Überkritische Fluide in geothermischen Systemen

Forschungsausblick mit Beispiel des Iceland Deep Drilling Project (IDDP)

Manuela Wunderlich

Gliederung1. Thermodynamische Betrachtung der

Überkritikalität2. Geothermische Systeme in großen Tiefen –

überkritische Fluide3. Das Iceland Deep Drilling Project (IDDP)4. Zusammenfassung

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Manuela Wunderlich

1. Thermodynamische Betrachtung der Überkritikalität

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Manuela Wunderlich

Kritischer Punkt Kritischer Punkt von Wasser:374,12°C, 212,2 bar

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Manuela Wunderlich

ÜberkritikalitätÜberkritisches Wasser: keine Trennung der

flüssigen und gasförmigen PhaseNeue Stoffeigenschaften, z.B.

hohe Dichte (Flüssigkeitseigenschaft)Folge: höhere spezifische EnthalpieEffussion möglich (Gaseigenschaft)Salvatisierung möglich

(Flüssigkeitseigenschaft)sehr niedrige Viskosität ( Umgang!)

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Manuela Wunderlich

Spezifische Enthalpie

steigt mit Tfällt leicht mit phöherer

Energieinhalt

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Manuela Wunderlich

Kompressionsmodul

200-mal kleiner als in kalten Aquiferen mehr Gesteinsdeformation

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Manuela Wunderlich

2. Geothermische Systeme in großen Tiefen – überkritische Fluide

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Manuela Wunderlich

Überkritisches Wasser in geothermischen SystemenHohe Temperaturen und hoher Druck möglich in

großen Tiefenwarme Aquifere durch Einfluss von Magma

(Magmakammern)Anzeichen z.B. Erdbeben, VulkanismusUntersee-Reservoirs

Fluidzusammensetzung: kein reines Wasser, sondern Wasser, Salze und Gase

Genaue Zusammensetzung unbekannt, ähnliche Eigenschaften erwartet

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Manuela Wunderlich

Wo sind überkritische Fluide?Voraussetzung für das geothermische

System: genügend hoher Druck und Temperatur

Beispiel: Untersee-Reservoirsv.a. an PlattengrenzenAnzeichen: hydrothermale Quellen

(„Schwarzer Raucher“)Wasser verlässt Schlote mit 350-400°C

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Manuela Wunderlich

Modellierung Druckänderung mit Höhe

Enthalpie-änderung mit Höhe

Anfangs/Randbedingungen:

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Manuela Wunderlich

Modellierung (II)Integration in Schritten von 1 mBerechnung der Temperatur aus Druck und

Enthalpie jeder Stufe

Druck an der Oberfläche

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Manuela Wunderlich

Modellierung (II)Integration in Schritten von 1 mBerechnung der Temperatur aus Druck und

Enthalpie jeder Stufe

Temperatur an der Oberfläche

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Manuela Wunderlich

Elektrische LeistungZum

Vergleich: Dampf, Oberflächen-druck 25 bar, Reservoirdruck 30 bar, gleicher Volumenstrom

5 MW el. Leistung

Faktor 10 niedriger

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Manuela Wunderlich

3. Das Iceland Deep Drilling Project

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Manuela Wunderlich

Iceland Deep Drilling Project

Im Jahr 2000 gegründetTräger: Isländisches EnergiekonsortiumUntersuchung dreier geothermischer Felder:

KraflaNesjavellir/HengillReykjanes (Salzwasser)

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Manuela Wunderlich26.07.2012 17/31

Manuela Wunderlich

Ziele des IDDP

Machbarkeitsstudie für die Erschließung sehr tiefer geothermischer Reservoirs in Island

Verwendung von überkritischem Wasser als Grundlage Suche nach geothermischen Gebieten mit überkritischen BedingungenWeiterentwicklung der TechnologienÖkonomische und wissenschaftliche Studie

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Manuela Wunderlich

SchwierigkeitenZum Projektbeginn keinerlei Informationen

über physikalische und chemische Eigenschaften der Fluide in dieser Tiefe

Fluide müssen zur Untersuchung entnommen werden

Aber: Materialentnahme Korrosion, Ablagerung von Feststoffen im Aquifer ?

„the pipe“

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Manuela Wunderlich

Vorgehen

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Manuela Wunderlich

Vorgehen (II)Tiefe des

Bohrloches: 3,5 bis 5 km

Bohren in mehreren Abschnitten

Trennung von subkritischer und überkritischer Phase

Durchmesser von ca. 80 bis 18 cm abnehmend

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Manuela Wunderlich

„The pipe“

Schmales Rohr wird ins Bohrloch eingelassen

Durchmesser ca. 10 cm

Stabilisierung des Bohrlochs

Fluidentnahme durch das Rohr

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Manuela Wunderlich

IDDP-1 in Krafla

Vorhaben

Reale Bohrung

2400 – 3500 m: 24 cm

3500 – 4500 m: 18 cm (bis Juli 2009)

Ab Nov. 2008: 80-47 cm bis 800 m ü

Dez. 2008 – Feb. 2009: 42 cm bis 1200 m ü

Bohrunterbrechungen bis Mai 2009

Mit 34 cm bis 2040 m; erfolglose Bohrkernentnahme

24.Juni 2009: Aufgabe bei 2104,4 m

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Manuela Wunderlich

Ende von IDDP-124. Juni 2009: Eindringen heißer Magma in

das Bohrloch (20 m Obsidian)Magmakammer weniger tief als berechnetAufgabe der Bohrung

Magma in 2104 m Tiefe: ca. 1050°CGrund für mangelnde Stabilität des

Bohrlochs

Verschließen des Bohrlochs mit Zement26.07.2012 24/31

Manuela Wunderlich

ZukunftsausblickIDDP-1: weitere Untersuchungen zur Nutzung

des geothermischen Fluids geplant (flow tests)Phase 1: ZusammensetzungPhase 2: KapazitätPhase 3: Testkraftwerk

2013-2015: neue Bohrung in Reykjanes (IDDP-2) geplant

Nesjavellir/Hengill (IDDP-3): einige Jahre später

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Manuela Wunderlich

4. Zusammenfassung

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Manuela Wunderlich

Vorteile durch Nutzung überkritischer Fluide

Höherer Energieinhalt

Höherer Massenstrom durch höheren Druck

Zehnmal höherer Ertrag möglich im

Vergleich zu herkömmlichen geothermischen

Systemen

Durch Tiefenbohrung weniger

Flächenverbrauch26.07.2012 27/31

Manuela Wunderlich

Nachteile durch Nutzung überkritischer Fluide

Für hohe Temperaturen und Drücke Spezialanfertigungen für Werkzeuge und Maschinen notwendig

Tiefbohrungen sehr teuerZu wenige Kenntnisse über Verhältnisse in

großer TiefeTechnologien zum Umgang mit

überkritischen Flüssigkeiten müssen noch (weiter)entwickelt werden

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Manuela Wunderlich

FazitNutzung überkritischer geothermischer

Systeme im Bereich aktueller Forschung

Momentan noch keine wirtschaftliche Nutzung möglich

Aussichten auf zehnmal höhere Erträge werden zu weiterer Untersuchung führen

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Manuela Wunderlich

Quellen Suárez Arriaga M. und Samaniego V. F. (2012), „Deep geothermal reservoirs

with water at superscritical conditions“, Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford

Albertsson A. et al. (2003), „Iceland Deep Drilling Project – Part III – Fluid Handling, Evaluation and Utilization“, IDDP Feasibility Report

Fridleifsson G. (2003), „Iceland Deep Drilling Project: Deep vision and future plans“, International Geothermal Conference, Reykjavík

Elders W. und Fridleifsson G. (2010), „The Science Program of the Iceland Deep Drilling Project (IDDP): a Study of Supercritical Geothermal Ressources“, World Geothermal Congress, Bali

Fridleifsson G. et al. (2010), „Iceland Deep Drilling Project – 10 Years later – Still an Opportunity für International Collaboration“, World Geothermal Congress, Bali

http://www.iddp.is http://www.techniklexikon.net/images/l2621_mollier-diagramme.gif http://langlopress.net/homeeducation/resources/science/content/support/

illustrations/Chemistry/Water%2520Phase%2520Diagram-bl.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid

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Danke für Eure/Ihre Aufmerksamkeit!