2010 - TeReGeo - Simulation von Mikrodetonationen zur Anwendung für Tiefenbohrung zur Erdwärmenutzung

 

Von Severin Voglsam

 

Hintergrund

Da der weltweite Energieverbrauch immer weiter steigen wird, ist es notwendig, neue, möglichst CO2 neutrale Energieformen zu erschließen. Dabei sind Methoden, welche nicht nur in ausgezeichneten Gebieten angewandt werden können (Windkraft, Gezeitenkraft, Wasserkraft…) zu bevorzugen, da diese Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit von regionalen Energieverbunden ermöglichen. Geothermale Energie ist bisher nur in wenigen Gebieten der Erde eine gängige Energieform, da diese aufgrund fehlender Tiefenbohrungsverfahren, nicht erschlossen werden konnte.

Weitere Vorteile von geothermaler Energie sind die Fähigkeit zur Grundlastdeckung, sowie die Tatsache, dass keine zusätzlichen Kosten für Brennstoffe anfallen.

Generell ist Erdwärme ab einer Tiefe von 10 km in ausreichender Menge vorhanden, allerdings ist es bis heute nicht möglich, diesen Bereich wirtschaftlich zu erschließen. Die Kosten der zur Gewinnung von Erdöl und Erdgas angewendeten Bohrungsverfahren steigen mit der Tiefe exponentiell an und sind somit ab zirka 5 km nicht mehr tragbar. Weiters sind Bohrlöcher mechanischer Bohrverfahren konisch und haben somit mit steigender Tiefe einen geringeren Querschnitt, was sich negativ auf die angewandten Verfahren zur Nutzung der vorhandenen Wärme auswirkt. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein neues Bohrverfahren zu entwickeln, welches auch bei großer Bohrungstiefe wirtschaftlich zu betreiben ist.

Verfahren zur Nutzung von Erdwärme

Zur Nutzung von Erdwärme stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, generell wird immer Wasser, oder eine Gemisch aus Wasser mit weiteren Komponenten, durch die Tiefenwärme verdampft und die so erhaltene Energie in einem Kraftwerk abgearbeitet und zu elektrischem Strom umgewandelt. Bisher konnten Kraftwerke dieser Art nur in der Nähe geothermisch aktiver Gebiete, wie zum Beispiel Vulkane, betrieben werden (Island, Alaska…). Sobald es möglich ist, die in großer Tiefe vorhandene Wärme durch Bohrungen aufzuschließen, ist es möglich, Kraftwerke dieser Art an beliebigen Orten zu installieren.

Das gängigste Verfahren zur Nutzung von geothermaler Wärme ist das „Hot-Dry-Rock“ Verfahren. Wie der Name bereits erahnen läßt, liegt die Wärme gespeichert in felsigem Untergrund vor. Im Gegensatz dazu gibt es auch Gebiete mit unterirdischen heißen Wasserreservoirs, welche direkt zur Beheizung von Wärmeaustauschern eines Dampfkreislauf verwendet werden können. Da der erste Fall der weitaus häufigere ist, könnte diese Variante zur Energiegewinnung weit verbreitet angewendet werden.

Beim „Hot-Dry-Rock“ Verfahren wird der wärmespeichernde, möglichst poröse Fels mit drei (oder mehr) Bohrungen aufgeschlossen. Eine der Bohrungen dient als Zuleitung für Wasser, welches im heißen Gestein erhitzt wird und nach dem Verdampfen über die anderen beiden Bohrungen wieder an die Oberfläche gelangt. Der erhitzte Wasserdampf wird dann üblicherweise mittels eines Wärmeaustauschers zum Aufheizen des Mediums des Turbinenkreislaufes verwendet. Da die üblichen Temperaturen des Wasserdampfes, welcher aus dem Felsen entnommen wird nicht ideal für gängige Clausius-Rankine-Prozesse sind, wurden hier spezielle Prozesse zur Energieumwandlung entwickelt (ORC, Calina-Prozess)

Bild: Vergleich von bereits möglicher mit zukünftiger Erdwärmenutzung

Realisierung von wirtschaftlicher Tieferbohrung

Bei der Entwicklung eines wirtschaftlichen Tiefenbohrungsverfahrens mussten völlig neue Konzepte überleget werden, da ein Adaptieren der herkömmlichen Bohrverfahren nicht möglich ist. Eines der größten Probleme stellt der ständig notwendige Kontakt zur Oberfläche mittels Bohrgestänge und die Abnutzung der Bohrköpfe dar. Eine mögliche Lösung dieser Probleme wäre ein von der Oberfläche aus unabhängig arbeitendes Bohraggregat, welches das Gestein kontaktlos abträgt.

Neben anderen Methoden zur kontaktlosen Bohrung wurde ein Abtragen von Material mittels Mikrodetonationen ins Auge gefaßt. Um die ideale Einwirkung der Mikrodetonationen auf das Gestein zu verwirklichen, soll ein mögliches Aggregat zur Erzeugung dieser Detonationen mittels Simulation untersucht und optimiert werden.

Simulation von Mikrodetonationen

Ein generelles Konzept zur Verwirklichung der kontaktlosen Tiefenbohrung wurde von einem slowakischen Forschungsunternehmen bereits erarbeitet und zur Optimierung mittels Simulation an die Arbeitsgruppen von Ass. Prof. Michael Harasek und Prof. Franz Winter vom Institut für Verfahrenstechnik.

Dieser kontaktlose Materialabtrag wird durch eine zielgerichtete Beschleunigung der Abgase einer Detonation in einem konischen Strömungsrohr und dem anschließenden Aufprall der Gase auf das Gestein verwirklicht. Um die Energie des Aufpralls zu erhöhen, wird kurz nach der Detonation Wasser zugegeben, welches durch das Abgas beschleunigt wird. Letztendlich soll die Einwirkung des Wassers auf das abzutragende Material ähnlich wie beim Wasserstrahlschneiden sein.

Da es sich um eine sehr komplexe Simulation, welche herausfordernde Strömungsfälle (Überschallströmung, Mehrphasenströmung, Schockwellen) mit Reaktionschemie der Detonationen kombiniert, handelt, wurden zuerst vereinfachte Untersuchungen, hinsichtlich der Realisierbarkeit des Gesamtprozesses, vorgenommen.

Auswahl eines geeigneten Detonations-Kraftstoffes

Zum Erzeugen der benötigten Mikrodetonationen ist die in einem Kraft – oder Explosivstoff chemisch gebundene Energie nötig. Da beim Projektpartner keine Erfahrungen über Verbrennung und Explosion sowie deren Simulation vorhanden war, wurde dies als ein Teil der Optimierung an Prof. Winter und dessen Arbeitsgruppe abgegeben. Wichtig für den Energieträger bei dieser Anwendung sind neben einem hohen Energieinhalt auch eine gute Zündfähigkeit und geringe Zündverzugszeiten. Natürlich soll ein möglicher Kraftstoff auch gut handhabbar und nicht umweltschädlich sein.

Durch Simulation eines Strömungsrohres, in welchem unterschiedliche Kraftstoffe gezündet wurden, konnte deren Verhalten und Einsetzbarkeit als Energieträger für das Bohrungsverfahren untersucht werden.

Bild: Geschwindigkeitsprofil des Verbrennungsgases in einem Strömungsrohr

Weiters ist es notwenig, für den einsetzbaren Kraft- bzw. Explosivstoff eine für Simulationen geeignete Verbrennungschemie zu entwickeln. Die Schwierigkeit bei der Entwicklung dieser Verbrennungschemie liegt darin, dass diese sehr umfangreich ist und deshalb die notwendige Simulationsdauer stark erhöht. Aus diesem Grund muß ein vereinfachtes Modell der Verbrennungschemie entwickelt werden, welches genau genug ist, aber den Rechenaufwand nur geringfügig erhöht.

Bereitstellen einer geeigneten Simulationsumgebung

Wie bereits zuvor erwähnt, stellt die Simulation der Problemstellung eine große Herausforderung dar. Da die gängigen Software Packages für fluid-dynamische Probleme bei der Berechnung von Mehrphasen-Überschallströmungen Probleme hatten, musste in die Open-Source Software OpenFoam ein geeigneter Solver implementiert werden. Diese Aufgabe übernahm József Nagy von der Arbeitsgruppe von Michael Harasek.
Um die komplexen mehrphasigen Strömungsprobleme lösen zu können, wurde ein gängiger Mehrphasensolver erweitert. Diese Erweiterung wurde durch Einfügen von temperaturabhängigen Zustandsgleichungen für kompressible gasförmige, wie auch kompressible flüssige Medien erweitert. Wie sich durch vorherige Untersuchungen herausstellte, können bei extremen Bedingungen auch flüssige Medien nicht mehr als völlig inkompressibel betrachtet werden.

Der so erzeugte Solver wurde anhand einer Reihe von Testfällen untersucht und validiert.

Bild: Simulation einer Unterwasserexplosion mit dem neu entwickelten Solver

Ausblick und Danksagung

Der Solver für die Mehrphasen-Simulatioen ist bereits getestet und somit einsatzbereit, auch das vereinfachte Modell der Verbrennung ist kurz vor der Fertigstellung. Sobald beides vorhanden ist, können unterschiedliche Simulationen des Mikrodetonations-Aggregates simuliert werden und dieses somit optimiert werden.
Diese Arbeit wurde von der EUROPÄISCHEN UNION, European Regional Development Fund, creating the future - Programm zur grenzüberschreitenden Zusammenarbeit SLOWAKEI – ÖSTERREICH 2007 – 2013 unterstützt. Weiterer Dank gilt unseren Partnern von CELIM, Slowakei.