Europäisches Geothermieprojekt Soultz-sous-Forêts

BINE
Informationsdienst
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Das System des geothermischen
Wärmetauschers in Soultz hat sich
bewährt
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Die Technologie für das Hot-Dry-RockVerfahren (HDR) hat entscheidende
Fortschritte erreicht
▼
Abb 1
Die Forschung zur Stromerzeugung
mittels HDR ist in eine entscheidende
Phase getreten
▼
Europäisches Geothermieprojekt
Soultz-sous-Forêts
HDR als eine der Optionen für eine
zukünftige, nachhaltige Energieversorgung ist näher gerückt
Anlage in Soultz
ie Nutzung der natürlichen Erdwärme kann in Deutschland
D
mit einem Projekt in Camborne. Im Rahmen eines europäischen Ver-
mittels drei Verfahren erfolgen: oberflächennahe Erdsonden
bundvorhabens, an dem sich Forscher aus Frankreich, Deutschland
(erdgekoppelte Wärmepumpen [max. 100 m Tiefe]), hydro-
und später Großbritannien, Italien, Schweden und der Schweiz betei-
thermale Anlagen (Nutzung natürlicher Warmwasservorkommen in
ligten, begannen die Forschungen im elsässischen Soultz-sous-Forêts
geothermischen Heizzentralen [1.500 – 3.000 m Tiefe]) und über
1987. Vorangegangen waren in Deutschland nationale Projekte in Fal-
das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR [3.000 – 6.000 m Tiefe]). Für
kenberg (1977–86) und Bad Urach (1977-96). Im Rahmen der
HDR werden im tiefen, kristallinen und heissen Gestein natürliche
Energieforschung hat das Bundesministerium für Wirtschaft und
Spalten durch Verpressen von Wasser mit hohem Druck so erwei-
Technologie (BMWi) die nationalen Projekte und den deutschen Bei-
tert, dass sie mit Wasser als Wärmeträger in einem geschlossenen
trag zu Soultz gefördert.
Kreislaufbetrieb zwischen mindestens zwei Tiefbohrungen als riesi-
Ergebnis des Forschungsvorhabens Soultz, in dem die Anlage nur zu
ger Wärmetauscher genutzt werden können. Innerhalb der erneuer-
Versuchszwecken in Betrieb genommen wurde, ist ein mindestens
baren Energiequellen hat Geothermie in jeder Form den Vorteil,
3 km2 großer, geothermischer Wärmetauscher in einer Tiefe von
unabhängig von Tages- und Jahreszeiten zur Verfügung zu stehen.
2.800 bis 3.500 m. Im Verlauf einer viermonatigen Testzirkulation
Derzeit sind in Ländern mit aktivem Vulkanismus weltweit bereits
wurde eine maximale thermische Leistung von 11 Megawatt erbracht.
geothermische Kraftwerke mit einer installierten Leistung von mehr
Hierbei wurden wichtige Ergebnisse über die zur Verfügung stehen-
als 8.000 Megawatt in Betrieb. Mit HDR ließe sich die Erdwärme
den Methoden zur Realisierung von HDR-Anlagen gewonnen.
auch in anderen Ländern zur Stromerzeugung nutzen.
Im Jahr 1999 wurde in Soultz im Rahmen eines Folgeprojekts eine
Die HDR-Forschung begann 1970 im amerikanischen Los Alamos.
Bohrung auf 5.084 m vertieft, um Gesteinsformationen mit einer
Japan folgte 1974 in Ogachi und Hijiori sowie Großbritannien 1977
Temperatur von ca. 200ºC zu erschließen.
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Europäisches Projekt Soultz-sous-Forêts
Das Projekt Soultz bündelt die europäischen
Forschungsvorhaben zur HDR-Technologie. Die ca. 7 Mio. DM Fördermittel pro
Jahr werden zu etwa 40% von der EU, und
zu je 30% durch das französische Forschungsministerium und das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgebracht. Weitere Unterstützung kommt
von der Region Elsaß und den Industriepartnern des Projekts. Koordiniert und
durchgeführt wird das Vorhaben von der
Firma SOCOMINE. Die Abb 2 zeigt den
Projektaufbau.
Abb 2 Projektorganisation
Fördergeber
Bundesministerium
für Wirtschaft und
Technologie (BMWi) *
▼
(wissenschaftliche Koordination)
•
•
•
•
•
•
Bureau de Recherche Geologiques et Minières (F)
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (D)
Geothermie-Engineering GmbH (D)
MeSy Geo Messsysteme GmbH (D)
GTC Kappelmeyer GmbH (D)
ABB Offshore Systems Limited (GB)
Beobachter:
• ENEL S.p.A (I)
Steuerungsgruppe
Industrielle Partner
Je zwei Vertreter der Europäischen Kommission
sowie aus Frankreich und Deutschland
(Europäische wirtschaftliche Interessenvertretung „Wärmebergbau“)
Beobachter: ENEL (I), Bundesamt für Energiewirtschaft (CH)
SOCOMINE SA
•
•
•
•
•
•
Electricité de Strasbourg
Electricité de France
ENEL S.p.A
Pfalzwerke AG
RWE Energie AG
Shell International Exploration and Production
Industrielle
Partner
Der Untergrund
Soultz-sous-Forêts, ca. 50 km nördlich von Strasbourg im elsässischen Teil des Oberrheingrabens gelegen, liegt im Zentrum der
größten geothermischen Wärmeanomalie Mitteleuropas. In 1.000 m
Tiefe herrschen hier Temperaturen von 100ºC, statt der „normalerweise“ zu erwartenden 40ºC. Diese Wärmeanomalie wird in
Soultz auf den Aufstieg heißer Tiefenwässer zurückgeführt. Unterhalb der 1.000 m Marke flacht der Temperaturgradient ab. In
3.800 m Tiefe wurden 168ºC gemessen. Das kristalline Gestein
(Granit) beginnt in einer Tiefe von 1.400 m. Für seismische Messungen im Rahmen der HDR-Forschung konnte man in der Region
auf umliegende alte Erdölbohrungen aus den 40er und 50er Jahren
zurückgreifen.
Auch die im Oberrheingraben zu erwartenden niedrigen horizontalen Druckspannungen im tiefen Untergrund sprachen für den
Standort Soultz. Dies bedeutet für HDR, dass vorhandene Risse im
Gestein mit verhältnismäßig wenig Druck geöffnet werden können. Im damit stimulierten Wärmetauscher, der mit einem ausgeprägten, natürlichen Kluftsystem verbunden ist, zirkuliert das Wasser mit niedrigem Druck und damit geringem Energieverbrauch
durch die Pumpen. Insgesamt bietet der Untergrund des Oberrheingrabens daher günstige Rahmenbedingungen für ein HDR
Projekt. Die in Soultz zirkulierenden Tiefenwässer enthalten
ca. 100 g/l gelöster Salze und zudem Gase, vor allem N2 und CO2.
Der Zirkulationstest in 1997
Das zentrale Element des europäischen
HDR-Versuchsfeldes Soultz sind die Tiefbohrungen GPK I (Injektionsbohrung;
3.600 m) und GPK II (Förderbohrung;
3.900 m), die in 3.500 m Tiefe etwa 450 m
voneinander entfernt liegen. In der Förderbohrung wurde das Wasser mittels einer in
430 m Tiefe installierten Tauchpumpe mit
einer Laufleistung von bis zu 160 kW aktiv
gefördert. Nach Entnahme der Wärmeenergie erfolgte die Reinjektion in der Bohrung GPK I mit Hilfe einer Zentrifugalpumpe (40 – 60 kW).
Abb 3 Der geothermische Wärmetauscher
2
Europäische Hot Dry Rock Vereinigung
Französisches
Ministerium für
Forschung und
Entwicklung *
Weitere Förderer: Region Elsaß und Industriepartner
* gemeinsam mit fachlich zuständigen Projektträgern
Europäische Hot
Dry Rock Vereinigung
▼
Europäische
Kommission
DG XII
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Der geothermische Wärmetauscher
Um ein als geothermischer Wärmetauscher
geeignetes Risssystem zu stimulieren, wurden zwischen 1992 und 1995 ca. 100.000 m3
Wasser mit Drücken bis zu 150 bar und
Fließraten bis zu 78 l/s in beide Bohrlöcher
verpresst. Stimulieren heißt, dass im Untergrund vorhandene Risse geöffnet, aufgeweitet und die Rissflächen versetzt werden.
Da die vorhandenen Oberflächenstrukturen nicht mehr zueinander passen, halten
die Risse sich selbst offen. Die dabei erzielte
mittlere Rissweite liegt im Bereich von
weniger als 1 mm, d. h. es wird nur ein
geringer Eingriff im Untergrund vorgenommen. Über Geophone, die in vier
benachbarten alten Erdölbohrungen in einer
Tiefe zwischen 1.500 und 2.200 m installiert waren, konnten während der Stimulationsexperimente mehr als 30.000 Bruchgeräusche geortet und aufgezeichnet
werden. Aufgrund dieser Daten wurde ein
Bild des Wärmetauschers (Abb 3) entworfen, das zwei ineinander übergreifende parallel verlaufende Risssysteme zeigt. Der
geothermische Wärmetauscher umfasst eine
Fläche von mindestens 3 km2. An seinen
Rändern ist dieser Wärmetauscher hydraulich offen, da er auf den vorhandenen natür-
lichen Risssystemen basiert. Die Wasserzirkulation im Wärmetauscher erfolgt entlang des Druckgefälles von der Injektionshin zur Produktionsbohrung. In diesem
System sind die geförderten Wässer dann
ein Gemisch aus natürlichen Tiefenwässern
und verpresstem Wasser; an der Oberfläche
waren daher keine Wasserverluste feststellbar. Durch den geringen artesischen Druck
und die thermischen Auftriebskräfte hat
das System bereits eine „natürliche“ Produktionsrate von 10 l/s.
Die Thermalsole
Da der pH-Wert des Wassers stabil unter
einem Wert von 5 blieb und damit eine
befürchtete Ausfällung von Silikaten
unterblieb, wurde in der zweiten Hälfte des
Versuches auf die Beimischung von Antiscalling-Mitteln (Polyacrylat) verzichtet.
Danach verringerte sich der Fließwiderstand
des Gesteins und der Druck in der Injektionsbohrung sank von 35 auf 20 bar. Um
die Verweildauer des injizierten Wassers im
Untergrund zu bestimmen, wurden verschiedene Tracer (chemische Markierungssubstanzen) beigemischt. Alle Substanzen
waren nach ca. 3 Tagen an der Produktionsbohrung nachweisbar (kürzeste Verbin-
▼
Energiegewinnung
Ein viermonatiger Zirkulationsversuch (vgl.
Abb 4) verlief ohne technische Probleme
und erbrachte eine maximale potentielle
Leistung (bei einer technisch möglichen
Auskühlung auf 40ºC) von 11 MWtherm
(vgl. Abb 5). Die geförderte Wärme wurde
während der vier Monate über einen Kühlwasserteich abgeleitet. Die Re-Injektion
erfolgte mit einer Temperatur von 60ºC
(vgl. Abb 6), um die thermische Aufnahmekapazität des Kühlteichs nicht zu überlasten. Diese insgesamt zur Verfügung stehende Wärmemenge entspricht dem
Wärmebedarf pro Jahr von ca. 5.500 Niedrigenergiehäusern mit 100 m2 Wohnfläche.
Bei einer Umwandlung in Strom hätte diese
thermische Leistung ca. 1.000 kWel ergeben; diesem Wert stehen 250 kW Leistung
bei den Pumpen gegenüber. Für eine Versuchsanlage, bei der verfahrenstechnische
Fragen im Vordergrund standen und das
Temperaturniveau für eine effiziente Stromerzeugung noch zu niedrig war, ist dieser
Wert beachtlich.
Zur genauen Erkundung der Temperaturverhältnisse, der Geologie und der Hydraulik wurde 1999 in Soultz eine Bohrung
bereits auf 5.084 m vertieft. Dort wurde
ein Temperaturniveau von ca. 200ºC
erreicht. Mittlerweile sind neben Forschungsinstitutionen auch verschiedene
Unternehmen der Energiewirtschaft an einer
dung). Während der viermonatigen Zirkulationsversuche ließen sich 25% - 35% der
Tracermenge beim Durchfließen der oberirdischen Rohrleitung wiedergewinnen,
d. h. ca. 2/3 des injizierten Wassers nehmen
nicht den direkten Weg zwischen den beiden
Bohrlöchern, sondern weite Umwege über
die erweiterten Risssysteme. Dieses lässt auf
eine lange thermische Nutzungsdauer des
geothermischen Wärmetauschers schließen.
Oberirdisch wurde das geförderte Wasser
wegen der gelösten Salze (100 g/l) und Gase
in einem geschlossenen Rohrleitungssystem
unter Sauerstoffabschluss mit einem Überdruck von 10 – 12,5 bar zwischen der Förder- und der Re-Injektionsbohrung geführt.
Hierdurch konnten Korrosion (Sauerstoffabschluss) und Ausfällungen (Überdruck
verhindert Entweichen der gelösten Gase)
innerhalb des Rohrleitungsnetzes und des
Titan-Palladium-Plattenwärmetauschers völlig verhindert werden. Dabei wurde auf die
Erfahrungen der hydrothermalen Geothermieanlage Neustadt-Glewe zurückgegriffen,
wo eine Thermalsole mit 220 g/l Salz
genutzt wird.
Fortsetzung des Projekts in Soultz beteiligt.
Die technischen Anforderungen an eine wissenschaftliche Pilotanlage für ein Kraftwerk
in Soultz sind: 50 – 60 MWtherm, ca. 200ºC
Wassertemperatur, mindestens 20 Jahre
Betriebsdauer, ein Risssystem von 5 – 10 km2
und Förderraten von insgesamt ca. 100 l/s
mittels zwei Produktionsbohrungen. Damit
ließen sich ca. 5-6 MW elektrische Leistung
erzeugen.
Ein zukünftiges kommerzielles Kraftwerk,
mit einer Leistung von 25 MWel und Förderraten von ca. 400 l/s über 9 Bohrungen,
ließe nach heutigem Kenntnisstand Stromgestehungskosten von ca. 15 Pf/kWh erwarten.
Abb 4 Schema des Zirkulationsversuchs in 1997
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Abb 5
Förderpumpe
Vorfilter
Wärmetauscher
Kühlwasserpumpe
Korrosionstestkammern
Hauptfilterbatterie
Verpresspumpe
Energiedaten der Versuchsanlage
Potentielle thermische
Nutzbare
Real entnommene
Wassertemperatur
Leistung (Auskühlung 40°C) Wärmemenge thermische Leistung am Ende der Förderung
(Auskühlung 60°C)
11 MW
27,5 Mio. kWh
6-8 MW
142°C
Max. potentielle
Wassertemperatur
(nach 1 Jahr
Dauerbetrieb)
155-160°C
Abb 6 Temperaturverlauf
BINE projektinfo 6/99
3
▼
Fazit
PROJEKTORGANISATION
Soultz hat wichtige Erkenntnisse für die Zukunft von HDR gebracht. Die Abb 7
verdeutlicht den großen Entwicklungssprung, den die weltweite HDR-Forschung
durch Soultz genommen hat. Die für den Betrieb einer Pilotanlage zu fordernden
Leistungsparameter sind in Reichweite.
Die Ursprungskonzeption von HDR aus Los Alamos gedachte, zwei Bohrlöcher
mittels mehrerer mit Überdruck zu schaffender, künstlicher Einzelrisse im trockenen Gestein zu verbinden. Hohe Verpressdrücke bei größeren Zirkulationsraten
und erhebliche Wasserverluste bei der Zirkulation erwiesen sich dabei u. a. als große
Hindernisse.
Das in Soultz entwickelte Konzept bezieht natürliche Tiefenwässer und Kluftsysteme ein. Bohrungen haben damit das Ziel, den Anschluss an derartige natürliche
Systeme herzustellen, so dass diese mittels Überdruck stimuliert werden können.
Da zwischen der Förder- und Verpressbohrung ein natürliches Gleichgewicht
herrscht, hat das System keine Wasserverluste. Es ist damit einfacher und kostengünstiger umsetzbar als frühere Konzepte. Die in Soultz entwickelte Technik der
großräumigen Stimulierung natürlicher Risssysteme kann prinzipiell bei allen geothermischen Lagerstätten mit unzureichender Durchlässigkeit angewandt werden.
Die Bohrkosten für eine HDR Bohrung nähern sich den Kosten tiefer Erdgasoder Erdölbohrungen und Bohrtiefen von 5.000 m bis 6.000 m sind Stand der Technik. Mittlerweile werden HDR-Projekte auch in Australien, den USA und der
Schweiz begonnen bzw. wiederaufgenommen. HDR hat das Potential, bereits mittelfristig als eine Option für ein nachhaltige Energieversorgung zur Verfügung zu
stehen.
Abb 7
Projekt
max.
Temperatur
[m]
[°C]
Abstand der
Bohrungen
Produktionsfließrate
Wasserverluste
Fließwiderstand
[%]
[MPa s/l]
[l/s]
7
< 10
2,5
5
80-100
270
130
12
25
0,3
7
50-150
80
180-270
15
25
0,4
4
200-300
3.500
168
450
25
0
0,23
11
> 6.000
5.000
ca. 200
> 500
100
0
232
Hijiori
2.200
Camborne
2.200
Soultz
Ziel
ca. 0,1
[MW]
[m3]
[m]
3.500
> 50
20.000 (#)
Projektdurchführung
. Bundesanstalt für
Geowissenschaften und Rohstoffe
Reinhard Jung
Stilleweg 2
30655 Hannover
. SOCOMINE
Jörg Baumgärtner
Route de Kutzenhausen
F-67250 Soultz-sous-Forêt
. MeSy GEO Meß-Systeme GmbH
Fritz Rummel
Meesmannstr. 49
44807 Bochum
. GTC Kappelmeyer GmbH
Jürgen Dornstädter
Haid-und-Neu-Str. 7
76131 Karlsruhe
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(*) Volumen der kürzesten Verbindung zwischen Förder- und Verpressbohrung
(+) Auskühlung auf 40°C
(#) bei 2 Förderbohrungen
PROJEKTADRESSEN
■ Förderkennzeichen
0326690 A und B
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
Fachinformationszentrum Karlsruhe,
Gesellschaft für wissenschaftlich-technische
Information mbH
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Nachdruck
Nachdruck des Textes nur zulässig bei
vollständiger Quellenangabe und gegen
Zusendung eines Belegexemplares;
Nachdruck der Abbildungen nur mit
Zustimmung der jeweils Berechtigten.
Therm.
DurchLeistung (+) bruchvolumen (*)
150-300
Los Alamos
■ Projektbegleitung im Auftrag des BMWi
Projektträger Biologie, Energie, Umwelt (BEO)
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wolfgang Schloemer
52425 Jülich
■ Redaktion
Uwe Milles
Kenndaten verschiedener HDR Forschungsprojekte
Tiefe
■ Förderung der Vorhaben
Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi)
Godesberger Allee 185, 53175 Bonn
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Literatur
Geothermische Energie – Mitteilungsblatt
der Geothermischen Vereinigung e. V., Jg. 6
(1998), H. 22/23 (Dez.) enthält zahlreiche
Artikel zum Thema. Erhältlich bei Geothermische Vereinigung e. V., Gartenstr. 36,
49744 Geeste, Tel.: (05907) 545,
Fax: (05907) 7379, e-mail:
Geothermische-Vereinigung@t-online.de
.
BINE – INFORMATIONEN UND
IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT
BINE ist ein vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie geförderter
Informationsdienst.
BINE informiert über neue Energietechniken und deren Anwendung in
Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und
Kommunen.
BINE bietet Ihnen folgende
kostenfreie Informationsreihen
■ Projekt-Infos
■ Profi-Infos
■ Bildung & Energie
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wenn Sie vertiefende Informationen,
spezielle Auskünfte, Adressen etc.
benötigen, oder wenn Sie allgemeine
Informationen über neue Energietechniken wünschen
Video
. Stadtwerke Bad Urach; SOCOMINE
(Hrsg.): Hot Dry Rock II – Auf dem Weg zu
neuen Kraftwerken. Dauer: 18 Min.
DM 25,00 Schutzgebühr.
ISBN 3-932570-16-2.
BINE Infoplus
. Weitere Informationen, Abbildungen, sowie
ein Literaturverzeichnis und eine Liste mit
Links zu thematisch passenden Internetangeboten sind abrufbar unter
http://bine.fiz-karlsruhe.de
in der Rubrik „Service-Infoplus“
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Fachinformationszentrum Karlsruhe
Büro Bonn
Mechenstr. 57
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4
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Eden
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Internet: http://bine.fiz-karlsruhe.de