Post on 05-Apr-2015
transcript
von Stefan Seifert
Gliederung
Allgemeines zur Geothermie
Verschieden Arten der Geothermie
Oberflächennahe GeothermieTiefe Geothermie
Modell IslandQuellen
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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,….)
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Schon von den Römern in Thermalbädern genutzt
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WOHER??
Aufbau der Erde
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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
Ursachen der Erdwärme
1. Gespeicherte Energie aus der Entstehungszeit der Erde; dazu zählt auch Kristallisationswärme aus dem Phasenübergang flüssig fest (ca. 50% des Wärmestroms)
2. Wärme durch Radioaktive Prozesse im Erdinneren; Zerfall radioaktiver Elemente wie etwa Uran und Thorium (ca. 50% des Wärmestroms)
3. Oberflächennahe Wärme durch Sonneneinstrahlung 6
Geothermische Tiefenstufe = Steigung der
Temperaturkurve Ca. alle 33m steigt
die Temperatur um 1 K
Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen
Allerdings: Große regionale Abweichungen
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Geothermische Tiefenstufe = Steigung der
Temperaturkurve Ca. alle 33m steigt
die Temperatur um 1 K
Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen
Allerdings: Große regionale Abweichungen
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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
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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
derWärmemenge die angehoben werden soll
als Energie für die zu verrichtende Arbeit
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Schema einer Wärmepumpe
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Einsatz in Häusern
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Horizontale AnordnungFläche abhängig von gewünschter Leistung
Vertikale AnordnungBis zu 100m tief
Zurzeit in ca. 115.000 Haushalten eingesetzt!!
Ca. 2TW Wärme
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)
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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
1. Hydrothermale Systeme 2. Petrothermale Systeme3. Erdsonden
Nicht überall möglich (Geologische Bedingungen)
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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
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Skizze hydrothermales System
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Die Wärme kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden und zur Stromerzeugung genutzt werdenKraftwärmekopplung
Wirtschaftlichkeit abhängig von Temperatur und maximal möglicher Durchflussmenge
Beispiel hydrothermales System Landau (seit 2007)
Zwei ca. 3000m tiefe Bohrung 160°C Wassertemperatur
3MW elektrische Leistung (OCR Kraftwerk) 6-8MW Wärmeleistung
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Wärme Potential durch hydrothermale Systeme Ca. der 100fache Bedarf an Jahreswärme
ist technisch realisierbar PROBLEM:
Wärme lässt sich schlecht über größere Strecken
transportierenNur etwa ein Viertel des Jahresbedarfs an
Wärme könnte durch hydrothermale Systeme gedeckt werden
Wärmenutzung wieder Standortabhängig
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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
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Deep Heat 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
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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
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Elektrisches Potential tiefer Geothermie
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Eingeschlossene Fläche = Nutzbare WärmemengeRot: Konventionelles KraftwerkGrün: Geothermie KraftwerkPROBLEM: Wasser nicht geeignet für solch niedrige Temperaturen (<175°C)
Anlagentechnik
Abhilfe durch 2 mögliche Verfahren ORC Kreisprozess
statt Wasser Organischer WärmeträgerUmweltproblematisch (n-Perfluoro-Pentan C5F12)
Kalina Kreisprozess Wasser-Amoniak Gemisch zur
Erhöhung des Dampfdruckes
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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)
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Erdsonde
Geschlossenes Systemin dem Wasser zirkuliert
Wesentlich geringere Leistungen als die anderen Systeme (kW Bereich)
Auch für Innenstädte geeignet mit entsprechender Bohrtechnik
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Beispiel: Super C in Aachen
2544m tiefe Bohrung, die zum Heizen und Kühlen des Gebäudes genutzt wird
Temperaturen bis ca. 90°C
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Probleme bei tiefer Geothermie
Vorerkundung kostspielig, keine sicheren Daten möglich
Kosten pro Bohrmeter zwischen 1000 und 2000€
daher eventuelle zu geringe Temperatur im BetriebWirtschaftlichkeit der Anlage in Gefahr
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Vorteile von tiefer Geothermie
Grundlastfähig, d.h. Wetter und Tageszeit unabhängig
Regenerativ / nach menschlichen Maßstäben nicht erschöpfbar
Spart CO2 ein
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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 geplant32
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)
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Geologie Islands
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Fazit
Günstige Lage optimal genutzt Zusammen mit Wind und Wasser 99%
der Energie aus regenerativen Quellen Allerdings: Primärenergieverbrauchs Islands :
150PJ Primärenergieverbrauchs Deutschlands:
13842PJ
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„Der Staat schützt auch in Verantwortung für
die künftigen Generationen die natürlichen
Lebensgrundlagen…“Grundgesetz Artikel 20a
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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 Anlagenbau37
Vielen Dank für EureAufmerksamkeit!
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