das Thermalfluid vorgewärmt, anschließend verdampft und in einer Turbine entspannt
Kondensation und erneute Erhitzung auf Verdampferdruck
Thermalwasser nach Gebrauch wieder ins Erdreich über Injektionsbohrungen befördert
Eingesetzten Arbeitsmittel in der Regel Kohlenwasserstoffe wie n-Pentante oder Isobutane
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts
Die verwendeten Prozesse sind:
a) der Rankine –Prozess mit organischen Arbeitsstoffen (ORC)
Geothermische Stromerzeugung mit indirekter Nutzung des Thermalwassers (Binäre Systeme)
Das Zwei-Stoff-Gemisch aus Wasser und Ammoniak wird durch das Thermalwasser vorgewärmt
Bei der Verdampfung entstehen ein ammoniakreicher Dampf und ammoniakarme Flüssigkeit
Der separierte Dampf wird in einer Turbine entspannt
Im Anschluss werden Flüssigkeit und entspannter Dampf gemeinsam verflüssigt und auf Verdampferdruck gebracht
Einsatz eines Übetragungsmediums, unter Beachtung eines niedrigen Siedepunkts
Die verwendeten Prozesse sind:
b) der Kalina-Prozess
Die geologische Struktur besteht aus einer mehrschichtigen tektonischen Kuppel…
…aus Lava, Tuffgestein und Tiefengestein mit neutraler bis saurer Zusammensetzung aus dem Miozän bis Holozän Zeitalter.
Pauzhetskaya-Kombalny-Koshelev ist eines der größten geothermalen Gebiete in Kamtschatka
Intensive und vielfältige hydrothermale Aktivitäten in Form von zahlreichen Ausströmungen von Dampf-Gas-Gemischen an der Oberfläche
Die geochemischen Untersuchungen die dort an mehreren Messstationen am Thermalwasser durchgeführt wurden sehen wie folgt aus:
Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“
Geochemie des Thermalwassers bei „Pauzhetskaya“
Erstellung eines 3D numerischen Modells für den Standort „Pauzhetskaya“
Erstellung eines 3D numerischen Modells der geothermalen Lagerstätte auf Basis eines hydrogeologischen Modells
Kalibriert auf Grundlagen von TOUGH2 und iTOUGH2 aus den Datensätzen von 1960-2006
iTOUGH2 untersucht dabei die Veränderungen des Grundwasserspiegels als Response auf barometrische Luftänderungen
iTOUGH2 deckt eine Fläche von 4x5 km² ab und umfasst drei Schichten:
(1) Basisschicht mit den Führungskanälen des geothermalen Fluides
(2) Hydrothermales Reservoir
(3) Obere Schicht, die die Grundwasserneubildung und –entnahme in festgelegten Zeitabschnitten berücksichtigt
Exkurs: Seismische Messverfahren Vibroseis -Verfahren zur Standortbestimmung für Tiefenbohrungen.
Seismische Wellen werden dabei von drei Vibroseis Spezialfahrzeugen innerhalb von 12 -16 Sekunden in den Boden geschickt.
Geophone, die im gesamten Messgebiet ausliegen, zeichnen die seismisch erzeugten Reflexionen auf und leiten sie zur Bearbeitung an einen Messwagen weiter.
Die ausgewerteten Ergebnisse der seismischen Messungen entscheiden dann über den Standort der Tiefenbohrungen – oder den Abbruch des Projektes.
Seismische Messverfahren
In folgender Abbildung :
Geophonpunkte (blau)
und
Vibratorpunkte (lila)
mit CMP- Überdeckung (im Zentrum bis ca. 300-fach, am äußeren Rand ca. 10- 20-fach) dargestellt.
Wärmeskala von dunkelblau (kalt)
bis rot (sehr warm) gibt Aufschlüsse für potentielle Standorte für Tiefenbohrungen
Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“ Die schematische Karte zeigt sowohl den Ist-Zustand als auch eine überlagerte Modellierung des
Kraftwerkstandorts
Beschrieben wird das geothermische Reservoir selbst, der Betrieb des Kraftwerks genauso wie Ausblicke für neue Erschließungsmöglichkeiten.
Geothermischer Standort „Pauzhetskaya“ Im oberen Graphen sind die Förderraten von Thermalwasser bei Pauzhetskaya über die Jahre
1960 bis 2006 abgetragen Die Fördermenge ist eine Akkumulation aus alten (grau) und neuen (rot)
Produktionsbohrungen
Der untere Graph bildet Anteil an Thermalwasser ab, der in den Boden zurück injiziert wird
- Blaue Ausfärbung der Kurve, kaltes Thermalwasser bei der Reinjektion
- Pinke Färbung bedeutet: Temperatur bei 100-120 °C
Reinjektion zur Vermeidung von Umweltschäden,
- Giftiger Schwefelwasserstoff - Eisen II-haltiges Wasser
Hydrothermale Dublette notwendig zur Rückführung des abgekühlten Wassers
Numerisches Modell des geothermischen Feldes am „Mutnowskij“
Es wurden mehrere numerische Modelle für das Gebiet rund um das Kraftwerk Mutnowskij erstellt
Modell EX3F zeigt Topografie und Temperaturverteilung (250 m u. NN)
Ergebnis: Absenkung der Dampfabgabe von 64,4 auf 31 kg/s und Verminderung des Drucks von 44,7 auf 32 bar innerhalb der nächsten 15 Jahre
Entwicklung Zeitplans für Inbetriebnahme zusätzlicher Produktionsbohrungen in diesem Zeitraums
Geologischer Querschnitt am geothermalen Feld „Dachny“
Zu sehen ist ein Schnitt entlang der Produktionsbohrungen 17 u. 30 am „Dachny“
Auftretende Zirkulationsverluste durch die gefüllten schwarzen Kreise dargestellt
Gestrichelte rote Linie markiert die Hauptproduktion bzw. Entnahmestellen des geothermalen Fluides
Exkurs: Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes nach Darcy
Mit:
kf = Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]
Q = Fließrate [m³/s] l = durchströmte Länge des porösen Körpers [m] ρ = Dichte des Fluids, bei Wasser 1000 kg/m³ g = Erdschwerebeschleunigung = 9,81 m/s² A = durchströmte Querschnittsfläche des porösen Körpers [m²] Δp = Druckdifferenz ,die sich nach dem Strömen einstellt [N/m²]
𝒌 𝒇=𝑸× 𝒍×𝝆×𝒈∆𝒑×𝑨
Geothermisches Reservoir bei „Mutnowskij“
Ausbau der geothermalen Lagerstätte „Mutnowskij“
Russisch – Deutsche Kooperationsarbeit
Fragen?
Quellen
• GtV Bundesverband Geothermie
• Studie zu den Möglichkeiten der Stromerzeugung aus hydrothermaler Geothermie in Mecklenburg- Vorpommern, 2003
• Geothermische Produktion aus Enhanced aus Enhanced Geothermal Systems (EGS) – Stand der Technik, Geothermal Explorers Ltd, 2007
• http://pangea.stanford.edu/ERE/db/IGAstandard/search_results.php
• Практика реализации инвестиционных проектов в области геотермальной энергетики. Проблемы, перспективы – Понкратьев Павел Александрович, Начальник Департамента возобновляемых источников энергии
• Геотермальная энергетика России. Состояние и перспективы - Никольский А.И., Технический директор ЗАО «Геотерм-ЭМ»
• ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ В РОССИИ - Г.В. Томаров, А.И.Никольский, В.Н. Семенов, А.А. Шипков, ЗАО «Геоинком»
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