speicher

Inhalt• Wie funktionieren Hochtemperaturspeicher?• Gekoppelte Systeme (Solarthermie, BHKW-Abwärme, Geothermie)• Technische Rahmenbedingungen (Bohrverfahren, Vorstudien, Modellierung)• Warum sind Hochtemperaturspeicher interessant?• konventionelles Heizsystem (Radiatoren mit hohen Vorlauftemperaturen)• bestehende Infrastruktur (Nah-/Fernwärmenetz) verwendbar• geringerer Wärmeverlust da geringeres ∆T• Warum ist das Kristallin interessant?• geringe Durchlässigkeit, Wärmepool• petrothermale Systeme im nORG• Was wissen wir über die mitteldeutsche Kristallinschwelle?• Welche Untersuchungen liefern wichtige Eingangsdaten für Dimensionierung undModellierung eines Hochtemperaturspeichers t h sowie für petrothermale th Systeme?7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 1

Konventionelle Erdsonden-Wärmespeicherd Sommerbetrieb: b KühlungWinterbetrieb: t i b Heizung7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 2

Hochtemperaturspeichert h• Wenige, dafür mitteltiefe Bohrungen (500 – 1500 m)• Hohe Einspeisetemperaturen 70 - 110°C• Bohrtiefen von über 1000 m erreichen höhere Untergrundtemperaturen geringereTemperaturspreizung zwischen Reservoirtemperatur und Einspeisetemperatur geringerer Wärmeverlust als bei oberflächennahen Speichern• Hohe Vorlauftemperaturen können ausgespeist werden (55-65°C)• Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verzicht auf Wärmepumpe geringererPrimärenergieeinsatz• Energetische Optimierung von bestehender Infrastruktur• Kostengünstiges Bohrverfahren einsetzbar (hydraulisches Imlochhammer-Bohrverfahren)7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 3

Energetische Sanierung im Gebäudebestandb dhttp://www.rockwool.com/• konventionelleHeizsysteme(Radiatoren mithöheren VorlauftemperaturenalsFlächenelemente)können weiter genutztwerden• Einsparung von Sanierungskosten• Bestehende Nah-/Fernwärmenetze können gespeistwerden• Einspeisung ins Wärmenetz oder direkteGebäudeversorgung ersorg möglich• Bei direkter Gebäudeversorgung ist eineenergetische Sanierung des BestandesVoraussetzung7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 4

Solarthermie• VerschiedeneKollektorentypen fürunterschiedlicheBetriebsregimes /Temperaturbereichevorhanden• ZusätzlicheWärmeeinspeicherung mithöheren Temperaturen alsin konventionellenWärmenetzten möglichwww.cleanthinking.de• Wetter- undSaisonabhängig!http://www.viessmann.com/7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 5

Gekoppelte SystemeX• Die Koppelung von unterschiedlichenhregenerativen Energien mitbestehender Infrastruktur ist über dieSpeichertechnologie möglich• Besonders wetterabhängigeTechnologien wie Solarthermie undWindkraft sind auf Speicherangewiesen.• Kopplung mit industrieller Abwärme,Prozesswärme gewährleistetGrundlastfähigkeit• Kopplung mit BHKW‘s ermöglichtstromgeführten Betrieb im SommerSchmidt et al. 20037. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 6

Lage des geplanten Hochtemperaturspeicherst h• Lageplan desgeplantenHochtemperaturspeichersinklusive Angabeder Lokation derbestehendenBohrungen inskristallineGrundgebirge7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 7

Strukturgeologie am Bohrstandortt• Darmstadt liegt auf der östlichen Randverwerfung des Oberrheingrabens.• Die Rheingrabenrandverwerfung unterteilt das Stadtgebiet geologisch undhydrogeologisch in einen Bereich mit kristallinen und permischenKluftgrundwasserleitern l des Odenwaldes und Sprendlinger Horstes im E und einGebiet mit den quartären Porengrundwasserleitern des Oberrheingrabens im W.• Die steilstehende Rheingrabenrandverwerfung g quert das Stadtgebiet etwa in N-S-Richtung und markiert einen Versatz der Gesteinsschichten von über 2.000 m• Insbesondere im Innenstadtbereich, wo die Störung in NE-SW-Richtung umschwenkt,ist ein kompliziertes Schollenmosaik ausgebildet (Fahlbusch 1970, Hoppe & Lang2007).• Das Odenwaldkristallin besteht im Stadtgebiet hauptsächlich aus Granodiorit,außerdem treten Amphibolit, Gneise, Granit, Diorit, Gabbro, Kalksilikatfels undHornfels auf (Klemm 1938, Nickel 1985).• Die meist NE-SW streichenden Einheiten sind von jüngeren basischen und saurenGanggesteinen sowie Barytgängen durchzogen (Chelius 1890, Klemm 1938).7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 8

Standortbedingungentb diLithologieTemperaturverteilungLockergesteinMelaphyrVerwitterter GranodioritGranodiorit1000mBei einem angenommenengeothermischen Gradientenvon 3 o C / 100 m ergeben sichTemperaturen von• 12 o C in 40 m• 41 o C in 1000 mDer tatsächliche Gradient istjedoch noch unbekannt.7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 9

Bohrverfahren: h DTH Fluidhammer• Bohrverfahren: hydraulisches Imlochhammerverfahren,DTH (down to hole) Fluidhammer, mitentwickelt am GZB Bochum• Perkussionsbohrtechnik• Schneller Bohrfortschritt imFestgestein• Geringerer Primärenergieeinsatz nötig• Gute Bohrlochstabilität• Verbesserter Bohrkleintransport imVergleich zu Lufthebeverfahren• Gute Kontrolle über Vertikalität /Bohrlochablenkung wirtschaftliches BohrenWittig 2012Wittig 20107. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 10

Beladung des Hochtemperaturspeicherst hBeladung durch BHKW während des Sommers (stromgeführter BHKW-Betrieb) und beiLastspitzen (ganzjährig möglich)Einspe eisetemperat turen 70 – 110°C1000 m40°C7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 11

Entladung des Hochtemperaturspeicherst hEntladung im Winter mit direkter Einspeisung ins Nahwärme-/FernwärmenetzRück klauftempera aturen 55 – 70°C1000 m7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 12

Sommerbetriebb• Szenario 1:BHKW / Speicher /EndverbraucherBHKWEndverbraucherHochtemperaturspeicherSolarthermieanlage• Szenario 2:BHKW + Solarthermieanlage/Speicher / EndverbraucherBHKWEndverbraucherHochtemperaturspeicher7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 13

Winterbetriebt i b• Szenario 1:BHKW / Speicher /EndverbraucherBHKWEndverbraucherHochtemperaturspeicherSolarthermieanlageLastspitzen• Szenario 2:BHKW + Solarthermieanlage/Speicher / EndverbraucherBHKWEndverbraucherHochtemperaturspeicher7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 14

BeladungszustanddMelaphyr• Einspeisetemperatur:70-110°C• Bohrtiefe: 1000 m• 3 Bohrungen1000 m• ThermischeIsolierung: ca. 100 m• Koaxialsonde40°CThompson 20117. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 15

Entladungszustandt dMelaphyr• Ausspeisetemperatur:55 - 65°C• Bohrtiefe: 1000 m• 3 Bohrungen1000 m• ThermischeIsolierung: ca. 100 m• Koaxialsonde40°CThompson 20117. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 16

Aufbau eines ersten numerischen 3D-Modells• Simulationdes Speichersüber eineBetriebsdauervon 10 Jahren• Boxmodell für3 Sonden a1000 mKoju 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 17

Simulation der Temperaturen in 950 m Tiefebei 10 Jahren SpeicherbetriebSimulationsvideoRühaak 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 18

Temperatur Output t des Speichers• Geothermischer Gradient 3°C/100 m• 220 Tage im Jahr Einspeisung von 90°C• Im Winter wird mit (3 * 120 m³ d -1 = 360 m³ d -1 ) reinjiziert• Nach ca. 7 Jahren ist die Vorlauftemperatur aus dem Speicher nicht geringer als ~ 50 °C.7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 19

Warum ist das Kristallin interessant?t?• Der Kenntnisstand über die Heterogenität des kristallinen Grundgebirges, dieHydraulik insbesondere im Nahbereich von Störungszonen, die thermischen undmechanischen Eigenschaften ist noch unzureichend und es besteht erheblicherForschungsbedarf.• Bohrungen zur Klärung dieser Fragen im Übergangsbereich von Deckgebirge zuGrundgebirge, der als Grundwasserleiter und potenziellen geothermischerReservoirhorizont bekannt ist, kann Grundlagen schaffen in Zukunft einewirtschaftliche Erschließung zu ermöglichen.• Bohrungen im Bereich des nördlichen Oberrheingrabens sind von besonderemInteresse, da hier die typischen geothermischen Reservoirgesteine desOberrheingrabens (Buntsandstein und Muschelkalk) nicht mehr vorkommen und dasGrundgebirge für die Tiefengeothermie ein wichtiger Erschließungshorizont ist(Kristallinspeicher und Petrothermale Systeme).• In Landau in der Pfalz und in Insheim ist das Grundgebirge bereits erfolgreicherschlossen worden.7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 20

Was wissen wir über die MDKS?MDKS = Mitteldeutsche KristallinschwelleErkenntnisse aus dem Hessen 3D-Projekt:Bär 2012Profilschnitt itt (nördlich v. Darmstadt)7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 21

TiefenlinienplanGrundgebirge• Tiefenlage des Grundgebirges ausModell Hessen 3D entnommen7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 22Bär 2012

Untergrundtemperaturdatent d tBär 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 23

Bär 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 24

Temperatur in 1000 m Tiefe• Temperaturverteilung t in 1000 mTeufe aus Modell Hessen 3DentnommenBär 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 25

Konzept: Aufschlussanalogstudiel Aufschluss Bohrkern Dünnschliff0.5 mmMakroskala Mesoskala MikroskalaHomuth et al. 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 26

ThermofazieskonzeptCarbonatesMudstonesWackestones/PackstonesGrainstonesClasticsLacustrineClaystones/SiltstonesCoastal-Deltaic SandstonesFluvial/AlluvialSandstones/ConglomeratesVolcanicLacustrineClaystones/SiltstonesLavas/TuffsFluvial VolcaniclasticsPlutonicPlutonic Rocks Altered Plutonic Rocks Altered Plutonic RocksEnhanced Petrothermal SystemsEnhancedGeothermal SystemsHydrothermal SystemsConductiveHeat TransferAuto-Convective-Forced ConvectiveeHeat TransferConductive-ConvectiveeHeat TransferForcedConvectiveeHeat TransferAuto-ConvectiveHeat Transfer1,0E-17 1,0E-16 1,0E-15 1,0E-14 1,0E-13 1,0E-12 1,0E-11low permeablem²high permeableSass & Götz 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 27

Gesteinskennwerte derMitteldeutschen KristallinschwelleGesteinsartenWärmeleit-Temperatur-Spezifischefähigkeit n leitfähigkeit n Wärmekapazität[W/(m·K)][10 -6 m²/s][J/(kg·K)]nAmphibolit 1,88 ± 0,21 24 0,81 ± 0,14 24 813 ± 92 24Gabbro 2,10 ± 0,19 218 1,01 ± 0,09 120 764 ± 53 120Diorit 2,23 ± 0,18 152 1,03 ± 0,10 152 760 ± 59 152Tonalit 2,36 ± 0,17 130 1,14 ± 0,13 130 770 ± 67 130Granodiorit 2,51 ± 0,33 280 1,26 ± 0,22 252 736 ± 68 276Granit 258± 2,58 038 0,38 185 133± 1,33 025 0,25 182 753 ± 98 182Gneis 2,59 ± 0,25 113 1,33 ± 0,24 88 762 ± 106 25GESAMT 1.102 948 9097. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 28

Geothermische Kennwerte:GranodioritBär 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 29

Gebirgspermeabilitätbilität• Grundgebirge: Fluidtransport t erfolgt in der Regel entlang des Trennflächengefügesfübzw. größerer Störungszonen (Stober & Bucher 2007).• Für die Abschätzung der Ergiebigkeit sind Kenntnisse des Trennflächengefüges, dieLage und Ausbildung größerer Störungszonen sowie durch hydraulische Testsermittelte Gebirgspermeabilitäten von großer Bedeutung.• Korrelation mit anderen Bohrungen, die das Grundgebirge erschließen:• Bohrung Urach 3 Gneisgebirge: Durchlässigkeit von k f = 1,32·10 -8 m/s ermittelt.• KTB-VB Metabasite (Amphibolit, Metagabbro): Durchlässigkeit k f = 4,07·10 -6 m/s.• Für die durchflusswirksamen Hohlraumgehalte wurde n = 0,5 % (Urach 3) und n = 0,7 % (KTB-VB) berechnet (Stober 1995, Tenzer 1997, Stober & Bucher 2000, 2005, 2007).• Heubach-Bohrung• Korrelation mit Aufschlussanalogstudien und abgeleiteten Prognosewerten undPumptests aus Erschließungsbohrungen des Hochtemperaturspeichers7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 31

Geothermischer h Gradient• Kann zwischen 2,6 und 3,7 °C/100mliegen, abhängig von Nähe und Lagezum Grabenrandstörungssystem0Temperaturlog aus EWS-Bohrung Heubach (gestört)• Geothermischer Gradient hat großenEinfluss auf Temperaturfeld-200• Es wird am Vorhabenstandort derzeitversucht über Temperaturlogs inGrundwassermessstellen dengeothermischen GradientabzuschätzenTeufe (m)-400-600• Bestimmung des Gradienten inBohrungen des-800Hochtemperaturspeichers15 20 25 30 35 40Temperatur (°C)H. Anger‘s Söhne Bohr- und Brunnenbaugesellschaft mbH, 20127. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 32

Anomalien des erdmagnetischen Totalfeldesgeben Hinweise auf tiefen UntergrundaufbauKorrelation vonAufschlussgebietenund Geophysikermöglicht dieIdentifikation vonIntrusivgesteinenund BereichenmetamorpherSchieferhüllenGeologie nachVoges et al. (1993)Magnetische Totalfeldanomalienaus Gabriel und Vogel (2010)7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 33

Welche Untersuchungen liefern wichtig Eingangsdatenfür Dimensionierung i i und Modellierung des Speichersund petrothermaler Systeme• Für belastbare Prognosen zur Dimensionierung und Betrieb eines thermischenSpeichers ist eine gute Kenntnis des geologischen Aufbaus des ausgewähltenSpeichergesteins, der petrophysikalischen Eigenschaften sowie der geometrischenund hydraulischen Eigenschaften des Kluftnetzwerkes notwendig. direkter Aufschluss (Analog und Bohrungen zur Herstellung desHochtemperaturspeichers)• Die projektierte Lage des Bohrstandortes gewährleistet die Übertragbarkeit dergewonnenen Erkenntnisse auf den tieferen Untergrund im Bereich des nördlichenOberrheingrabens zwischen Heidelberg im Süden bis Frankfurt a. M. im Nordensowie bis ins Pfälzer Bergland im Westen und den kristallinen Odenwald im Ostenund somit auf einen großen Teil der Mitteldeutschen Kristallinschwelle. integrierende geophysikalische Untersuchungen• Die unmittelbare Nähe zur Rheingrabenrandverwerfung mit einem vergleichbarenTrennflächensystem wie im nördlichen Oberrheingraben lässt Aussagen über denSpannungszustand sowie die Stimulierbarkeit des Grundgebirges g zu. Bohrlochtests7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 34

VIELEN DANK FÜR IHREAUFMERKSAMKEIT7. Tiefengeothermieforum | 08.10.2012 | Dipl.-Ing. Sebastian Homuth, MSc. | Fachgebiet Angewandte Geothermie 35