Geothermal energy is an important source of clean and renewable energy. This project deals with the study of deep geothermal power plants for the generation of electricity. The design involves the extraction of heat from the Earth and its conversion into electricity. This is performed by allowing fluid deep into the Earth where it gets heated due to the surrounding rock. The fluid gets vaporized and returns to the surface in a heat pipe. Finally, the energy of the fluid is converted into electricity using turbine or organic rankine cycle (ORC). The main feature of the system is the employment of side channels to increase the amount of thermal energy extracted. A finite difference computer model is developed to solve the heat transport equation. The numerical model was employed to evaluate the performance of the design. The major goal was to optimize the output power as a function of parameters such as thermal diffusivity of the rock, depth of the main well, number and length of lateral channels. The sustainable lifetime of the system for a target output power of 2 MW has been calculated for deep geothermal systems with drilling depths of 8000 and 10000 meters, and a financial analysis has been performed to evaluate the economic feasibility of the system for a practical range of geothermal parameters. Results show promising an outlook for deep geothermal systems for practical applications.

Geothermal energy is an important source of clean and renewable energy. This project deals with the study of deep geothermal power plants for the generation of electricity. The design involves the extraction of heat from the Earth and its conversion into electricity. This is performed by allowing fluid deep into the Earth where it gets heated due to the surrounding rock. The fluid gets vaporized and returns to the surface in a heat pipe. Finally, the energy of the fluid is converted into electricity using turbine or organic rankine cycle (ORC). The main feature of the system is the employment of side channels to increase the amount of thermal energy extracted. A finite difference computer model is developed to solve the heat transport equation. The numerical model was employed to evaluate the performance of the design. The major goal was to optimize the output power as a function of parameters such as thermal diffusivity of the rock, depth of the main well, number and length of lateral channels. The sustainable lifetime of the system for a target output power of 2 MW has been calculated for deep geothermal systems with drilling depths of 8000 and 10000 meters, and a financial analysis has been performed to evaluate the economic feasibility of the system for a practical range of geothermal parameters. Results show promising an outlook for deep geothermal systems for practical applications.

Geothermal energy is an important source of clean and renewable energy. This project deals with the study of deep geothermal power plants for the generation of electricity. The design involves the extraction of heat from the Earth and its conversion into electricity. This is performed by allowing fluid deep into the Earth where it gets heated due to the surrounding rock. The fluid gets vaporized and returns to the surface in a heat pipe. Finally, the energy of the fluid is converted into electricity using turbine or organic rankine cycle (ORC). The main feature of the system is the employment of side channels to increase the amount of thermal energy extracted. A finite difference computer model is developed to solve the heat transport equation. The numerical model was employed to evaluate the performance of the design. The major goal was to optimize the output power as a function of parameters such as thermal diffusivity of the rock, depth of the main well, number and length of lateral channels. The sustainable lifetime of the system for a target output power of 2 MW has been calculated for deep geothermal systems with drilling depths of 8000 and 10000 meters, and a financial analysis has been performed to evaluate the economic feasibility of the system for a practical range of geothermal parameters. Results show promising an outlook for deep geothermal systems for practical applications.

Utilisée depuis des milliers d’années sous ses manifestations naturelles par l’Homme, cette ressource fait l’objet d’une exploitation commerciale depuis seulement le XXe siècle, à destination du chauffage de bâtiments, de certains usages industriels ainsi que de la production d’électricité. La France compte parmi les pionniers concernant l’usage direct de la chaleur alors qu’aucune filière industrielle n’est véritablement effective pour la production d’électricité d’origine géothermique. Le projet sélectionné, intitulé FONGEOSEC, a pour objectif la conception et la réalisation d’un démonstrateur innovant préindustriel d’une centrale géothermique haute enthalpie exploité par cogénération d’électricité et de chaleur. Un travail de recherche et développement, conduit par un consortium composé de partenaires industriels et scientifiques, vise au lancement de la filière industrielle géothermique haute température en France. L’objectif général des travaux de thèse porte sur une meilleure compréhension globale des comportements hydrauliques, massiques et thermiques des formations profondes en réponse à une sollicitation anthropique de longue durée. Il s’agit d’identifier les paramètres clés régissant la réponse du complexe réservoir à la suite d’une exploitation géothermique. Un point particulier sera consacré à caractériser la part de chacun des modes de transport de chaleur en milieu poreux – conduction thermique, convection libre et forcée – dans l’établissement des performances thermiques de l’ouvrage considéré. Plusieurs dispositifs techniques d’exploitation seront proposés afin de réduire les incertitudes associées au système géothermique souterrain et garantir le succès du projet FONGEOSEC. L’impact des mécanismes thermo-convectifs au voisinage des forages d’exploitation géothermique de grande profondeur reste peu documenté, a fortiori dans le cas de dispositifs déviés adoptant une complétion particulière. L’outil retenu pour l’évaluation des performances du dispositif au contact de l’encaissant est la modélisation numérique distribuée. La variabilité des propriétés physiques de l’hydrosystème, de la conception et des modalités d’exploitation du dispositif sur le comportement hydraulique et thermique de l’exploitation est envisagée selon différentes approches développées à partir de modèles numériques 3D. / Used for thousands of years under its natural manifestations, this resource has been commercially exploited since the twentieth century, for the heating of buildings, certain industrial uses and the production of electricity. France is one of the pioneers in the direct use of heat, whereas no industrial cluster is truly effective for the production of geothermal electricity. The selected project, FONGEOSEC, aims to design and produce an innovative pre-industrial demonstrator of a high enthalpy geothermal power plant operated by cogeneration of electricity and heat. A research and development project, led by a consortium of industrial and scientific partners, aims to launch the high-temperature geothermal industrial sector in France. The general objective of this thesis is to improve the understanding of the hydraulic, mass and thermal behavior of deep porous formations in response to long-term anthropogenic stress. The aim is to identify the key parameters governing the response of the reservoir complex related to geothermal operation. A particular point will be devoted to characterize the part of each mode of transport of heat in porous medium – thermal conduction, free and forced convection – in the establishment of the thermal performances of the geothermal power plant. Several technical operating devices will be proposed to reduce the uncertainties associated with the underground geothermal system and guarantee the success of the FONGEOSEC project. The impact of thermo-convective mechanisms in the vicinity of deep geothermal borehole remains poorly documented, especially in the case of deviated wells with a complex inner geometry. The evaluation of the hydraulic and thermal performances of the device, based on 3D numerical modeling, is conducted according to different approaches.

In recent years, deep geothermal energy has been widely exploited through closed-loop borehole heat exchanger system for building heating. In order to precisely evaluate the sustainable heat extraction capacity and the impact of different designs and operating parameters, two heat transfer models are implemented in the open-source scientific software OpenGeoSys (OGS), with respect to the Deep Borehole Heat Exchanger (DBHE) and Enhanced U-tube Borehole Heat Exchanger (EUBHE) system. Besides, three types of boundary conditions are implemented, including the constant inflow temperature, the constant heat extraction rate, and constant building thermal power that integrates the ground source heat pump (GSHP) module. By applying the two BHE models, the influence of different designs and operating parameters on the GSHP system is evaluated. The sustainable heat extraction capacity and efficiency of a deep EUBHE system are predicted. Moreover, its performance and efficiency are further compared against the 2-DBHE array system that has the same total borehole length. It is found that the soil thermal conductivity is the most important parameter in the design of DBHE and EUBHE systems. The sustainable specific heat extraction rate of the EUBHE system is 86.5 W/m higher than an array with 2 DBHEs. Under the building thermal load of 1.225 MW, the total electricity consumed by the EUBHE system is approximately 27 % less than the 2-DBHE array over 10 years. The average Coefficient of System Performance (CSP) value of the EUBHE system is 1.66 higher over 10 heating seasons. The two numerical models implemented in the OpenGeoSys software can be used to predict and optimize the thermal characteristics of the closed-loop DBHE and EUBHE systems in real projects.

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132