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Geothermie

M. Menacer

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Gliederung

1. Was ist Geothermie?1.1 Radioaktive Zerfallsprozesse1.2 Terrestrischer Wärmestrom und

geothermischer Gradient2. Erschließung von Erdwärme3. Nutzung dieser Energieform

3.1 Erkundung des Bodens3.2 Tiefe Geothermie - Schema

3.2.1 Enthalpie - Lagerstätten3.3 Tiefe Geothermische Systeme

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Gliederung

3.3.1 Hydrothermale Geothermie3.3.2 Petrothermale Geothermie

4. Experiment5. Vorreiter der Erdwärmenutzung6. Erdwärme in Deutschland7. Kosten von Geothermie in Deutschland

7.1 Kostenberechnung8. Wirtschaftlichkeit9. Vor - Nachteile 10. Quellen

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Was ist Geothermie?

Erdwärme kann synonym verwendet werden

Energie wird aus der Restwärme der Erde gewonnend.h. KEINE!!! Erneuerbare Energie

ABER: Potential liegt bei mehreren Millionen Jahren

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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)

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Radioaktive Zerfallsprozesse

Zerfallsreihe für:Thorium - 232

&Uran - 235

&Uran - 238

7 Massenzahl

8 Massenzahl

9

Massenzahl

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Radioaktive Zerfallsprozesse

Kalium - 40

40K → 40Ca + b- ca. 89,28 %(Beta- -Zerfall)

40K + b- → 40Ar ca. 10,72% (Beta+ -Zerfall)

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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

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Erschließung von Geothermie

Durch aufzeichnen des Untergrundes

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Erschließung von Geothermie

Durch Bohrungen

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Tiefe Geothermie - Schema

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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)

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Tiefe Geothermische Systeme

Geothermie

Hydrothermal Petrothermal

- 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

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Hydrothermale Geothermie

http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo

Zurück zur Übersicht

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Petrothermale Geothermie

Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren

http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I

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Experiment

Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei unterschiedlichen Drücken

siehe Arbeitsblatt

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Experiment - Auswertung

Phasendiagramm des Wassers

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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 erzielbarz.b. bei 96°C Eingangstemperatur nur 7,5 % Brutto

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Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren

Schema:

http://www.gmk.info/ORC.133.html#

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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.

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Kalina - Verfahren - Schema

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Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren

nicht - isotherme Verdampfung Bzw. Kondensation, dadurch eine Annäherung der Wärmequelleund -senke

Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der mittleren Temperatur der Kondensation-> geringere Energieverluste bei der Wärmeübertragung-> Erhöhung des Wirkungsgrades

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Vergleich ORC und Kalina - Verfahren

Vorteile:- Investitionskosten gering- Platzbedarf ist gering

ORC Nachteile:- Umweltschädlich- Geringer Wirkungsgrad- Sorgfältige Abdichtung des Sekundärkreislaufes

notwendig

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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

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Vergleich ORC und Kalina - Verfahren

Kalina - Prozess Nachteile:- gesundheitsschädlich- Hochlegierte Kreislaufkomponenten erforderlich

(Ammoniakreicher Dampf wirkt stark korrosiv)- Hohe Investitionen nötig- Viel platz wird gebraucht

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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!!!

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Vorreiter der Erdwärmenutzung

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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

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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

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Erdwärme in Deutschland

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

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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

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Kosten von Erdwärme

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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

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Kosten von Erdwärme

Parameter: max. 3,36 MW elektrischmax. 38 MW thermisch8000 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!

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Kostenberechnung

Formel : Leistung (MW) x Zeit (h) = Arbeit (MWh)

Rechnung:

3,36MW x 8000h = 26.880MWh = 26.880.000 kWh x 0,25€ /kWhMaximale jährliche Vergütung von 6.720.000 €.

38 MW x 8000h = 304.000MWh = 304.000.000 kWh x 0,0646€ /kWhMaximale jährliche Vergütung von 19.638.400€.

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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 JahreSomit hätten wir das Komplette KW abbezahlt und 19,1 Mio €

Gewinn nach 5 Jahren erwirtschaftet!

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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)

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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

43Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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Quellenhttp://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. 7-9Physikbuch Seite 160 Fol.20

http://szablinski.de/Themen/Vergleich_binarer_Kraftwerke.pdf Fol.29 , 28http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-04.htm Fol. 22

http://www.internetchemie.info/chemiewiki/index.php?title=Kalium-Isotope Fol. 10http://www.swm.de/dms/swm/bilder/erneuerbare/energiearten/geothermie/schema-geothermie.jpg Fol. 15

http://www.youtube.com/watch?v=lDq6AlD_eWo Fol.31http://www.ftd.de/politik/international/:wissen-island-strebt-mit-erdwaerme-unabhaengigkeit-vom-erdoel-an/1068298479869.html

Fol. 30http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak Fol. 24

http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/BMU_tiefe_geothermie_sep07.pdf Fol. 32 , 33 , 34 , 35http://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 , 38http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermiekraftwerk_Neustadt-Glewe Fol.22

http://www.geokraftwerke.de/fileadmin/geothermie/images/geothermie_projektablauf_1.jpg Fol.13http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/69e2d3bcc021709fc12577ba00353b8e/%24file/Energie_Bentec_01.jpg

Fol.14

45

Quellenhttp://www.rwe.com/web/cms/de/1475774/rwe-dea/know-how/bohrung/expandable-tubular-verrohrung/ Fol.14

http://dejure.org/gesetze/EEG/28.html Fol.38http://www.alternative-energiequellen.info/alternative_db/wordpress/wp-content/uploads/Fernwaerme-Kosten.pdf Fol.38

http://www.daldrup.eu/aktuelles/2011-06-16-SMC-Research-Geothermie-Kompakt-Branchenstudie-2011-Erneuerbare-Energien.pdf Fol.42, 41http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo Fol.18http://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&pa

ge=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1t:429,r:24,s:0,i:165&biw=1366&bih=636 Fol.11http://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