Erfolgreicher Langzeit-Zirkulationstest im europäischen Hot-Dry-Rock-Versuchsfeld Soultz-sous-Forêts

Beitrag zum Projekt:

• Hot-Dry-Rock-Project Soultz
• Hot-Dry-Rock-Projekt Soultz

R. JUNG (1), J. BAUMGÄRTNER (2), F. RUMMEL (3), T. TENZER (4), T. TRAN-VIET (5)

(1) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Stilleweg 2, 30655 Hannover

(2) Socomine, Route de Kutzenhausen, F-67250 Soultz-sous-Forêts, Frankreich

(3) Institut für Geophysik, Ruhr-Universität Bochum, Postfach 102148, 44801 Bochum

(4) Stadtwerke Bad Urach, Postfach 1240, 72574 Bad Urach

(5) Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung, Stilleweg 2, 30655 Hannover

In Soultz-sous-Forêts im Oberrheingraben gelang es, erstmals eine Wärmeproduktion von mehr als 10 MW aus einem Hot-Dry-Rock-System zu erzielen. Dieses Ergebnis macht das europäische HDR-Projekt Soultz zum weltweit erfolgreichsten HDR-Forschungsvorhaben und zeigt, daß HDR-Systeme in einer für die kommerzielle Anwendung notwendigen Größenordnung machbar sind.

Das HDR-Projekt Soultz

Seit 10 Jahren arbeiten Forschungsgruppen aus Frankreich, der Bundesrepublik Deutschland, England, der Schweiz, Schweden und Italien, neuerdings unter Beteiligung von Wissenschaftlern aus den USA und Japan in einem europäischen Verbundprojekt an der Entwicklung der HDR-Technologie. Die Arbeiten werden überwiegend aus Mitteln der Europäischen Union, des BMBF und des französischen Forschungsministeriums finanziert. Der Standort Soultz-sous-Forêts liegt im Zentrum der größten bekannten geothermischen Anomalie Mitteleuropas ca. 50 km nördlich von Straßburg im westlichen Teil des Oberrheingrabens. Nach Voruntersuchungen in 2000 m Tiefe wurden zwischen 1992 und 1995 die beiden Tiefbohrungen GPK1 und GPK2 bis in 3600 m bzw. 3900 m Tiefe vorgetrieben. Die Oberkante des Granits, des Zielgesteins für die vorgesehenen Untersuchungen, wurde erwartungsgemäß in 1400 m Tiefe angetroffen. Die Gebirgstemperaturen von 160 °C bzw. 170 °C im Bohrlochtiefsten blieben zwar hinter den Erwartungen zurück, sind aber dennoch deutlich höher als an geothermisch "normalen" Standorten. Das gemessene Temperatur-Tiefenprofil weist auf natürliche Wasserzirkulation auf großräumigen Kluftzonen hin, die auch Ursache für die Wärmeanomalie Soultz ist.

Der untertägige Wärmetauscher

Abb. 3: Langzeit-Zirkulationstest Quelle: BGR

Durch massive Frac-Experimente, in deren Verlauf mehr als 100.000 m3 Flüssigkeit mit Drücken bis zu 150 bar und Fließraten bis zu 80 l/s in den beiden Tiefbohrungen verpreßt wurden, konnte ein großflächiges Rißsystem im Granit erzeugt werden (BARIA et al., 1995; JUNG et al., 1997a). Das NNW-SSE streichende Rißsystem erstreckt sich über den Teufenbereich 2000 m bis 3900 m und verbindet die beiden Tiefbohrungen des Versuchsfeldes GPK1 und GPK2 über eine Entfernung von 450 m. Es ist das weltweit größte HDR-System und erreicht mit einer Fläche von 3 km2 bereits die für ein kommerzielles System notwendige Größenordnung.

Während eines Kurzzeit-Zirkulationsexperiments im Jahr 1995 konnte eine Fließrate von mehr als 20 l/s (70 to/h) erzielt werden (BAUMGÄRTNER et al., 1996; JUNG et al., 1997b). Dies entsprach bei einer Auslauftemperatur von 130 °C einer thermischen Leistung von 8 MW. Der Test mußte wegen technischer Schwierigkeiten in der Reinjektionsbohrung nach ca. 8 Tagen abgebrochen werden. Um das Langzeitverhalten des Systems zu untersuchen, wurde 1997 ein weiteres Zirkulationsexperiment mit einer im Vergleich zu 1995 inversen Fließrichtung ausgeführt. Der Test war auf 4 Monate projektiert und sollte vor allem die zeitliche Entwicklung der Fließrate, der Fließwiderstände, der Fördertemperatur und der thermischen Leistung aufzeigen. Mittels Tracer-Zugabe sollte außerdem die Verweildauer der Flüssigkeit und damit das Durchströmungsvolumen des Rißsystems untersucht werden. Desweiteren war nachzuweisen, daß das Problem der Ausfällungen und der Korrosion technisch beherrschbar ist.

Versuchsaufbau für den Langzeit-Zirkulationstest

Abb. 2: Förderrohre an der Produktionsbohrung GPK2 Quelle: BGR

Der aufwendige Versuchsaufbau konnte in nur wenigen Monaten in der ersten Jahreshälfte 1997 realisiert werden, wobei auf Erfahrungen der Geothermischen Heizzentrale Neustadt-Glewe zurückgegriffen wurde. Die geförderte Sole, die ca. 100 g/l NaCl und gelöste Gase, insbesondere N2 und CO2, enthält, wurde an der Oberfläche in einem geschlossenen System geführt und permanent unter einem Überdruck von ca. 10 bar gehalten. Auf diese Weise sollte ein Entweichen von CO2 aus der Sole verhindert und eine damit einhergehende Kalziumkarbonatausfällung vermieden werden. Der Überdruck sollte außerdem den Eintrag von Sauerstoff in das System unterbinden und damit die Korrosion in den Oberflächenleitungen und in den Bohrlochverrohrungen auf ein Mindestmaß einschränken. Zur Vermeidung von Ausfällung und Korrosion wurde außerdem ein Polyacrylat und ein Korrosionsschutzmittel dem Thermalwasserkreislauf zugegeben.

Im Gegensatz zum üblichen HDR-Verfahren, bei dem die Flüssigkeit von der Injektionsbohrung zur Produktionsbohrung verpreßt wird und dort frei ausgeläuft, wurde in Soultz aktiv gefördert. Dazu war in der Produktionsbohrung in 430 m Tiefe eine elektrische Hochtemperatur-Förderpumpe mit einer Nennleistung von 250 KW installiert. Die geförderte Flüssigkeit wurde vorgefiltert und anschließend in einem wassergekühlten Titan-Palladium-Plattenwärmetauscher auf 60 °C abgekühlt. Der Kühlwasserstrom von 200 m3/h wurde einem Kühlwasserteich entnommen und in diesen zurückgeleitet. Die Oberfläche des 2 ha großen Teiches reichte aus, die Kühlwassertemperatur durch Wärmeabgabe an die Atmosphäre hinreichend niedrig zu halten. Die abgekühlte Sole wurde anschließend durch eine etwa 600 m lange GFK-Rohrleitung zur Plattform der Bohrung GPK1 geleitet und dort nach nochmaliger Filterung (1 - 5 µm) mit einer elektrischen Zentrifugalpumpe reinjiziert.

In den Oberflächenleitungen waren mehr als 20 Sensoren für Durchfluß, Druck, Temperatur und pH-Wert installiert, deren Signale mit digitalen Meßwerterfassungssystemen aufgezeichnet wurden. In der Injektionsbohrung wurden während des Zirkulationsexperiments mehrmals Produktionslogs (Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Temperatur) aufgenommen, um die Hauptabflußzonen (Rißzonen) zu lokalisieren und zeitliche Veränderungen ihrer Aufnahmefähigkeit zu verfolgen. Zur seismischen Überwachung des Systems waren in 3 Beobachtungsbohrungen im oberen Teil des Granits Bohrlochgeophone bzw. ein Hydrophon installiert, deren Signale kontinuierlich aufgezeichnet wurden. In diesen Bohrungen waren auch Drucksensoren zur Beobachtung der Druckauswirkungen im oberen Teil des Granits untergebracht. Die Bohrungen hatten einen Abstand bis zu 500 m von den beiden Operationsbohrungen.

Ablauf des Experiments und Ergebnisse

Abb. 3: Langzeit-Zirkulationstest Quelle: BGR

Das Zirkulationsexperiment startete am 12.7.97 und endete am 16.11.97. Infolge eines Blitzschlags kam es kurz nach dem Start des Experiments zu einem Ausfall der Pumpenregelung, der zu einer 4-tägigen Unterbrechung des Experiments zwang. Danach konnte der Test, abgesehen von einigen kurzen Zwischenstops (erzwungen durch kurze Stromausfälle und Probleme mit der Sekundärseite des Wärmetauschers), unterbrechungsfrei bis zum Versuchsende fortgesetzt werden. Abhängig von der Pumpendrehzahl, die während des Tests zweimal erhöht wurde, konnten Zirkulation-Fließraten von 22 l/s, 23 l/s und 25 l/s erreicht und damit der Wert des Kurzzeitexperiments aus dem Jahr 1995 noch deutlich übertroffen werden. Dies sind die mit Abstand höchsten bisher in einem HDR-Sytem erreichten Fließraten. Aufgrund des gewählten Betriebsschemas: Aktive Förderung in der Produktionsbohrung und Reinjektion der geförderten Flüssigkeit ohne Flüssigkeitszugabe, konnte jeglicher Flüssigkeitsverlust im System vermieden und damit eines der Hauptprobleme bisheriger HDR-Anlagen umgangen werden.

Ein weiteres erfreuliches Ergebnis war, daß der Injektionsdruck im Laufe des Experiments abnahm. Während er zu Beginn des Zirkulationstests bei ca. 40 bar lag, verringerte er sich innerhalb der 4 Monate trotz der Erhöhung der Fließrate auf etwa 20 bar. Dies bedeutet, daß sich der Fließwiderstand des Rißsystems an der Reinjektionsbohrung auf weniger als die Hälfte reduzierte. Vermutlich ist dies auf die thermische Kontraktion des Gesteins und die damit verbundene Erweiterung der Gesteinsrisse an der Injektionsbohrung zurückzuführen. Dem wirkte über längere Zeit eine allmählich fortschreitende Verstopfung der Risse durch die Polyacrylatzugabe in den Thermalwasserkreislauf entgegen. Polyacrylat behindert zwar die Kalziumkarbonatausfällung in den Rohrleitungen, verstopfte gleichzeitig aber auch die Feinfilter, die solange Polyacrylat zugegeben wurde, täglich gewechselt werden mußten. Vermutlich bewirkte es auch eine allmähliche Verstopfung der engen Gesteinsrisse und ließ so über längere Zeit, den durch die thermische Kontraktion verursachten Rückgang des Fließwiderstandes in den Rissen nicht voll wirksam werden. Erst nach Beendigung der Polyacrylatzugabe machte sich der Auskühlungseffekt voll bemerkbar, erkennbar an einem drastischen Rückgang des Injektionsdruck von 35 auf 20 bar innerhalb weniger Tage.

In der Produktionsbohrung war ein gegenläufiger Trend zu beobachten. Hier nahm die Absenkung mit fortschreitender Versuchsdauer zu. Dies kann auf die allmähliche Wiedererwärmung der durch frühere Tests ausgekühlten Produktionszonen zurückgeführt werden, deren Temperatur vor Versuchsbeginn noch um rund 20 °C unter der ungestörten Gebirgstemperatur in dieser Teufe lag.

Die Wiedererwärmung der Produktionszonen war auch die Hauptursache für den stetigen Anstieg der Produktionstemperatur am Bohrlochkopf, der bis zum Schluß des Experimentes anhielt. Am Ende des Zirkulationstest lag die Produktionstemperatur am Bohrlochkopf bei 142 °C. Da die Temperatur der Produktionszonen zu diesem Zeitpunkt immer noch um etwa 7 °C unterhalb der ungestörten Gebirgstemperatur lag, ist zu vermuten, daß die Auslauftemperatur bei Fortsetzung des Experimentes noch weiter angestiegen wäre. Ein Rückgang der Produktionstemperatur aufgrund der Wärmeproduktion war für den Beobachtungszeitraum ohnehin nicht erwartet worden. Daneben ist der Anstieg der Produktionstemperatur am Bohrlochkopf auch auf die Verringerung der Wärmeverluste in der Produktionsbohrung infolge der Aufheizung der Bohrlochumgebung zurückzuführen. Der Temperaturverlust in der Produktionsbohrung betrug am Ende des Experiments nur noch 3 °C. Immerhin entspricht dies noch einer Verlustleistung an Wärme von rund 300 KW entlang der Bohrung.

Die zunehmende Produktionstemperatur und die mehrmals gesteigerte Produktionsfließrate führte auch zu einem Anstieg der thermischen Leistung. Während die potentiell nutzbare thermische Leistung (das ist die Leistung, die sich für eine Auskühlung der Flüssigkeit auf 40°C ergibt) in der ersten Testphase (22 kg/s) bei 8.5 MW lag, stieg diese in der zweiten Testphase (23 kg/s) auf 10 MW an. In der dritten und letzten Testphase wurde bei einer Produktionsfließrate von 25 kg/s schließlich eine thermische Nutzleistung von ca. 11 MW erreicht. Dies ist die mit Abstand höchste thermische Leistung, die bisher aus einem HDR-System erzielt werden konnte. Insgesamt betrug die potentiell nutzbare thermische Energie 27.5 GWh. Dies entspricht etwa dem Jahreswärmebedarf von 1000 Haushalten. Die tatsächlich entnommene thermische Leistung, die bewußt nicht optimiert wurde, um das Kühlwasser-Speicherbecken nicht über Gebühr aufzuheizen, lag während des gesamten Tests bei ca. 6 - 8 MW. Im Vergleich dazu betrug die Leistung, die für die Förder- und Reinjektionspumpe aufzuwenden war, weniger als 250 KW. Selbst wenn man berücksichtigt, daß es sich in dem einen Fall um thermische, im anderen Fall aber um höherwertige elektrische Leistung handelt, bleibt doch eine eindrucksvolle Energieausbeute übrig. Dies gilt auch dann, wenn die thermische Leistung ausschließlich für die Stromerzeugung genutzt worden wäre. Trotz des naturgemäß niedrigen Wirkungsgrades bei der Wärme-Stromwandlung auf diesem niedrigen Temperaturniveau hätte eine elektrische Leistung von mehr als 700 KW, also rund das Dreifache der eingesetzten Leistung gewonnen werden können.

Abb. 4: Tracerkonzentration und Tracerrückgewinnung Quelle: BGR

Aus früheren Experimenten war bekannt, daß das Rißsystem in Soultz an großräumige permeable Störungszonen angeschlossen und daher peripher offen ist. Eine der wesentlichen Fragestellungen des Experiments war deshalb, ob die Flüssigkeitsströmung auf geschlossenen Bahnen erfolgt, oder ob Produktion und Reinjektion voneinander unabhängig sind. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden an der Reinjektionsbohrung mehrere Tracer: Benzoesäure, Uranin, SF6, Rhodamin und Amino G in den Kreislauf eingespeist. Um zwischen unterschiedlichen Strömungswegen differenzieren zu können, wurde mittels einer Injektionssonde ein weiterer Tracer, Deuterium, im unteren Abschnitt der Reinjektionsbohrung freigesetzt. Alle an der Oberfläche zugegebenen Tracer erbrachten eine Durchbruchzeit von ca. 3 Tagen und eine mittlere Verweildauer von ca. 12 Tagen. Eine unvermeidliche Komplikation für die Auswertung der Tracerexperimente war der Umstand, daß der rückgewonnene Tracer in dem geschlossenen Kreislauf wieder reinjiziert wurde und somit das Rißsystem mehrmals durchlief. Dieser Effekt konnte durch Dekonvolution der beobachteten Tracerkurve eliminiert werden. Bis zum Ende des Experiments wurden ca. 25 % des Tracers zurückgewonnen. Aus dem zeitlichen Verlauf der Tracerrückgewinnung läßt sich schließen, daß die Rückgewinnung für sehr lange Zeiten auf etwa 35 % ansteigen würde. Es kann deshalb angenommen werden, daß mehr als ein Drittel der Flüssigkeit auf geschlossenen Bahnen innerhalb des stimulierten Rißsystems zirkuliert, während der Rest einen u.U. sehr weiten Umweg über großräumige Störungszonen nimmt. Das aus dem Tracerdurchlauf bestimmbare Durchbruchvolumen liegt bei 6.000 m3. Es ist damit um mehr als eine Größenordnung höher als das Durchbruchvolumen aller bisher untersuchten HDR-Systeme (Tabelle 1). Obwohl keine eindeutige Beziehung zwischen Tracerdurchgang und Wärmeaustausch besteht, läßt dies erwarten, daß das System eine lange thermische Nutzungsdauer besitzt.

Zur Überwachung der Fluid-Gesteinswechselwirkung wurden während des gesamten Tests in regelmäßigen Zeitabständen Fluidproben genommen. Es zeigte sich, daß sich der pH-Wert auf einen Wert unterhalb von 5 einstellte (BAUMGÄRTNER et al., 1997). Dieser niedrige pH-Wert verringerte die Gefahr von Quarzausfällungen in den Oberflächenleitungen, so daß in der letzten Versuchsphase auf die Zugabe des "Antiscaling"-Mittels (Polyacrylat) verzichtet werden konnte. In der Tat wurden nach dem Test in keinem Rohrabschnitt Quarzausfällungen beobachtet. Auch in der Formation selbst, besonders in der Nähe der Injektionsbohrungen dürfte keine Quarzausfällung stattgefunden haben, zumindest nicht in dem Maße, daß sie sich merkbar auf den Fließwiderstand ausgewirkt hätten. Die Salinität und die Dichte der geförderten Sole lagen während des gesamten Tests unterhalb der Werte der Formationsflüssigkeit (100 g/l bzw. 1.069 kg/l), näherten sich diesen aber allmählich an. Dies zeigt, daß immer noch ein Rest des bei den Stimulationstests verpreßten Frischwassers an der Zirkulation beteiligt war.

Nach dem Test wurden sämtliche Rohrleitungen und Systemkomponenten, sowie Metallprobestücke, die in Korrosionsprüfzylindern von der Sole umströmt wurden, auf Korrosion und Ausfällungen hin untersucht. Dabei wurden keinerlei Spuren von Korrosion und Ablagerungen festgestellt, ein Beweis dafür, daß die getroffenen technischen Vorkehrungen, insbesondere Sauerstoffausschluß und Druckhaltung in den Oberflächenleitungen wirksam und ausreichend waren.

Während der gesamten Versuchsdauer wurden lediglich zwei schwache mikro-seismische Ereignisse registriert (verglichen mit rund 20.000 bei den Stimulationstests (JONES et al., 1995)). Dies zeigt, daß das Rißsystem mechanisch stabil war, also praktisch keine plötzlichen Scherbewegungen auf einzelnen Flächen des Rißsystems stattgefunden haben. Auch dies muß als ein sehr positives Ergebnis herausgestellt werden, da ja die Triggerung von Erdbeben als eine der möglichen Umweltgefährdungen der HDR-Technik diskutiert wird.

Obwohl die Zirkulation zwischen zwei Bohrungen, die in erster Näherung als Dipol-Strömung beschrieben werden kann, in großen Entfernungen keine Druckauswirkungen haben sollte, wurde in den drei Beobachtungsbohrungen ein geringer, sich zeitlich abschwächender Wasserspiegelanstieg beobachtet. Dies deutet wie schon die relativ niedrige Tracerrückgewinnung darauf hin, daß ein Großteil der reinjizierten Flüssigkeit einen weiten Umweg über großräumige Störungen nimmt, die u.U. bis in die überlagernden Sedimente reichen.

Soultz im Vergleich

Insgesamt läßt sich sagen, daß das Langzeit-Zirkulationsexperiment sowohl technisch als auch wissenschaftlich ein voller Erfolg war. Es konnte nachgewiesen werde, daß das HDR-System in Soultz dauerhaft betrieben werden kann. Sowohl die Fließrate als auch die thermische Leistung erreichten Werte, die nicht mehr allzu weit von den Erfordernissen kommerzieller HDR-Anlagen entfernt sind (Tabelle 1). Dasselbe gilt auch für den Fließwiderstand, dessen Wert sich im Laufe des Experiments weiter verbesserte.

Das gewählte Betriebsschema mit aktiver Förderung in der Produktionsbohrung und Reinjektion der geförderten Flüssigkeit ermöglichte einen verlustfreien Dauerbetrieb in dem hydraulisch offenen Rißsystem und empfiehlt sich deshalb auch für andere HDR-Standorte, an denen die Wasserverluste meist eines der Hauptprobleme darstellten. Durch Sauerstoffausschluß, Filterung und Druckhaltung im Oberflächenkreislauf konnten Korrosion und Ausfällungen in den Oberflächenleitungen und Verstopfungen der Formation vermieden werden. Die in Soultz gewonnenen Erfahrungen sind direkt auf Standorte im deutschen Teil des Oberrheingrabens zu übertragen und haben auch für HDR-Standorte außerhalb dieser Grabenstruktur wie auch für die direkte Nutzung von Heißwasseraquiferen Bedeutung.

Tabelle 1: Ergebnisse der HDR-Großprojekte und Zielvorgaben für ein kommerzielles System

Projekt	Tiefe	Temperatur	Abstand Einlaß-Auslaß	Produktions- fließrate	Wasser- verlust	Fließ- widerstand	Therm. Leistung	Durchbruch- volumen
	[m]	[°C]	[m]	[kg/s]	[%]	[MPa·s/l]	[MW]	[m3]
Los Alamos	3500	232	150-300	7	<10	2,5	5	80-100
Hijiori	2200	270	130	12	25	0,3	7	50-150
Camborne	2000	80	160-270	15	25	0,6	3	200-300
Soultz	3500	170	450	25	0	0,23	11	6000
Ziel		>200	>500	>50	<10	<0,1	>50

Literatur:

• JUNG, R., BAUMGÄRTNER, J., RUMMEL, F., TENZER, H., TRAN-VIET T. (1999): Erfolgreicher Langzeit-Zirkulationstest im europäischen HDR-Versuchsfeld Soultz-sous-Forêts -, Geothermische Energie, Mitteilungsblatt der Geothermischen Vereinigung, 1999.
• BAUMGÄRTNER J., GERARD A., BARIA R., JUNG R., TRAN-VIET T., GANDY T., AQUILINA L., GARNISH J. (1997): Circulating the HDR Reservoir at Soultz: Maintaining Production and Injection Flow in Complete Balance. Proc. 23rd Workshop on Geothermal Reservoir Eng., Stanford Univ., Cal., Jan. 26-28.
• BAUMGÄRTNER, J., JUNG, R., GERARD, A., BARIA, R. (1996): The European HDR at Soultz Sous Forets: Stimulation of the Second Deep Well and First Circulation Experiments. Proc. 21st Workshop on Geothermal Reservoir Eng., Stanford Univ., Cal., Jan. 22-24, pp 267-274.
• BARIA R., GARNISH J., BAUMGÄRTNER J., GERARD A., JUNG R. (1995) : Recent Developments in the European HDR Research Programme at Soultz-Sous-Forets (France). - Proc. World Geothermal Congress, 18 - 31 May, 1995, Florence.
• JONES, R.H., BEAUCE, A., JUPE, A., FABRIOL, H., DYER, B.C. (1995): Imaging Induced MicroSeismicity During the 1993 Injection Tests at Soultz-sous-Forets, France. Proc. World Geothermal Congress, 18-31 May, 1995, Florence, pp. 2665-2669.
• JUNG, R., BAUMGÄRTNER, J., KAPPELMEYER O., RUMMEL F., TENZER, H. (1997a): HDR-Technologie - Geothermische Energie der Zukunft-. Geowissenschaften, 15. Jahrg., Heft 8, S. 259-263.
• JUNG R., BAUMGÄRTNER J., RUMMEL F., TENZER H. (1997b): Erschließung permeabler Rißzonen für die Gewinnung geothermischer Energie aus heißen Tiefengesteinen.- Tagungsband zur 4. Geothermische Fachtagung Konstanz, 18.-20. September 1996, S. 232 - 240.