Geothermische Energie aus heißem Trockengestein - Hot dry rock geothermal energy

Hot Dry Rock (HDR) ist eine reichlich verfügbare Quelle für geothermische Energie . In heißen, aber im Wesentlichen trockenen und undurchdringlichen kristallinen Grundgesteinen, die fast überall tief unter der Erdoberfläche zu finden sind, ist ein riesiger Speicher an thermischer Energie enthalten. Ein Konzept zur Gewinnung nützlicher Mengen geothermischer Energie aus HDR entstand 1970 am Los Alamos National Laboratory , und Laborforschern wurde ein US-Patent dafür zuerkannt.

Überblick

Obwohl sie oft mit der relativ begrenzten hydrothermalen Ressource verwechselt wird, die bereits weitgehend kommerzialisiert ist, unterscheidet sich HDR-Geothermie stark. Während die hydrothermale Energieerzeugung nur heiße Fluide nutzen kann, die bereits in der Erdkruste vorhanden sind, gewinnt ein HDR-System (bestehend aus dem HDR-Druckspeicher, den von der Oberfläche gebohrten Bohrlöchern und den Oberflächeninjektionspumpen und den dazugehörigen Rohrleitungen) die Wärme der Erde aus heißem aber trockene Regionen über den geschlossenen Kreislauf des Druckfluids. Diese unter hohem Druck von der Oberfläche injizierte Flüssigkeit öffnet bereits vorhandene Fugen im Grundgestein und schafft ein künstliches Reservoir, das bis zu einem Kubikkilometer groß sein kann. Das in die Lagerstätte eingespritzte Fluid nimmt Wärmeenergie von den Hochtemperatur-Gesteinsoberflächen auf und dient dann als Förderer für den Transport der Wärme an die Oberfläche für den praktischen Gebrauch.

Geschichte

Die Idee des Wärmeabbaus in tiefen heißen Trockengesteinen wurde von Konstantin Tsiolkovsky (1898), Charles Parsons (1904) und Vladimir Obruchev (1920) beschrieben.

1963 wurde in Paris ein geothermisches Heizsystem gebaut, das die Wärme von natürlichem gebrochenem Gestein nutzte.

Das Projekt Fenton Hill ist das erste System zur Gewinnung von HDR-Geothermie aus einem künstlich geformten Reservoir; es wurde 1977 erstellt.

Technologie

Planung und Kontrolle

Da das Reservoir durch die Druckdehnung der Fugen gebildet wird, führt die elastische Reaktion des umgebenden Gebirges zu einem Bereich von dicht komprimiertem, versiegeltem Gestein an der Peripherie, wodurch das HDR-Reservoir vollständig begrenzt und eingeschlossen wird. Ein solches Reservoir ist daher vollständig konstruiert, da die physikalischen Eigenschaften (Größe, Tiefe, in der es entsteht) sowie die Betriebsparameter (Injektions- und Produktionsdruck, Produktionstemperatur usw.) im Voraus geplant und genau kontrolliert werden können.

Bohren und Druckaufbau

Wie von Brown beschrieben, wird zunächst ein HDR-Geothermiesystem entwickelt, indem konventionelle Bohrungen verwendet werden, um eine Region mit tiefem, heißem Grundgestein zu erschließen. Sobald festgestellt wurde, dass die ausgewählte Region keine offenen Verwerfungen oder Fugen enthält (bei weitem die häufigste Situation), wird ein isolierter Abschnitt des ersten Bohrlochs mit einem Druck beaufschlagt, der hoch genug ist, um mehrere zuvor versiegelte Fugen im Gebirge zu öffnen. Durch kontinuierliches Pumpen (hydraulische Stimulation) entsteht ein sehr großer Bereich stimulierten Gesteins (das HDR-Reservoir), der aus einer miteinander verbundenen Anordnung von gemeinsamen Fließwegen innerhalb des Gesteins besteht. Das Öffnen dieser Strömungswege verursacht eine Bewegung entlang der druckaktivierten Gelenke, wodurch seismische Signale (Mikroerdbeben) erzeugt werden. Die Analyse dieser Signale liefert Informationen über die Lage und Dimensionen des zu entwickelnden Reservoirs.

Produktionsbrunnen

Typischerweise bildet sich ein HDR-Reservoir in Form eines Ellipsoids , dessen längste Achse orthogonal zur geringsten Erdhauptspannung ist. Auf diese druckstimulierte Region wird dann durch zwei Produktionsbohrungen zugegriffen, die gebohrt werden, um das HDR-Reservoir in der Nähe der verlängerten Enden der stimulierten Region zu durchschneiden. In den meisten Fällen wird das Anfangsbohrloch zum Injektionsbohrloch für das Dreibrunnen-Druckwasserkreislaufsystem.

Betrieb

Im Betrieb wird Fluid mit Drücken eingespritzt, die hoch genug sind, um das miteinander verbundene Netzwerk von Verbindungen gegen die Erdspannungen offen zu halten und Fluid mit hoher Geschwindigkeit effektiv durch das HDR-Reservoir zirkulieren zu lassen. Während der routinemäßigen Energieproduktion wird der Injektionsdruck knapp unter dem Niveau gehalten, das eine weitere Druckstimulation des umgebenden Gesteins bewirken würde, um die Energieproduktion zu maximieren und gleichzeitig das weitere Reservoirwachstum zu begrenzen.

Produktivität

Das Volumen der neu geschaffenen Reihe geöffneter Fugen innerhalb des HDR-Reservoirs beträgt weit weniger als 1% des Volumens des druckstimulierten Gesteins. Da sich diese Verbindungen weiterhin druckausdehnen, wird die Gesamtströmungsimpedanz über das Reservoir sehr niedrig, was zu einer hohen thermischen Produktivität führt.

Machbarkeitsstudien

Die Machbarkeit des Abbaus von Wärme aus der tiefen Erde wurde in zwei getrennten HDR-Lagerstätten-Strömungsdemonstrationen mit jeweils etwa einem Jahr Zirkulation nachgewiesen, die zwischen 1978 und 1995 vom Los Alamos National Laboratory durchgeführt wurden. Diese bahnbrechenden Tests fanden am Fenton Hill HDR . des Labors statt Testgelände in den Jemez Mountains im Norden von New Mexico , in Tiefen von über 2.400 m und Gesteinstemperaturen von über 180 °C. Die Ergebnisse dieser Tests zeigten schlüssig die Tragfähigkeit des revolutionären neuen HDR-Geothermiekonzepts. Die zwei separaten Reservoirs, die in Fenton Hill geschaffen wurden, sind immer noch die einzigen wirklich begrenzten HDR-Geothermie-Reservoirs, die weltweit strömungsgetestet wurden.

Fenton Hill-Tests

Phase I

Das erste HDR-Reservoir, das in Fenton Hill getestet wurde, das Phase-I-Reservoir, wurde im Juni 1977 erstellt und dann 75 Tage lang von Januar bis April 1978 bei einer thermischen Leistung von 4 MW strömungsgetestet. Die endgültige Wasserverlustrate bei einem Oberflächeninjektionsdruck von 900 psi (6,2 MPa) betrug 2 US Gallonen pro Minute (7,6 l/min) (2 % der Injektionsrate). Es wurde gezeigt, dass dieses anfängliche Reservoir im Wesentlichen aus einer einzigen druckerweiterten, nahezu vertikalen Verbindung mit einer verschwindend kleinen Strömungsimpedanz von 0,5 psi/US gal/min (0,91 kPa/l/min) besteht.

Das ursprüngliche Reservoir der Phase I wurde 1979 vergrößert und 1980 fast ein Jahr lang weiter auf Durchfluss getestet. Von größter Bedeutung war, dass dieser Durchflusstest bestätigte, dass das vergrößerte Reservoir ebenfalls begrenzt war und eine geringe Wasserverlustrate von 6 gpm aufwies. Dieses Reservoir bestand aus dem einzigen fast vertikalen Gelenk des ursprünglichen Reservoirs (das, wie oben erwähnt, Anfang 1978 75 Tage lang einem Durchflusstest unterzogen worden war), ergänzt durch eine Reihe neuer druckstimulierter fast vertikaler Gelenke, die etwas schräg waren bis zum Anschlag des ursprünglichen Gelenks.

Phase II

Ein tieferes und heißeres HDR-Reservoir (Phase II) wurde Ende 1983 während eines massiven Hydraulic Fracturing (MHF)-Vorgangs geschaffen etwas mehr als einen Monat. Die Informationen der ICFT bildeten die Grundlage für einen anschließenden Long-Term-Flow-Test (LTFT), der von 1992 bis 1995 durchgeführt wurde.

Der LTFT umfasste mehrere einzelne stationäre Strömungsdurchläufe, die von zahlreichen zusätzlichen Experimenten unterbrochen wurden. In den Jahren 1992–1993 wurden zwei stationäre Zirkulationsperioden implementiert, die erste für 112 Tage und die zweite für 55 Tage. Während beider Tests wurde routinemäßig Wasser mit einer Temperatur von über 180 °C und einer Geschwindigkeit von 90–100 US gal/min (20–23 m ³ /h) erzeugt, was zu einer kontinuierlichen thermischen Energieproduktion von ungefähr 4 MW führte. Während dieser Zeitspanne wurde der Reservoirdruck (auch während der Sperrzeiten) auf einem Niveau von etwa 15 MPa gehalten.

Ab Mitte 1993 wurde das Reservoir für einen Zeitraum von fast zwei Jahren geschlossen und der angelegte Druck konnte auf praktisch Null abfallen. Im Frühjahr 1995 wurde das System wieder unter Druck gesetzt und ein dritter kontinuierlicher Umlauf von 66 Tagen durchgeführt. Bemerkenswerterweise wurden die in den beiden früheren Tests beobachteten Produktionsparameter schnell wiederhergestellt und die stationäre Energieproduktion auf dem gleichen Niveau wie zuvor wieder aufgenommen. Beobachtungen sowohl während der Absperr- als auch während der Betriebsphase all dieser Strömungstestperioden lieferten klare Beweise dafür, dass das Gestein an der Grenze dieses künstlichen Reservoirs durch die Druckbeaufschlagung und die daraus resultierende Ausdehnung des Reservoirbereichs komprimiert wurde.

Als Ergebnis des LTFT wurde Wasserverlust als Hauptproblem bei HDR-Operationen eliminiert. Im LTFT-Zeitraum sank der Wasserverbrauch auf nur noch 7 % der eingespritzten Wassermenge; und die Daten zeigten, dass sie unter stationären Zirkulationsbedingungen weiter abgenommen hätte. Gelöste Feststoffe und Gase in der geförderten Flüssigkeit erreichten bei niedrigen Konzentrationen (etwa ein Zehntel des Salzgehalts von Meerwasser) schnell Gleichgewichtswerte, und die Flüssigkeit blieb während des gesamten Testzeitraums geochemisch gutartig. Der Routinebetrieb der automatisierten Oberflächenanlage zeigte, dass HDR-Energiesysteme mit den gleichen wirtschaftlichen Personalplänen betrieben werden können, die bereits eine Reihe von unbemannten kommerziellen Hydrothermalanlagen einsetzen.

Testergebnisse

Die Fenton Hill-Tests zeigten deutlich die Vorteile eines vollständig entwickelten HDR-Reservoirs gegenüber natürlich vorkommenden hydrothermalen Ressourcen, einschließlich EGS. Mit allen wesentlichen physikalischen Eigenschaften der Lagerstätte – einschließlich Gesteinsvolumen, Flüssigkeitskapazität, Temperatur usw. – die während der ingenieurmäßigen Schaffung der Lagerstättenzone festgelegt wurden und das gesamte Lagerstättenvolumen von einer hyperbelasteten Peripherie aus versiegeltem Gestein umgeben ist, können alle Betriebsschwankungen Bedingungen werden vollständig durch absichtliche Veränderungen an der Oberfläche bestimmt. Im Gegensatz dazu ist ein natürliches hydrothermales „Reservoir“ – das im Wesentlichen offen und daher nicht begrenzt ist (mit stark variablen Grenzen) – von Natur aus Veränderungen der natürlichen Bedingungen unterworfen.

Ein weiterer Vorteil eines HDR-Speichers besteht darin, dass er aufgrund seiner Enge sehr gut für den Lastfolgebetrieb geeignet ist, bei dem die Energieerzeugungsrate variiert wird, um den unterschiedlichen Strombedarf zu decken – ein Prozess, der die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der Technologie erheblich erhöhen kann . Dieses Konzept wurde gegen Ende des Phase-II-Testzeitraums evaluiert, als die Energieproduktion durch eine programmierte Entlüftung der Hochdrucklagerstättenregionen rund um das Produktionsbohrloch für 4 Stunden täglich um 60 % gesteigert wurde. Innerhalb von zwei Tagen war es möglich, den Prozess zu computerisieren, so dass die Produktion für den Rest des Testzeitraums automatisch nach dem gewünschten Zeitplan erhöht und verringert wurde. Die Übergänge zwischen den beiden Produktionsstufen dauerten weniger als 5 Minuten, und auf jeder Stufe wurde die stationäre Produktion konstant aufrechterhalten. In einem natürlichen Hydrothermalsystem oder gar in einem EGS-System konnten solche Lastfolgeoperationen aufgrund der uneingeschlossenen Volumen- und Randbedingungen nicht umgesetzt werden.

Die Experimente bei Fenton Hill haben deutlich gezeigt, dass die HDR-Technologie einzigartig ist, nicht nur in Bezug auf die Herstellung und anschließende Zirkulation des Druckreservoirs, sondern auch aufgrund der Flexibilität, die sie bei der Verwaltung bietet. Mit der Hydrothermaltechnik hat sie nur gemeinsam, dass beide „geothermisch“ sind.

Soultz-Tests

1986 wurde das HDR-Systemprojekt von Frankreich und Deutschland in Soultz-sous-Forêts gestartet. 1991 wurden Brunnen bis 2,2 km Tiefe gebohrt und stimuliert. Der Versuch, ein Reservoir anzulegen, scheiterte jedoch, da hohe Wasserverluste zu beobachten waren.

1995 wurden Brunnen auf 3,9 km vertieft und stimuliert. 1997 wurde erfolgreich ein Reservoir angelegt und ein viermonatiger Zirkulationstest mit 25 l/s (6,6 USgal/s) Durchfluss ohne Wasserverlust erreicht.

Im Jahr 2003 wurden die Brunnen auf 5,1 km vertieft. Stimuliert wurde, um ein drittes Reservoir zu schaffen, während der Zirkulationstests in den Jahren 2005-2008 Wasser mit einer Temperatur von etwa 160 °C mit geringem Wasserverlust produziert wurde. Mit dem Bau eines Kraftwerks wurde begonnen. Das Kraftwerk im Jahr 2016 zu produzieren Strom beginnt, wurde sie mit einer Bruttoleistung von 1,7 MW installiert _e .

Unbestätigte Systeme

Es gab zahlreiche Berichte über die Erprobung von unbeschränkten geothermischen Systemen, die in kristallinem Grundgestein druckstimuliert wurden : zum Beispiel im Steinbruch Rosemanowes in Cornwall, England; an den Calderas Hijiori und Ogachi in Japan; und im Cooper-Becken , Australien. Allerdings haben sich all diese „konstruierten“ geothermischen Systeme, obwohl sie im Rahmen von Programmen entwickelt wurden, die auf die Erforschung von HDR-Technologien gerichtet waren, als offen erwiesen – was durch die hohen Wasserverluste belegt wird, die während der Druckzirkulation beobachtet werden. Im Wesentlichen sind sie alle EGS oder hydrothermale Systeme, keine echten HDR-Reservoirs.

Weiterlesen

Im April 2012 wurde im Springer-Verlag ein maßgebliches Buch zur HDR-Entwicklung veröffentlicht, das einen vollständigen Bericht über die Experimente in Fenton Hill enthält.

Glossar

DOE, Energieministerium (USA)
EGS, Enhanced Geothermal System
HDR, heißer trockener Rock
HWR, heißes nasses Gestein
ICFT, Erster Closed-Loop-Flow-Test
LTFT, Langzeit-Durchflusstest
MHF, Massive Hydraulic Fracturing
PDC, polykristalliner Diamantkompakt (Bohrer)

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