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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