Geothermie M. Menacer.

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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 Enthalpie - Lagerstätten 3.3 Tiefe Geothermische Systeme

3 Gliederung 3.3.1 Hydrothermale Geothermie 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 % Restwärme aus der Zeit der Erdstehung ca % Restwärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen (Kalium - 40, Thorium - 232, Uran u. 238 sind Hauptzerfallselemente)

6 Radioaktive Zerfallsprozesse
Zerfallsreihe für: Thorium & Uran 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) Besonderer Zerfall bei Kalium 40

11 Auf Gradient eingehen

12 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

13 Erschließung von Geothermie
Durch aufzeichnen des Untergrundes

14 Erschließung von Geothermie
Durch Bohrungen

15 Tiefe Geothermie - Schema

16 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)

17 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

18 Hydrothermale Geothermie
Zurück zur Übersicht

19 Petrothermale Geothermie
Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren Zurück zur Übersicht

20 Experiment Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei unterschiedlichen Drücken siehe Arbeitsblatt

21 Experiment - Auswertung
Phasendiagramm des Wassers Erläutern

22 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

23 Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren
Schema:

24 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 % erreicht werden.

25 Kalina - Verfahren - Schema

26 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

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

28 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

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

30 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!!!

31 Vorreiter der Erdwärmenutzung

32 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

33 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

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

35 Erdwärme in Deutschland
Theoretisches hydrothermales Potenzial liegt bei schätzungsweise 1574 Exajoule = Joule = x 1018 Joule 300-Fache der jährlichen Gesamtwärmenachfrage in Deutschland

36 Kosten von Erdwärme

37 Für die Strom -u. Wärmeerzeugung (Unterhaching)
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

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

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

40 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!

41 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)

42 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

43 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

44 Quellen Fol. 4 , 5 , 12 , 16 , 17 Fol. 4, 5 Fol. 7-9 Physikbuch Seite 160 Fol.20 Fol.29 , 28 Fol Fol Fol Fol.31 Fol Fol Fol. 32 , 33 , 34 , 35 Fol Fol. 37 , 38 Fol.22 Fol.13 Fol.14

45 Quellen Fol.14 Fol.38 Fol.38 Fol.42, 41 Fol.18 Fol.19 Fol.11 Fol.23 Fol.25