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Sitzungsübersicht
Sitzung
F 14 Industrielle Nutzung geothermischer Wärme - Beispiele direkter Nutzung und Speicherung
Zeit:
Donnerstag, 02.12.2021:
14:00 - 15:40

Chair der Sitzung: Thomas Jahrfeld, SWM Services GmbH
Virtueller Veranstaltungsort: Raum 2
Sitzungsraum

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Präsentationen
14:00 - 14:20

Die Idee von grünem und regionalem Papier mittels Geothermie

Martin Machnik, Martin Schröder

Kabel Premium Pulp und Paper, Hagen

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14:20 - 14:40

Geothermale Prozessdampferzeugung für die Industrie

Sven Klute, Marcus Budt

Fraunhofer UMSICHT, Deutschland

Die direkte Nutzung von Tiefengeothermie zur Wärmebereitstellung stellt sowohl in Deutschland als auch international eine der wichtigsten Nutzungsformen dar. Die industrielle Nutzung nimmt hierbei bislang allerdings eine nur untergeordnete Rolle ein, da das Temperaturniveau geothermaler Quellen oftmals nicht ausreicht, um die Bedarfe industrieller Prozesse direkt zu bedienen. Zudem erfolgt die Bereitstellung von Prozesswärme in vielen Industriezweigen mittels Prozessdampf als Wärmeträgermedium, dessen Erzeugung hohe thermische Leistungen benötigt.

International gibt es bereits einige Standorte die eine geothermale Prozessdampferzeugung realisiert haben. Hierbei handelt es sich jedoch um Standorte mit ausreichend hohen Thermalwassertemperaturen (> TProzess), welche eine direkte Dampferzeugung ermöglichen. Das bekannteste Beispiel ist die Norske Skog Tasman Papierfabrik in Neuseeland, welche seit mehr als 50 Jahren einen Großteil des benötigten Prozessdampfs aus Thermalwasser mit einer Reservoirtemperatur von etwa 275 °C erzeugt. In Deutschland reicht das technisch-wirtschaftlich erschließbare Temperaturniveau in der Regel allerdings nicht aus, weshalb zusätzliche verfahrenstechnische Schritte zur thermischen Aufwertung notwendig sind. Im Fokus aktueller Forschungen stehen hierbei insbesondere Hochtemperaturwärmepumpen (VHTHP) beziehungsweise dampferzeugende Wärmepumpen (SGHP).

Um eine geothermale Prozessdampferzeugung zukünftig auch an Standorten mit den beschriebenen Randbedingungen zu ermöglichen, entwickelt und bewertet Fraunhofer UMSICHT im laufenden EFRE-Projekt » Geothermale Papiertrocknung « sowohl die oben genannten als auch weitere potenzielle Verfahrensrouten. Die wesentlichen Verfahren sind hierbei die thermische Aufwertung (Anhebung des Temperaturniveaus) und die Phasenumwandlung (Verdampfung). Für die Umsetzung beider Verfahren kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahrensschritte zurückgegriffen werden, wodurch sich eine Vielzahl an potenziellen Verfahrensrouten ergibt. Die weitere Eingrenzung dieser Verfahrensrouten erfolgt anhand von Bewertungskriterien welche im Rahmen des Projektes entwickelt werden.

Im laufenden FuE-Projekt liegt der Fokus auf der Papierindustrie, welche durch einen ganzjährig hohen Prozessdampfbedarf im Bereich von 100–200 °C charakterisiert ist. Die Untersuchungen erfolgen exemplarisch anhand der Papierfabrik am Standort des Projektpartners Kabel Premium Pulp & Paper in Hagen. Die Exploration zur Abschätzung des geologischen Potenzials am Standort wird vom Fraunhofer IEG übernommen. Neben der ersten seismischen Messkampagne in NRW seit den 1990er Jahren ist ebenfalls eine flache Forschungsbohrung vorgesehen. Auf Basis der gewonnenen geologischen Erkenntnisse können die standortspezifischen Randbedingungen für die Auslegung der Verfahrenstechnik abgeleitet und eingegrenzt werden. Um Konzepte zur Integration möglicher Verfahrensrouten in die Prozesse der Papierfabrik zu untersuchen, entwickelt Fraunhofer UMSICHT ein standortspezifisches, dynamisches Simulationsmodell der Energiestruktur des Produktionsstandortes Hagen, welches mit den entwickelten Verfahrensrouten gekoppelt werden kann. Im Fokus steht hierbei vor allem die Einsparung von fossilen Brennstoffen und die damit einhergehende Reduzierung von Treibhausgasemissionen. Im Rahmen des Vortrages sollen das dynamische Simulationsmodell, potenzielle Verfahrensrouten sowie die Methodik zur Bewertung und Gegenüberstellung verschiedener Verfahrensrouten präsentiert und zur Diskussion gestellt werden.



14:40 - 15:00

Update Geothermale Papiertrocknung – Geowissenschaftliche Erkenntnisse aus Seismik, Feld- und Laborarbeit

Kevin Lippert1,2, Oliver Ritzmann1

1Fraunhofer IEG, Deutschland; 2Ruhr-Universität Bochum

Das Projekt ‚Geothermale Papiertrocknung‘ stellt das erste Teilprojekt der Vision ‚Kabel Zero‘ dar. Diese wurde von der Hagener Papierfabrik ‚Kabel Premium Pulp und Paper‘ (KPPP) initiiert um eine nachhaltige Papierherstellung durch den Einsatz von geothermischer Wärmeenergie beim Trocknungsprozess umzusetzen. Dafür sollen mittel- bis oberdevonische Karbonatformationen (Massenkalk) in 3000 bis 4000 m Tiefe als hydrothermales, geothermisches Reservoir dienen. Als hydraulischer Anbindungspunkt wird der sog. Großholthauser Sprung, eine regionale NNW-streichende Abschiebungsstruktur, überprüft. Geowissenschaftliche Fragestellungen, die im Rahmen des Projekts Geothermale Papiertrocknung geklärt werden sollen betreffen im Wesentlichen die Lage des Massenkalks und des Großholthauser Sprungs unterhalb des Betriebsgeländes von KPPP und die Eignung der Karbonate als tiefengeothermisches Reservoir. Darüber hinaus stellt die Auslegung der obertägigen Verfahrenstechnik zur Erzeugung von Prozessdampf aus der potenziell bereitzustellenden geothermischen Wärmeenergie einen essentiellen Teil der Projektarbeit dar. Dieser wird von Fraunhofer UMSICHT in einem gesonderten Beitrag vorgestellt.

Um Aussagen zum Reservoirpotenzial der devonischen Massenkalke treffen zu können, wurde ein regionales Fazies- und Mineralogiemodell erstellt und eine strukturgeologische Kluftanalyse sowie petrophysikalische Laborexperimente inkl. Extrapolationen in Reservoirtiefen durchgeführt. Das Fazies- und Mineralogiemodell gibt zum einen Aufschluss über die Ablagerungsbedingungen im Raum Hagen und zeigt darüber hinaus, dass hier deutlich höhere Anteile an sekundären Mineralphasen, vor allem Dolomit, im Vergleich zu weiteren Karbonatausbissen entlang des Massenkalkzuges vorliegen. Die Kluftanalyse wurde bisher vor allem mittels sog. Scanlineaufnahmen durchgeführt. Anhand dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Großteil der Kluftsysteme in Hagen parallel zur rezenten Hauptnormalspannung orientiert ist, was als vielversprechend für die Nutzung dieser Diskontinuitäten als hydraulischer Anbindungspunkt in Reservoirtiefe bewertet werden kann. Auch die Auswertung der petrophysikalischen Laborexperimente bietet aussichtsreiche Erkenntnisse für den Geothermie-Standort Hagen. Mit steigendem Dolomitgehalt verbessern sich die thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Massenkalks hinsichtlich des Reservoirpotenzials. Diese mineralogisch bedingten Unterschiede sind auch nach der Tiefenextrapolation, also nach Berücksichtigung von Druck- und Temperaturbedingungen des Reservoirs, zu erkennen. Dies konnte durch die Anwendung bestehender Extrapolationsformeln und der Durchführung eigener Tests unter Reservoirbedingungen gezeigt werden.

Darüber hinaus wurden im Rahmen einer seismischen Messkampagne zwei Profile mit einer Gesamtlänge von ca. 24 km im Raum Hagen vermessen. Auf Basis der Kreuzprofile sollte die Tiefenlage des Massenkalks, die NW-streichenden, post-varsizischen Abschiebungen (hier: der Großholthauser Sprung) und die variszische Faltungstektonik kartiert werden. Trotz mäßigem Signal-Rausch-Verhältnis, kann entlang des Profils „A1“ von Hagen nach Schwerte ein reflektives Band in ca. 1200 bis 1550 ms TWT unterhalb des Betriebsplatzes der KPPP kartiert werden. Gemäß den hohen, seismischen Geschwindigkeiten korrespondiert das Band mit einer Teufe von ca. 2.600 m und einer Mächtigkeit von 600 bis 800 m und wird als devonischer Massenkalk interpretiert. Aufschlussdaten aus dem Steinbruch Hagen-Hohenlimburg lassen hier auf eine Mächtigkeit von ca. 700 m schließen und bestätigen die seismischen Ergebnisse. Passend ist der unterkarbonische bis oberdevonische Oberbau mit tonig-schluffiger Lithologie kaum reflektiv, bzw. erscheint transparent. Richtung Nordosten vertiefen sich die beobachteten Reflexionen auf bis zu 3.800 m und belegen den Versatz des Großholthauser Sprungs. Derzeit werden die seismischen Daten weiterbearbeitet, anschließend interpretiert und tektonisch rekonstruiert. In der frühen Phase der geothermischen Exploration des Massenkalks im Raum Hagen sollen unterschiedliche Interpretationsmodelle erstellt und getestet werden, um eine mögliche Explorationsbohrung für unterschiedliche Szenarien auszulegen. Die Abbildungsqualität des Unterkarbons und Oberdevons wird generell als mäßig eingestuft und ist vergleichbar mit den wenigen Beispielen seismischer Erkundung dieser Stockwerke. Geothermische Entwicklungen in Nordrhein-Westfalen sind u.a. im Kohlen- und Massenkalk zu prüfen - seitens der geophysikalischen Erkundung mittels Seismik müssen daher erhebliche Verbesserungen erzielt werden um hochwertigere Daten, z.B. für die Reservoir-Charakterisierung, zu generieren.

Die nächsten, wesentlichen Schritte im geowissenschaftlichen Arbeitsprogramm des Projektes sind das Abteufen einer Erkundungsbohrung, die Intensivierung der Laborarbeit und die Erstellung von 3D-Untergrundmodellen und Reservoirsimulationen, die sich auf die bereits gewonnenen Erkenntnisse stützen.



15:00 - 15:20

Nutzung eines ehemaligen Gasspeichers für die Aquifer-Wärmespeicherung

Torsten Tischner, Wiete Hübner

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Deutschland

In Hannover, wie auch in vielen anderen Großstädten Deutschlands, stellt die Umstellung der Wärmeversorgung eine große Herausforderung dar. Neben der Nutzung unterschiedlicher erneuerbarer Quellen für das Fernwärmenetz, nimmt die Bedeutung der saisonalen Speicherung von Wärme im Untergrund zu.

Die Nachnutzung eines Porengasspeichers für die Wärmespeicherung stellt eine attraktive Situation dar. Zunächst kann in diesem Fall von einer sehr guten Datenlage zum Untergrund ausgegangen werden. Weiterhin ist aufgrund der praktizierten Injektion von Erdgas und dessen Rückförderung im Speicherbetrieb die wichtigste Voraussetzung für die Wärmespeicherung in einem offenen untertägigen System, eine ausreichende hydraulische Durchlässigkeit, grundsätzlich gegeben. Und schließlich müssen oberhalb des Speicherhorizonts hydraulisch abdichtende Schichten vorhanden sein, die auch im Falle der Speicherung von hochtemperiertem Wasser dessen Aufwärtsbewegung unterbinden.

Unmittelbar nördlich an Hannover angrenzend wurde über viele Jahre der Poren-Erdgasspeicher „Engelbostel“ betrieben und Ende des letzten Jahrhunderts stillgelegt. Es wurden hier mehrere Sandsteinschichten der Unterkreide (Wealden-Sandsteine) in einer geringen Tiefe von ca. 150m genutzt. Überlagert sind diese Sandsteine durch Tonsteinpakete, die faktisch bis zur Oberfläche reichen. Für die Trinkwassergewinnung nutzbare Schichten sind in diesem Gebiet nicht vorhanden.

Die nutzbaren Sandsteinschichten weisen eine hohe Permeabilität von durchschnittlich 0,5–1 Darcy auf und die Permeabilitätsmächtigkeit (Transmissbilität) liegt im Bereich von 15-30 Darcymetern. Es lassen sich hiermit Injektions- und Förderraten von bis etwa 30 Liter/Sekunde realisieren. Bei einer Temperaturspreizung von 30 Kelvin zwischen der Injektion in die heiße Bohrung (z.B. mit 80°C) und der Förderung auf der kalten Seite (z.B. mit 50°C) kann hierüber saisonal eine Wärmemenge bis zu 20 GWh gespeichert werden. Durch die Errichtung mehrerer Dubletten oder die Umsetzung von Multiwell-Konfigurationen kann das nutzbare Speicherpotenzial erheblich vergrößert und so die Speicherung eines signifikanten Anteils des derzeitigen Fernwärmepotenzials in Hannover ermöglicht werden.

Die Effizienz dieses Wärmespeichers ist praxisnah durch den Vergleich mit dem Wärmespeicher am Parlamentsgebäude in Berlin möglich. Am Parlamentsgebäude wird bei guter Prognose des Wärmebedarfs in der Winterzeit eine Speichereffizienz von etwa 60 % erreicht, das heißt, etwa 60% der in der warmen Jahreszeit eingespeicherten Wärme wird in der Heizsaison rückgewonnen. Dieser Wert kann auch hier als Referenz angesetzt werden.

Konservative analytische Abschätzungen zeigen, dass im Langzeitbetrieb des Wärmespeichers trotz relativ hoher Temperaturen im flachen Untergrund keine thermische Beeinflussung oberflächennaher Schichten zu erwarten ist. Die hydraulisch undurchlässigen Tonsteine mit geringer Wärmeleitfähigkeit verhindern eine konvektive vertikale Wärmeausbreitung und limitieren den konduktiven Wärmetransport.

Der ehemalige Gasspeicher befindet sich ca. 3 km nördlich einer Fernwärmetrasse über die die Anbindung an die städtische Wärmeversorgung erfolgen kann. Andererseits erstrecken sich die Sandsteine des Wealden bis deutlich südlich des bisherigen Gasspeichers, so dass die Errichtung eines Wärmespeichers auch näher an der bisherigen Fernwärmetrasse möglich sein sollte. Basierend auf weiteren Studien und Untersuchungen ist unter Abwägung geologischer und obertägiger Kriterien zu klären, wo genau die günstigste Position für einen Wärmespeicher liegt. In einer Pilotphase sind zudem Erkundungsbohrungen geboten, um zu untersuchen, ob noch Restgas in den Sandsteinen vorhanden ist, dass zusätzlich zum Wärmespeicher berücksichtigt oder genutzt werden kann sowie um den praktischen Speicherbetrieb zu erproben.



15:20 - 15:40

Podiumsdiskussion

Thomas Jahrfeld

SWM Services GmbH, Deutschland

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