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Geothermie

Geothermie. M. Menacer. Gliederung. 1. Was ist Geothermie? 1.1 Radioaktive Zerfallsprozesse 1.2 Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient 2. Erschließung von Erdwärme 3. Nutzung dieser Energieform 3.1 Erkundung des Bodens 3.2 Tiefe Geothermie - Schema

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Presentation Transcript

  1. Geothermie M. Menacer

  2. Gliederung 1. Was ist Geothermie? 1.1 Radioaktive Zerfallsprozesse 1.2 Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient 2. Erschließung von Erdwärme 3. Nutzung dieser Energieform 3.1 Erkundung des Bodens 3.2 Tiefe Geothermie - Schema 3.2.1 Enthalpie - Lagerstätten 3.3 Tiefe Geothermische Systeme

  3. Gliederung 3.3.1 Hydrothermale Geothermie 3.3.2 Petrothermale Geothermie 4. Experiment 5. Vorreiter der Erdwärmenutzung 6. Erdwärme in Deutschland 7. Kosten von Geothermie in Deutschland 7.1 Kostenberechnung 8. Wirtschaftlichkeit 9. Vor - Nachteile 10. Quellen

  4. Was ist Geothermie? • Erdwärme kann synonym verwendet werden • Energie wird aus der Restwärme der Erde gewonnen d.h. KEINE!!! Erneuerbare Energie • ABER: Potential liegt bei mehreren Millionen Jahren

  5. Woher kommt die Restwärme? • ca. 30 - 50 % Restwärme aus der Zeit der Erdstehung • ca. 50 - 70 % Restwärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen (Kalium - 40, Thorium - 232, Uran - 235 u. 238 sind Hauptzerfallselemente)

  6. Radioaktive Zerfallsprozesse Zerfallsreihe für: Thorium - 232 & Uran - 235 & Uran - 238

  7. Massenzahl

  8. Massenzahl

  9. Massenzahl

  10. Radioaktive Zerfallsprozesse Kalium - 40 40K → 40Ca + b- ca. 89,28 % (Beta- -Zerfall) 40K + b- → 40Ar ca. 10,72% (Beta+ -Zerfall)

  11. Wärmestrom u. geothermischer Gradient • Der Wärmestrom ist eine wichtige Größe bei der Berechnung des Wärmenachschubs • Natürliche mittlere Wärmestromdichte von 65mW/m² an der Erdoberfläche • Geoth. Gradient ergibt sich daraus (Mittelwert: 3°C/100m) In vulkanischen Gebieten sogar 10°C - 20°C / 100m

  12. Erschließung von Geothermie Durch aufzeichnen des Untergrundes

  13. Erschließung von Geothermie Durch Bohrungen

  14. Tiefe Geothermie - Schema

  15. Enthalpie - Lagerstätten Hochenthalpie-Lagerstätten: • Wärmeanomalie in vulkanischen Gebieten • Fluide u./od. Wasserdampf in niedrigen Tiefen (ca. 2000m über 200°C) Niederenthalpie-Lagerstätten: • Nur Stromerzeugung durch ein leicht Siedendes Arbeitsmedium • Tiefen bis zu 6000m nötig (ca. 160°C - 180°C)

  16. Tiefe Geothermische Systeme Geothermie HydrothermalPetrothermal - Aquifer wird benötigt - Risse im Gestein werden - ca. 2 km - 4 km tiefe benötigt - Arbeitsmittel - ca. 5 km - 7 km tiefe zur Stromerzeugung - ebenfalls Arbeitsmittel Warum siedet das Wasser unter Druck nicht? - Hier

  17. Hydrothermale Geothermie http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo Zurück zur Übersicht

  18. Petrothermale Geothermie Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I Zurück zur Übersicht

  19. Experiment Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei unterschiedlichen Drücken siehe Arbeitsblatt

  20. Experiment - Auswertung Phasendiagramm des Wassers

  21. Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren Organischer Rankine Kreislauf (ORC): • Niedrig siedende Arbeitsmittel (z.b.Perfluorpentan) • Bei geringen Temperaturen vergleichsweise große Verdampfung • Siedet bei 4000hPa Überdruck bei 75°C • Aber nur sehr geringe Wirkungsgrade erzielbar z.b. bei 96°C Eingangstemperatur nur 7,5 % Brutto

  22. Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren Schema: • http://www.gmk.info/ORC.133.html#

  23. Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren • Ammoniak - Wasser - Gemisch • Siedetemperatur von NH3 liegt bei -33°C • Durch die Mischung mit Wasser kann das Gemisch an die jeweilige Temperatur des geförderten Thermalwassers angepasst werden Dadurch soll eine Arbeitsmitteleffizienzsteigerung von 10 - 60% erreicht werden.

  24. Kalina - Verfahren- Schema

  25. Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren • nicht - isotherme Verdampfung Bzw. Kondensation, dadurch eine Annäherung der Wärmequelle und -senke • Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der mittleren Temperatur der Kondensation -> geringere Energieverluste bei der Wärmeübertragung -> Erhöhung des Wirkungsgrades

  26. Vergleich ORC und Kalina - Verfahren Vorteile: - Investitionskosten gering • Platzbedarf ist gering ORC Nachteile: • Umweltschädlich - Geringer Wirkungsgrad • Sorgfältige Abdichtung des Sekundärkreislaufes notwendig

  27. Vergleich ORC und Kalina - Verfahren Kalina - Prozess Vorteile: • Erschließung von niedrigeren Temperaturen möglich • Erhöhung des Wirkungsgrades • Sehr junge Technologie und stark ausbaufähig • theoretischer Wirkungsgrad nur geringfügig (1 - 2%) höher

  28. Vergleich ORC und Kalina - Verfahren Kalina - Prozess Nachteile: • gesundheitsschädlich • Hochlegierte Kreislaufkomponenten erforderlich (Ammoniakreicher Dampf wirkt stark korrosiv) • Hohe Investitionen nötig • Viel platz wird gebraucht

  29. Vorreiter der Erdwärmenutzung • ist Island • ca. 70% der Energiebedarfs durch Geothermie gedeckt (30% Wasserkraft) • Mit Geothermie wird Wasserstoff erzeugt • 4% Öffentlicher Verkehrmittel wird mit Wasserstoff betrieben Ziel ist es Island bis 2050 komplett von fossilen Energieträgern zu befreien!!!

  30. Vorreiter der Erdwärmenutzung

  31. Erdwärme in Deutschland Warum erzeugt Deutschland nicht soviel Strom mit Geothermie? • Stromerzeugung erst ab 150°C Wassertemperatur • Max. 180°C Wassertemperatur vorhanden • Nur drei Aquifere vorhanden (Oberrheingraben, Molassebecken und Norddeutsches Becken) • Der Rest müsste durch Petrothermale Geothermie erschlossen werden

  32. Erdwärme in Deutschland • Meisten Kraftwerke in der Region München bereits erschlossen • 14 weitere in Planung bzw. Im Bau (Stand 2012) • 2/3 Hydrothermales Potenzial liegt im Norddeutschen Becken

  33. Erdwärme in Deutschland Deutschland schreibt 95 % des gesamten Potenzials der petrothermalen Energieerschließung gut.

  34. Erdwärme in Deutschland Theoretisches hydrothermales Potenzial liegt bei schätzungsweise 1574 Exajoule = 1.574.000.000.000.000.000 Joule = 1.574 x 1018 Joule • 300-Fache der jährlichen Gesamtwärmenachfrage in Deutschland

  35. Kosten von Erdwärme

  36. Kosten von Erdwärme Für die Strom -u. Wärmeerzeugung (Unterhaching) • Für eine Bohrung: ca. 5,0 Mio € x 4 • Kraftwerk: ca. 54,0 Mio € • Kalina - Anlage: ca. 16,0 Mio € Gesamt: ca. 90,0 Mio € Betriebskosten: Durchschnittlich 4,5 Mio €/ Jahr

  37. Kosten von Erdwärme Parameter: max. 3,36 MW elektrisch max. 38 MW thermisch 8000 Volllaststunden pro Jahr Einspeisevergütung lt. EEG: 0,25€ / kWh (Stand 13.04.13) Arbeitspreis für Wärme in Unterhaching: 0,0646 € / kWh Aufgabe: Berechne die maximale jährliche Vergütung der Strom -und Wärmeerzeugung des Erdwärme-KW in Unterhaching!

  38. Kostenberechnung Formel : Leistung (MW) x Zeit (h) = Arbeit (MWh) Rechnung: 3,36MW x 8000h = 26.880MWh = 26.880.000 kWh x 0,25€ /kWh Maximale jährliche Vergütung von 6.720.000 €. 38 MW x 8000h = 304.000MWh = 304.000.000 kWh x 0,0646€ /kWh Maximale jährliche Vergütung von 19.638.400€.

  39. Wirtschaftlichkeit Ab wann rentiert sich ein Erdwärmekraftwerk? Rechnung: 6,72 Mio € - 4,5 Mio € = 2,22 Mio € 2,22 Mio € / Jahr + 19,6 Mio € / Jahr = 21,82 Mio € / Jahr 21,82 Mio € / Jahr x 5 Jahre = 109,1 Mio € / 5 Jahre 109,1€ / 5 Jahre - 90 Mio € = 19,1 Mio € / 5 Jahre Somit hätten wir das Komplette KW abbezahlt und 19,1 Mio € Gewinn nach 5 Jahren erwirtschaftet!

  40. Vor - und Nachteile Vorteile: - Überragende Volllastzeit - Grundlasttauglich (unabhängig vom Wetter und der Zeit) - Konstante Strom - und Wärmeerzeugung - CO2 - frei (solange ein geschlossener Systemkreislauf besteht) - Enormes Potenzial • Ermöglicht eine dezentrale Strom -u. Wärmeversorgung - Sehr junge Technologie (stark ausbaufähig)

  41. Vor - und Nachteile Nachteile: • Teure Bodenerforschung notwendig • Bohrungen können bis auf 60 % der Gesamtkosten steigen • geringer Wirkungsgrad (in Deutschland) • Seismische Aktivitäten können durch Reinjektion auftreten • Arbeitsmittel ggf. Gesundheitsgefährdend • Fehlende Reife der Technologien • (noch) hohe Investitionen nötig • Nicht überall realisierbar • Viel Platz wird benötigt

  42. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

  43. Quellen http://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/einstieg-in-die-geothermie/ursprung-geothermischer-energie-und-geothermischer-gradient.html Fol. 4 , 5 , 12 , 16 , 17 http://www.feelgreen.de/geothermie-definition-des-begriffs/id_49989240/index Fol. 4, 5 http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Fol. 7-9 Physikbuch Seite 160 Fol.20 http://szablinski.de/Themen/Vergleich_binarer_Kraftwerke.pdfFol.29 , 28 http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-04.htm Fol. 22 http://www.internetchemie.info/chemiewiki/index.php?title=Kalium-Isotope Fol. 10 http://www.swm.de/dms/swm/bilder/erneuerbare/energiearten/geothermie/schema-geothermie.jpg Fol. 15 http://www.youtube.com/watch?v=lDq6AlD_eWoFol.31 http://www.ftd.de/politik/international/:wissen-island-strebt-mit-erdwaerme-unabhaengigkeit-vom-erdoel-an/1068298479869.html Fol. 30 http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak Fol. 24 http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/BMU_tiefe_geothermie_sep07.pdf Fol. 32 , 33 , 34 , 35 http://www.regenerative-zukunft.de/erneuerbare-energien-menu/geothermie Fol. 34 https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_daten_fakten.html Fol. 37 , 38 http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermiekraftwerk_Neustadt-GleweFol.22 http://www.geokraftwerke.de/fileadmin/geothermie/images/geothermie_projektablauf_1.jpg Fol.13 http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/69e2d3bcc021709fc12577ba00353b8e/%24file/Energie_Bentec_01.jpg Fol.14

  44. Quellen http://www.rwe.com/web/cms/de/1475774/rwe-dea/know-how/bohrung/expandable-tubular-verrohrung/Fol.14 http://dejure.org/gesetze/EEG/28.htmlFol.38 http://www.alternative-energiequellen.info/alternative_db/wordpress/wp-content/uploads/Fernwaerme-Kosten.pdfFol.38 http://www.daldrup.eu/aktuelles/2011-06-16-SMC-Research-Geothermie-Kompakt-Branchenstudie-2011-Erneuerbare-Energien.pdfFol.42, 41 http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo Fol.18 http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I Fol.19 http://www.google.de/imgres?q=erdkern&um=1&client=opera&sa=N&channel=suggest&hl=de&tbm=isch&tbnid=YY4z5ujCOOiDQM:&imgrefurl=http://www.geocaching.com/seek/cache_details.aspx%3Fguid%3D5515b9d6-2f01-4e15-9351-b311df85e643&docid=WJKS0GmPke8zIM&imgurl=http://www.geo-therm-erdwaerme.de/files/erdkern.jpg&w=580&h=292&ei=7ndvUeGLMY6rOue0gagH&zoom=1&iact=hc&vpx=379&vpy=193&dur=2059&hovh=159&hovw=317&tx=128&ty=100&page=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1t:429,r:24,s:0,i:165&biw=1366&bih=636 Fol.11 http://www.gmk.info/ORC.133.html# Fol.23 http://www.google.de/imgres?q=kalina+verfahren+schema&client=opera&hs=7LO&sa=X&channel=suggest&tbm=isch&tbnid=T4v32MTv4j2fgM:&imgrefurl=http://www.gec-co.de/de/Kalina&docid=DRhzzbhezRwKlM&imgurl=http://www.gec-co.de/files/IMG%252520I0116%252520Kalina%252520%2526%252520W%2525C3%2525A4rmenutzung_450.jpg&w=450&h=318&ei=fIdvUdeoFo67Peu-gIAP&zoom=1&iact=rc&dur=1&page=1&tbnh=141&tbnw=199&start=0&ndsp=16&ved=1t:429,r:0,s:0,i:85&tx=111&ty=222&biw=1366&bih=636 Fol.25

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