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Überkritische Fluide in geothermischen Systemen
Forschungsausblick mit Beispiel des Iceland Deep Drilling Project (IDDP)
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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
26.07.2012 3/31
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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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Spezifische Enthalpie
steigt mit Tfällt leicht mit phöherer
Energieinhalt
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Kompressionsmodul
200-mal kleiner als in kalten Aquiferen mehr Gesteinsdeformation
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2. Geothermische Systeme in großen Tiefen – überkritische Fluide
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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
26.07.2012 9/31
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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
26.07.2012 10/31
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Modellierung Druckänderung mit Höhe
Enthalpie-änderung mit Höhe
Anfangs/Randbedingungen:
26.07.2012 11/31
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Modellierung (II)Integration in Schritten von 1 mBerechnung der Temperatur aus Druck und
Enthalpie jeder Stufe
Druck an der Oberfläche
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Modellierung (II)Integration in Schritten von 1 mBerechnung der Temperatur aus Druck und
Enthalpie jeder Stufe
Temperatur an der Oberfläche
26.07.2012 13/31
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Elektrische LeistungZum
Vergleich: Dampf, Oberflächen-druck 25 bar, Reservoirdruck 30 bar, gleicher Volumenstrom
5 MW el. Leistung
Faktor 10 niedriger
26.07.2012 14/31
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3. Das Iceland Deep Drilling Project
26.07.2012 15/31
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Iceland Deep Drilling Project
Im Jahr 2000 gegründetTräger: Isländisches EnergiekonsortiumUntersuchung dreier geothermischer Felder:
KraflaNesjavellir/HengillReykjanes (Salzwasser)
26.07.2012 16/31
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Manuela Wunderlich26.07.2012 17/31
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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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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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Vorgehen
26.07.2012 20/31
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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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„The pipe“
Schmales Rohr wird ins Bohrloch eingelassen
Durchmesser ca. 10 cm
Stabilisierung des Bohrlochs
Fluidentnahme durch das Rohr
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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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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
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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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4. Zusammenfassung
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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
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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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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
26.07.2012 30/31
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Danke für Eure/Ihre Aufmerksamkeit!