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Geothermische Energie

von Stefan Seifert. Geothermische Energie. Gliederung. Allgemeines zur Geothermie Verschieden Arten der Geothermie Oberflächennahe Geothermie Tiefe Geothermie Modell Island Quellen. Allgemeines. Geothermie (Erdwärme)  die im zugänglichen Erdmantel gespeicherte Wärme

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Presentation Transcript

  1. von Stefan Seifert Geothermische Energie

  2. Gliederung • Allgemeines zur Geothermie • Verschieden Arten der Geothermie • Oberflächennahe Geothermie • Tiefe Geothermie • Modell Island • Quellen

  3. Allgemeines • Geothermie (Erdwärme)  die im zugänglichen Erdmantel gespeicherte Wärme • Kann als regenerative Energiequelle direkt oder indirekt genutzt werden • Beeindruckende geothermische Phänomene rund um den Globus (Island, Hawaii, Philippinen,….)

  4. Schon von den Römern in Thermalbädern genutzt WOHER??

  5. Aufbau der Erde Die Erde ist im Inneren warm! Sie strahlt über ihre Oberfläche Energie ab (0.063 W/m2) Bis 10km Tiefe sind ca. 1026 Joule gespeichert (100 Quadrillionen Joule!!!) 210.000 fache des Primärenergieverbrauchs 2004

  6. Ursachen der Erdwärme • Gespeicherte Energie aus der Entstehungszeit der Erde; dazu zählt auch Kristallisationswärme aus dem Phasenübergang flüssig  fest (ca. 50% des Wärmestroms) • Wärme durch Radioaktive Prozesse im Erdinneren; Zerfall radioaktiver Elemente wie etwa Uran und Thorium (ca. 50% des Wärmestroms) • Oberflächennahe Wärme durch Sonneneinstrahlung

  7. Geothermische Tiefenstufe • = Steigung der Temperaturkurve • Ca. alle 33m steigt die Temperatur um 1 K • Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen • Allerdings: Große regionale Abweichungen

  8. Geothermische Tiefenstufe • = Steigung der Temperaturkurve • Ca. alle 33m steigt die Temperatur um 1 K • Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen • Allerdings: Große regionale Abweichungen

  9. Die oberflächennahe Geothermie • In den oberen Erdschichten (bis etwa 10m) nahezu konstante Temperatur (entspricht nahezu Jahresmitteltemperatur in Deutschland; 7-10°C) • Zu niedrig für direkte Nutzung • > Wärmepumpen nötig • Wärme direkt mittels Grundwasser oder indirekt über Erdsonden zur Wärmepumpe geführt

  10. Die Wärmepumpe • Wärme wird von einem niedrigerem Temperaturniveau zu einem höheren Temperaturniveau „gepumpt“ • Wärme fließt nur von warm nach kalt? • > Arbeit nötig!! Gute Wärmepumpe benötig ein Viertel der Wärmemenge die angehoben werden soll als Energie für die zu verrichtende Arbeit

  11. Schema einer Wärmepumpe

  12. Einsatz in Häusern Zurzeit in ca. 115.000 Haushalten eingesetzt!! Ca. 2TW Wärme Horizontale Anordnung Fläche abhängig von gewünschter Leistung Vertikale Anordnung Bis zu 100m tief

  13. Fazit zur oberflächennahen Geothermie • Großes Potential zum Heizen und Kühlen (Umkehrung der Wärmepumpe) überall möglich • Bis zu 60% Engergieeineinsparung gegenüber herkömmlichen Heizungen • Optimal in Kombination mit einer Solaranlage  Regeneration der gespeicherten Wärme im Sommer • Allerdings: Hohe Anschaffungskosten (bis zu 8500€ für die Anlange und 5500€ für die Erschließung)  Subventionen und günstige Kredite (KfW)

  14. Die Tiefe Geothemie • Bohrlöcher bis ca. 6000m  Temperaturen von bis zu 200°C • Bei allen Systemen dient Wasser zur Wärmeübertragung • 3 verschiedene Systeme, abhängig von der Bodenbeschaffenheit • Hydrothermale Systeme • Petrothermale Systeme • Erdsonden • Nicht überall möglich (Geologische Bedingungen)

  15. Übersichtskarte Deutschland

  16. Hydrothermale Systeme • In der Tiefe sind große Vorräte von warmen Wasser vorhanden  Aquifere • Dieses Wasser muss lediglich über eine Bohrung zu einem Wärmetauscher gefördert werden • Anschließend wird das Wasser reinjiziert

  17. Skizze hydrothermales System • Die Wärme kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden und zur Stromerzeugung genutzt werden • Kraftwärmekopplung • Wirtschaftlichkeit abhängig von Temperatur und maximal möglicher Durchflussmenge

  18. Beispiel hydrothermales System • Landau (seit 2007) • Zwei ca. 3000m tiefe Bohrung • 160°C Wassertemperatur • 3MW elektrische Leistung • (OCR Kraftwerk) • 6-8MW Wärmeleistung

  19. Wärme Potential durch hydrothermale Systeme • Ca. der 100fache Bedarf an Jahreswärme ist technisch realisierbar • PROBLEM: Wärme lässt sich schlecht über größere Strecken transportieren Nur etwa ein Viertel des Jahresbedarfs an Wärme könnte durch hydrothermale Systeme gedeckt werden • Wärmenutzung wieder Standortabhängig

  20. Petrothermale Systeme • Kristallines, heißes Gestein in der Tiefe ( Hot-Dry-Rock) • In der Tiefe wird durch Druck oder Säure ein Netz von Rissen erzeugt (Stimulation) • Durch dieses Netz wird Wasser aus einer Injektionsbohrung zu einer Förderbohrung gedrückt • Das Wasser entnimmt die Wärme aus dem Gestein • Problem: Gefahr von Erdbeben, Destabilisierung des Untergrundes

  21. DeepHeat Mining Basel • Start 2005 mit Explorationsbohrung auf 2700m • Ziel: 200°C heißes Wasser wie in einem Durchlauferhitzer (in ca. 5000m Tiefe) • Am 8. Dezember sollte durch Druck die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht werden • Am selben Tag kam es zu einem Beben der Stärke 3,4 auf der Richterskala • Projekt gestoppt, bis heute Diskussion über Fortsetzung

  22. Wärmepotential Petrothermaler Systeme • Keine Prozesswärme, lediglich zu wärmen von Wohnungen und Anlagen nutzbar • Theoretisch bis zu 1200 Exajoule pro Jahr • Aber: Tiefe durch ökonomische Überlegungen begrenzt (~3000m) • Hindernisse durch Infrastruktur Nähe zum Abnehmer • 2 Exajoule pro Jahr möglich (2*10^18J/a=63,42GW) • Kleine Rechnung: 63,42 GW / 4MW pro Anlage = 15955 Anlagen

  23. Elektrisches Potential tiefer Geothermie • Eingeschlossene Fläche = Nutzbare Wärmemenge • Rot: Konventionelles Kraftwerk • Grün: Geothermie Kraftwerk • PROBLEM: Wasser nicht geeignet für solch niedrige Temperaturen (<175°C)

  24. Anlagentechnik • Abhilfe durch 2 mögliche Verfahren • ORC Kreisprozess statt Wasser Organischer Wärmeträger Umweltproblematisch (n-Perfluoro-Pentan C5F12) • Kalina Kreisprozess • Wasser-Amoniak Gemisch zur Erhöhung des Dampfdruckes

  25. Fazit elektrisches Potential • Möglich aber aufwendige (= TEURE) Anlagentechnik • Bei geringen Temperaturen nur etwa 10% der Wärme in Strom wandelbar • Dennoch: 65% des Stroms könnte geothermisch erzeugt werden (10,5 GW)

  26. Erdsonde • Geschlossenes System in dem Wasser zirkuliert • Wesentlich geringere Leistungen als die anderen Systeme (kW Bereich) • Auch für Innenstädte geeignet mit entsprechender Bohrtechnik

  27. Beispiel: Super C in Aachen • 2544m tiefe Bohrung, die zum Heizen und Kühlen des Gebäudes genutzt wird • Temperaturen bis ca. 90°C

  28. Probleme bei tiefer Geothermie • Vorerkundung kostspielig, keine sicheren Daten möglich • Kosten pro Bohrmeter zwischen 1000 und 2000€ • daher eventuelle zu geringe Temperatur im Betrieb • Wirtschaftlichkeit der Anlage in Gefahr

  29. Vorteile von tiefer Geothermie • Grundlastfähig, d.h. Wetter und Tageszeit unabhängig • Regenerativ / nach menschlichen Maßstäben nicht erschöpfbar • Spart CO2 ein

  30. Stand in Deutschland • Zurzeit an 50 Standorten realisiert, bzw. im Bau • Unterhachingen, Landau, Neustadt-Glewe, Offenbach, Groß Schönebeck,….. • Dennoch im Großen und Ganzen noch ein Schattendasein • Bis zu 150 weitere Anlagen geplant

  31. Modell Island • 79,7 PJ (79,7*10^15J) an Energie durch Erdwärme pro Jahr • Entspricht 53% der benötigten Primärenergie • 90% aller Haushalte werden durch Erdwärme geheizt • 19% des benötigten Stromes aus 5 Kraftwerken ( bis zu 100MW elektrische Energie und 300MW Wärme pro Kraftwerk)

  32. Geologie Islands

  33. Fazit • Günstige Lage optimal genutzt • Zusammen mit Wind und Wasser 99% der Energie aus regenerativen Quellen • Allerdings: • Primärenergieverbrauchs Islands : 150PJ • Primärenergieverbrauchs Deutschlands: 13842PJ

  34. „Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen…“ Grundgesetz Artikel 20a

  35. Quellen • http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermie • http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/41616.php Broschüre „Tiefe Geothermie in Deutschland“ • http://www.bd.bs.ch/geothermie.htm • http://de.wikipedia.org/wiki/Projekt_Deep_Heat_Mining • http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermale_Energie_in_Island • http://www.geothermie.de/oberflaechennahe/geothermie_report_2k1/moeglichkeiten_und_perspektiven_d.htm • Script: Allgemeines Maschinenwesen im Anlagenbau

  36. Vielen Dank für EureAufmerksamkeit!

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