TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Hydrochemische Methoden zur geothermalen Erkundung und Charakterisierung von Thermalwässern

Schäffer, Rafael (2018):
Hydrochemische Methoden zur geothermalen Erkundung und Charakterisierung von Thermalwässern.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7502],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Im Ende 2016 verabschiedeten Klimaschutzplan 2050 hat die deutsche Bundesregierung das Ziel ausgegeben, in Deutschland in der Mitte des 21. Jahrhunderts Treibhausgasneutralität herzustellen. Zur Erreichung dieses Zieles sind umfassende gesellschaftliche und wirtschaftliche Veränderung erforderlich. Vielfältige Pläne und Maßnahmen betreffen die Energiewirtschaft, die Industrie, Gewerbe und Handel, Haushalte und Gebäude, den Verkehr sowie Landwirtschaft und Landnutzung. Eine dieser Maßnahmen ist der Ausbau der Geothermie als grundlastfähige und dezentrale erneuerbare Energie. Bei tiefen Geothermieprojekten entfallen gut ⅔ der Kosten auf die Bohrungen, die gleichzeitig für mehr als die Hälfte des Projektrisikos verantwortlich sind. Kosten und Risiken können durch die Verwendung bereits bestehender oder die Reaktivierung stillgelegter Bohrung erheblich reduziert werden. Solche Bohrungen bietet die Kohlenwasserstoffexploration, der Bergbau oder die Balneologie. Auf letztem liegt der Fokus dieser Doktorarbeit. Denn Geothermie ist ideal für Schwimmbäder und ähnliche Einrichtungen, da diese ganzjährig einen zum Stromverbrauch relativ hohen Wärmebedarf bei vergleichsweise geringen Vorlauftemperaturen der Heizungsanlagen aufweisen. Viele Schwimmbäder stammen aus den 70er und 80 Jahren und werden in naher Zukunft saniert oder neu gebaut werden. Daher ist jetzt ein günstiger Zeitpunkt, um die Energieversorgung auf Geothermie umzustellen. Die verschiedenen Etappen eines solchen Vorhabens – Vorerkundung, Erkundung, Bohrung, Konstruktion und Inbetriebnahme – werden in vier Projekten im In- und Ausland beispielhaft erprobt. Die Recherche und Zusammenstellung bis zu 175 Jahre zurückreichender Zeitreihen physikochemischer und hydrochemischer Kennwerte zeigt zeitliche und räumliche Veränderungen auf Thermalwasservorkommen aufgrund anthropogener Eingriffe in den Untergrund auf. Die Auswertung und Darstellung der im Gelände und im Labor gewonnen Daten erfolgt hauptsächlich mit weiterentwickelten Versionen von Piper-, Stiff- und Schoeller-Diagrammen. Zur Abschätzung von Reservoirtemperaturen sind verschiedene Kationen-Lösungsgeothermometer angewendet worden. Zur geothermalen Ausbeutung hydrothermaler Vorkommen ist ein Sole-Kompaktwärmeübertrager konzipiert worden. Die geförderte Solemenge und –Temperatur kann durch Reaktivierung und Vertiefung stillgelegter Brunnen erhöht und die Leistung des Wärmeübertragers somit erhöht werden. Bei weiterem Energiebedarf kann ein Erdwärmesondenfeld gebaut werden. Es zeigt sich, dass diese Optionen allesamt wirtschaftlich sind und sich nach wenigen Jahren amortisieren. Zusätzlich werden signifikante Mengen an Kohlendioxidemissionen vermieden. Bei der Errichtung eines Erdwärmesondenfeldes können durch eine Quellbeweissicherung mögliche Veränderungen der Grundwasserbeschaffenheit kontrolliert werden. Dies erleichtert die behördliche Genehmigung eines solchen Vorhabens und erhöht die öffentliche Akzeptanz eines solchen Vorhabens. Basierend auf den Fallbeispielen in Bad Nauheim und Bad Soden-Salmünster wird das hydrothermale Potenzial bestehender Bohrungen in 15 hessischen Städten mit Thermalwasservorkommen auf 117 GWh/a geschätzt.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Schäffer, Rafael
Title: Hydrochemische Methoden zur geothermalen Erkundung und Charakterisierung von Thermalwässern
Language: German
Abstract:

Im Ende 2016 verabschiedeten Klimaschutzplan 2050 hat die deutsche Bundesregierung das Ziel ausgegeben, in Deutschland in der Mitte des 21. Jahrhunderts Treibhausgasneutralität herzustellen. Zur Erreichung dieses Zieles sind umfassende gesellschaftliche und wirtschaftliche Veränderung erforderlich. Vielfältige Pläne und Maßnahmen betreffen die Energiewirtschaft, die Industrie, Gewerbe und Handel, Haushalte und Gebäude, den Verkehr sowie Landwirtschaft und Landnutzung. Eine dieser Maßnahmen ist der Ausbau der Geothermie als grundlastfähige und dezentrale erneuerbare Energie. Bei tiefen Geothermieprojekten entfallen gut ⅔ der Kosten auf die Bohrungen, die gleichzeitig für mehr als die Hälfte des Projektrisikos verantwortlich sind. Kosten und Risiken können durch die Verwendung bereits bestehender oder die Reaktivierung stillgelegter Bohrung erheblich reduziert werden. Solche Bohrungen bietet die Kohlenwasserstoffexploration, der Bergbau oder die Balneologie. Auf letztem liegt der Fokus dieser Doktorarbeit. Denn Geothermie ist ideal für Schwimmbäder und ähnliche Einrichtungen, da diese ganzjährig einen zum Stromverbrauch relativ hohen Wärmebedarf bei vergleichsweise geringen Vorlauftemperaturen der Heizungsanlagen aufweisen. Viele Schwimmbäder stammen aus den 70er und 80 Jahren und werden in naher Zukunft saniert oder neu gebaut werden. Daher ist jetzt ein günstiger Zeitpunkt, um die Energieversorgung auf Geothermie umzustellen. Die verschiedenen Etappen eines solchen Vorhabens – Vorerkundung, Erkundung, Bohrung, Konstruktion und Inbetriebnahme – werden in vier Projekten im In- und Ausland beispielhaft erprobt. Die Recherche und Zusammenstellung bis zu 175 Jahre zurückreichender Zeitreihen physikochemischer und hydrochemischer Kennwerte zeigt zeitliche und räumliche Veränderungen auf Thermalwasservorkommen aufgrund anthropogener Eingriffe in den Untergrund auf. Die Auswertung und Darstellung der im Gelände und im Labor gewonnen Daten erfolgt hauptsächlich mit weiterentwickelten Versionen von Piper-, Stiff- und Schoeller-Diagrammen. Zur Abschätzung von Reservoirtemperaturen sind verschiedene Kationen-Lösungsgeothermometer angewendet worden. Zur geothermalen Ausbeutung hydrothermaler Vorkommen ist ein Sole-Kompaktwärmeübertrager konzipiert worden. Die geförderte Solemenge und –Temperatur kann durch Reaktivierung und Vertiefung stillgelegter Brunnen erhöht und die Leistung des Wärmeübertragers somit erhöht werden. Bei weiterem Energiebedarf kann ein Erdwärmesondenfeld gebaut werden. Es zeigt sich, dass diese Optionen allesamt wirtschaftlich sind und sich nach wenigen Jahren amortisieren. Zusätzlich werden signifikante Mengen an Kohlendioxidemissionen vermieden. Bei der Errichtung eines Erdwärmesondenfeldes können durch eine Quellbeweissicherung mögliche Veränderungen der Grundwasserbeschaffenheit kontrolliert werden. Dies erleichtert die behördliche Genehmigung eines solchen Vorhabens und erhöht die öffentliche Akzeptanz eines solchen Vorhabens. Basierend auf den Fallbeispielen in Bad Nauheim und Bad Soden-Salmünster wird das hydrothermale Potenzial bestehender Bohrungen in 15 hessischen Städten mit Thermalwasservorkommen auf 117 GWh/a geschätzt.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 01 Jul 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7502
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75024
Referees: Sass, Prof. Ingo and Wohnlich, Prof. Stefan
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 April 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The National Climate Action Plan 2050 was adopted by the German government at the end of 2016. It includes the aim to achieve greenhouse gas neutrality in Germany by the middle of this century. Extensive social and economic changes are necessary to reach this goal. They include measures concerning building and housing, industry and economy, the energy sector, mobility, agriculture and land use. One of these activities is the extension of geothermal as a base-loadable and decentralised renewable energy. Round about two third of the costs of deep geothermal projects are allotted to drilling. The latter accounts for more than the half of the project’s risks, too. Thus, it is possible to reduce costs and risks significantly by utilizing existing boreholes or reactivating abandoned boreholes. These kinds of boreholes can be found in the hydrocarbon exploration, mining or balneology. This doctoral thesis focuses on the last aspect. Geothermal is ideal for spas and comparable facilities, because in their case there is a yearlong, relatively high heat consumption compared to the electricity demand. In addition, inlet temperatures of heating systems are relatively low and therefore favorable. A lot of spas and public swimming baths were constructed in the 70s and 80s and have to be redeveloped or rebuild in the near future. Therefore, it is now an advantageous moment to substitute the energy supply with geothermal sources. The different stages of such an endeavour – pre-survey, exploration, drilling, construction, start-up and operation – are tested at four exemplary national and international projects. Investigation and compilation of time series of physicochemical and hydrochemical parameters reaching back 175 years show temporal and spatial changes on thermal water reservoirs induced by anthropogenic interventions in the underground. Enhanced versions of Piper, Schoeller and Stiff diagrams are mainly used to evaluate and present data gained in the field and in the laboratory. Different cation geothermometers are applied to estimate reservoir temperatures. A brine compact heat exchanger was designed for geothermal exploitation of hydrothermal reservoirs. The extracted amount of brine and its temperature can be improved by reactivation and deepening of existing wells improving the heat exchanger performance in the same process. Further energy demand can be covered by constructing a borehole heat exchanger field. It becomes evident, that all of these options are economical and amortise within few years. In addition, significant amounts of carbon dioxide emissions are avoided. Possible alterations of groundwater properties during the construction of borehole heat exchanger field can be assessed by a spring monitoring program. Spring monitoring programs facilitate the approval procedure of public authorities and raise the public acceptance of geothermal projects. Based on case studies in Bad Nauheim and Bad Soden-Salmünster, Germany, the hydrothermal potential of existing wells in 15 Hessian towns with thermal water occurrence is evaluated and amounts 117 GWh/a.English
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

View Item View Item