Vulkanismus und Nutzung der Geothermie in der Region Taupo (Neuseeland)

Inhalt:

1. Einführung zur Geologie Neuseelands

2. Geophysikalische Untersuchungen um das geothermische Kraftwerk bei Wairakei

3. Aufbau und Geschichte des Kraftwerks

Geologie Neuseelands

Entstehung:

• Vor ca. 85 Mio. Jahren löste sich ein Stück Land vom südlichen Urkontinent Gondwana.• Die heutige Küstenlinie entstand vor ca. 30 Mio. Jahren, als sich die australische Platte über die pazifische Platte schob.• Neuseeland ist ein vergleichsweise junges Land was sich durch eine nicht weit fortgeschrittene Erosion bemerkbar macht.

Erdbeben:

• Durch die Plattenbewegungen gibt es In Neuseeland drei größere Störzonen (Ohariu-Verwerfung, die Wairarapa-Verwerfung und die Wellington-Verwerfung).• Ca. 14000 Beben werden jährlich registriert wovon jedoch nur 1% spürbar sind.• Bauvorschriften in der Hauptstadt Wellington orientieren sich daher auch an Erdbebensicherheit.

Vulkanismus:

• Auf der Nordinsel befinden sich einige der aktivsten Vulkane der Erde (White Island, Mount Ruapehu, Mount Tongariro und Mount Ngauruhoe)• Der Lake Taupo ist selbst Überrest eines Vulkanausbruchs aus dem Jahre 186 n.Chr. Die Entleerung der Magmakammer bewirkte eine Absenkung des Bodens woraufhin der See entstand.• Nebenerscheinungen des Vulkanismus sind heiße Quellen und Geysire.

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Plattengrenzen

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Geophysikalische Untersuchungen um das geothermische Kraftwerk bei Wairakei

Geophysikalische Untersuchungen um den Kraftwerksstandort dienen folgenden Zwecken:

• Erforschung der unterirdischen Ausdehnung des geothermischen Systems• Überwachung der Veränderungen im System durch die Förderung des Thermalwassers (Druck, Temperatur und mineralische Zusammensetzung des Fluides)

Methodik:

• Elektrische Widerstandsmessung• Magnetische Messungen• Gravitationsmessungen• Seismische Messungen

Satellitenaufnahme des Kraftwerkgebiets bei Wairakei

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Craters of the Moon

Wairakei Kraftwerk

PoihipiKraftwerk

Bohrfeld

Waikato River

Elektrische Widerstandsmessung des Untergrunds

• Erste Geoelektrische Messungen starteten in den frühen 60er Jahren.

• Mit Elektroden wird ein definierter Strom in den Untergrund gespeist und an anderer Stelle die über dem Untergrundwiderstand abfallende Spannung gemessen.

• Salzhaltige Thermalwasserlagerstätten weisen einen niedrigen spezifischen Widerstand auf.

• Für die ersten Messungen kam das sog. Wenner Verfahren zum Einsatz.

• Abstand der Elektroden betrug 550m.

Elektrische Widerstandsmessung (Wenner) 1965

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Elektrische Widerstandsmessung (Schlumberger) 1984

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Messung der magnetischen Flussdichte

• Magnetische Untersuchungen wurden schon Anfang der 50er mit Flugzeugen durchgeführt

• Gemessen wird dabei der Unterschied des lokalen Magnetfeldes zum Erdmagnetfeld

• Man geht davon aus, dass durch hohe Temperaturen und hydrothermaler Interaktion mit dem Gestein eine Entmagnetisierung stattfindet.

• Magnetische Anomalien werden in nT (Tesla) angegeben, die Magnetisierung eines Körpers in A/m.

Messung der magnetischen Flussdichte

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Interpretation der Magnetfeldmessung

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Messung von Schwerebeschleunigungsanomalien

• Schwereanomalien können um bis zu 0.02% der durchschnittlichen lokalen Fallbeschleunigung schwanken

• Ursache der Anomalien sind unterschiedliche Dichten im Untergrund oder der Erdmantelmächtigkeit.

• Die Messungen von Anomalien der Schwerebeschleunigung werden in mGal (Galileo Galilei) angegeben. (1 Gal = 1 cm/s² = 0,01 m/s²)

• Mit dieser Methode wurden ca. 1000 Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse waren jedoch nicht Erfolgversprechend. Einige Annahmen von Wissenschaftlern auf Basis dieser Messungen wurden später durch Bohrungen wiederlegt.

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Messung von Schwerebeschleunigungsanomalien

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Das Geothermiekraftwerk bei Wairakei

Geschichtlicher Überblick:

• Erkundungs-, Planungs- und Aufbauphase des Kraftwerks (192 MWel): 1948 – 1963• Netzanschluss und Inbetriebnahme der Turbinen: 1958• Fertigstellung des Poihipi Kraftwerks (55 MWel): 1997• Einrichtung von Injektionsbohrungen: 1998 (30% des geförderten Fluides werden Reinjeziert)• Fertigstellung des ORC Kraftwerks (28 MWel): 2005

Sonstige Daten:

• Durchschnittliche Bohrlochtiefe: 600m• Ausdehnung der Förderbohrungen: 12km²• Anzahl der Bohrungen bis heute: über 200

Druckverteilung des geförderten Dampfes

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Druckveränderung am Eingang der HD Turbine

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Temperaturverteilung in 600m Tiefe

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Kraftwerksplan von 1963

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Trennung von Kondensat und Dampf

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Das ORC Kraftwerk von 2005

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Schwierigkeiten im Betrieb des Kraftwerks

• Mineralien und gelöstes H2S und CO2 verursachen Korrosion in den Rohrleitungen• Ablagerungen von Magnetit Kristallen in den Rohrleitungen• Druck- und Temperaturabfall des Thermaldampfes• Umweltveränderungen durch Absenkungen (Craters of the Moon)• Umweltverschmutzungen durch die Einleitung des gekühlten Thermalwassers in den Waikato River (Arsen)

Outlook:

• Für 2011 – 2016 wurde vorgeschlagen den bisherigen Turbinen bestand durch drei 80 WM Blöcke zu ersetzten.

• Die Gesamtkapazität soll bis 2028 auf 310 MW erhöht werden.

• Der Betrieb soll bis 2045 andauern.

Photo: Geothermiekraftwerk Wairakei

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Photo: Bohrfeld mit Kondensat-Dampf Separatoren

Photo: Dampfleitungen mit Ausdehnungsmöglichkeit

Photo: Craters of the Moon (1)

Photo: Craters of the Moon (2)

Quellen:

• Ian A. Thain et al: „Fifty years of geothermal power generation at Wairakei“, Geothermics 38 , 2009

• Paul F. Bixley et al: „Evolution of the Wairakei geothermal reservoir during 50 years of production“, Geothermics 38 , 2009

• T.M. Hunt et al.: „Geophysical investigations of the Weirakei Field“, Geothermics 38, S. 80, 2009