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Das HFR-Verfahren - Schlüssel für die geothermische Energieerzeugung der Zukunft

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03/2009

Die weltweit nutzbare geothermische Energie wird auf mindestens 200 Milliarden Terrajoule geschätzt – genug, um den Energiebedarf der Menschheit für mehrere Millionen Jahre zu decken. Nur ein Bruchteil hiervon kann durch klassisch hydrothermale Systeme erschlossen werden. Der weitaus größte Teil der geothermischen Ressourcen dagegen ist nur nutzbar bei Anwendung so genannter petrothermaler Systeme oder "Enhanced Geothermal Systems" (EGS). Hierzu zählt insbesondere das Hot Fractured Rock (HFR)-Verfahren, früher auch als Hot Dry Rock (HDR)-Verfahren bezeichnet. Der Vorteil des HFR-Verfahrens ist, dass es im Gegensatz zur Hydrogeothermie nicht an das Vorkommen von Klüften und Wasser im Untergrund gebunden ist. Deshalb ist es weltweit an vielen Orten einsetzbar. Nach der Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestags (TAB-Studie) sind 95% des geothermischen Stromerzeugungspotenzials nur mittels HFR-Technik in Deutschland nutzbar. Die Ursprünge dieser Technik zur Energiegewinnung aus kompakten, heißen Tiefengesteinen gehen auf Arbeiten am US-amerikanischen Los Alamos National Laboratory im Jahr 1974 zurück. Im Grundsatz besteht die Technik darin, bei Tiefenbohrungen Wasser mit hohem Druck in das heiße Gestein zu injizieren und somit bestehende Klüfte und Risse im Gestein aufzuweiten bzw. neu zu schaffen. Ziel ist es, durch diese Stimulation (hydraulic fracturing) einen unterirdischen Wärmetauscher zu erzeugen, bei dem das Wasser über eine erste Bohrung verpresst und - nachdem es sich in der Tiefe erhitzt hat - über eine zweite Bohrung an die Oberfläche zu fördern. Damit die so geschaffenen Klüfte auch nach Absenkung des Wasserdrucks offen bleiben, können künstliche Stützkörper eingespült oder für eine laterale Verschiebung der Kluftflächen gegeneinander gesorgt werden. Statt Wasser kann auch Kohlendioxid als Zirkulationsmedium eingesetzt werden. Diese Variante hat nicht nur den Vorteil, dass CO2 günstigere thermodynamische Eigenschaften hat als Wasser. Sie bietet zugleich eine Möglichkeit, das Treibhausgas aus der Atmosphäre zu entfernen und im Untergrund festzulegen. Noch bedarf es technischer Weiterentwicklungen und Investitionen, damit das HFR-Verfahren auf breiter Front zum Einsatz kommen kann. Im Verhältnis zu anderen Investitionen in der Energiewirtschaft sind die nötigen Mittel allerdings überschaubar: Nach Berechnungen des Massachusetts Institute for Technology (M.I.T.) würden Investitionen von ca. 800 bis 1000 Mio. Dollar in den kommenden 15 Jahren ausreichen, um die Technolgie aus dem Forschungs- und Entwicklungsstadium zur Einsatzreife zu bringen. Diese Summe entspricht etwa den Kosten für den Neubau eines einzigen Kohlekraftwerks. Ist die Technologie erst großflächig einsetzbar, prognostiziert das M.I.T., dass in den USA bis 2050 ein geothermischer Kraftwerkspark mit einer Leistung von 100 GW elektrischer Energie installiert werden kann. Auch in Deutschland wird das größte Potential in den nächsten Jahren in der HFR-Technik gesehen. In seiner Leitstudie 2008 für erneuerbare Energien schreibt das Bundesumweltministerium: „ Bei der Geothermie wird von einem erfolgreichen Einstieg zunächst auf der Basis hydrothermaler Anlagen, später mittels HDR-Anlagen ausgegangen, der bis 2015 zu einer installierten Leistung von 100 MW und bis 2020 von 280 MW führt.“ Bereits heute gibt es weltweit eine Reihe von Geothermieprojekten, in denen die Technologie getestet, eingesetzt und weiterentwickelt wind. So zum Beispiel in Japan, den USA sowie in Soultz-sous-Forêts in Frankreich, in Basel-Kleinhüningen in der Schweiz und im Cooper Basin in Australien. Im Cooper Basin in Australien wird zurzeit das erste über Aktien finanzierte und auch das weltweit größte HFR-Projekt realisiert. In 4.300 Metern Tiefe finden sich hier Temperaturen um 250°C. Nach 50 Jahren Kraftwerksbetrieb wird mit einer Temperaturabnahme um nur ca. 40°C gerechnet. Die erste 1 MW-Demonstrationsanlage soll Ende April dieses Jahres eingeweiht werden, bis Ende 2015 sollen bereits 500 MW installiert sein. Das bis jetzt einzige HFR-Geothermieprojekt in Deutschland befindet sich in Bad Urach. 2004 wurden die Arbeiten an dem Projekt unterbrochen – jetzt wird es fortgesetzt und eine Machbarkeitstudie erstellt. Die Essener Firma Enro Geothermie GmbH plant mit dem „Geothermie-Kraftwerkspark Brandenburg“ ein HFR-Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von ca. 25 MW. Gänzlich unumstritten ist die Technologie indes nicht. Bei der hydraulischen Stimulation während der Reservoirerschließung kann es zu seismischen Ereignissen der Stärke 1 bis 2, selten auch bis zur Stärke 3 auf der Richter Skala kommen. So geschehen in Basel-Kleinhüningen, wo es Ende 2006 und Anfang 2007 bei der hydraulischen Stimulation im Rahmen eines Geothermieprojekts zu unerwartet starken seismischen Ereignissen mit einem maximalen Wert von 3,4 auf der Richter-Skala kam. Zugelassen waren Erschütterungen bis zu einer Magnitude von 2. Eine Magnitude von 3,4 ist mit dem Knall und der Erschütterung vergleichbar, die ein Überschallflugzeug verursacht, wenn es die Schallmauer durchbricht. Eine Magnitude von 2 ist nur mit hochempfindlichen Instrumenten nachweisbar. Auch in Soultz-sous-Forêts kam es bei der Aufweitung der Gesteinsklüfte zu seismischen Ereignissen, wobei diese mit einer maximalen Magnitude von 2.9 meist unterhalb der Wahrnehmungsgrenze lagen. Wie aber kommt es zu dieser Seismizität und wie ist die Gefährdung hierdurch einzuschätzen? Wie beschrieben werden bei der Stimulation große Mengen Wasser unter hohem Druck über die Tiefbohrung in den Untergrund verpresst. Ziel ist es, die Wasserleitfähigkeit auf bestehenden Rissen zu erhöhen. Bei Überschreitung eines bestimmten Druckwertes kommt es zu einem lokal begrenzten Scherversatz im Millimeterbereich, einem Mikrobeben. Je nach Gebirgseigenschaften und Injektionsumfang liegt der erzeugte Störungsradius im Bereich von einigen hundert Metern bis zu wenigen Kilometern. In diesem Bereich werden Gebirgsspannungen in vielen Teilschritten abgebaut bzw. umgelagert. Zum Erdbeben in Basel stellte das baden-württembergische Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau fest, dass die Beben von Basel durch die Stimulation ausgelöst wurden, jedoch „die eigentliche Ursache der Beben natürliche tektonische Spannungen waren, das eingepresste Wasser dagegen lediglich den auslösenden Faktor darstellte“. Derzeit werden die Vorkommnisse in Basel im Rahmen einer seismischen Risikostudie unter der Leitung der Firma Q-con aus Bad Bergzabern untersucht. Die geothermische Stromerzeugung mit Hilfe der HFR-Technologie ist auch ein Schwerpunktthema auf der 5. Internationalen Geothermiekonferenz, die vom 27. bis 28. April 2009 in Freiburg stattfindet. Weitere Informationen zur Konferenz und die Möglichkeit, sich online anzumelden finden Sie unter www.geothermiekonferenz.de

(ag)
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