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Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012.

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Präsentation zum Thema: "Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012."—  Präsentation transkript:

1 Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch

2 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch 1. Motivation 2. Geschichte 3. Tiefe Geothermiesysteme 4. Voraussetzungen 5. Nutzungsmöglichkeiten 6. Funktionsprinzip 7. Nutzungsgebiete und Anlagenstandorte 8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau 9. Vor- und Nachteile der hydrothermalen Geothermie 10. Beitrag des EEG und der Bundesregierung zur Geothermieentwicklung 11. Geothermieheizkraftwerk Unterhaching 12. Fazit | 2 Gliederung

3 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Weltweiter Energiebedarf steigt Fossile Ressourcen zur Energieerzeugung sind begrenzt Ausstoß von Treibhausgasen beschleunigt den Klimawandel Geothermie ist regenerative Energiequelle Kann zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden Keine Emissionen, keine Treibhausgase Umweltfreundlich | 3 1. Motivation

4 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Geothermisches Wasser, aus heißen Quellen oder natürlichen Becken, bereits von frühen Menschen genutzt 14. Jh.: erstes geothermische Fernwärmenetz in Chaudes-Aigues, Frankreich 1777: Erste industrielle Anwendung in Italien bei der Extraktion von Chemikalien (Borsäure) aus natürlichen geothermischen Manifesten 1913: Fürst Piero Ginori Conti baut erstes Geothermiekraftwerk und erzeugt damit Energie (Leistung heute: 500 MW el ) 1960: Bau des weltweit größten Projekts The Geysers in den USA (850 MW el )The Geysers 1960 – 2000: Entwicklung und Ausbau weiterer Anlagen in über 60 Ländern Aktuell: weltweit MW geothermische Kapazitäten installiert (Stand: Mai 2012) | 4 2. Geschichte

5 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch | 5 3. Geothermiesysteme

6 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Hydrothermale Systeme - Wasserführende Schicht in – Meter Tiefe - Hochenthalpie-Lagerstätten (Lagerstätten mit aktivem Vulkanismus) - Niederenthalpie-Lagerstätten (Lagerstätten in nichtvulkanischen Gebieten) Petrothermale Systeme - Bis 6000 Meter Tiefe - Im Gestein gespeicherte Energie - Wenig bis kein Wasservorkommen, daher i.d.R. Hot-Dry-Rock Verfahren Tiefe Erdwärmesonde - Geschlossener Kreislauf eines Wärmeträgermediums (H 2 O, NH 3, CO 2 ) - Beliebig tiefe Bohrung möglich - Wärmegewinnung möglich | 6 3. Tiefe Geothermiesysteme

7 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch | 7 4. Voraussetzungen Wasser- /Dampfführende Gesteinsschicht Hohe Förderrate Hohe Permeabilität und DurchlässigkeitPermeabilität und Durchlässigkeit Sedimentgesteine i.d.R. höhere Permeabilität (z.B.Sandstein, Kalkstein, etc.) als kristalline Gesteine (Granit) Hohe geothermische Gradienten (2,5 bis 3,5 °C pro 100 m Tiefenzunahme) Für Stromerzeugung Thermalwasser von über 100 °C nötig Durchlässigkeitsbeiwert k f und Permeabilität K k f : Durchlässigkeitsbeiwert in ms -1 Q: Volumenstrom in m 3 s -1 i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m 2 K: Permeabilität in m 2 μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser

8 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Hydrothermale Geothermie kennt zwei unterschiedliche Wärmequellen: Thermalwasserfelder - Heißwasser-Aquifere (Grundwasserleiter) Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen - Dampfvorkommen unter hohem Druck - Temperatur: bis 250 °C - Geologische Bedingungen in Deutschland nicht gegeben - Dampf kann direkt in Turbine entspannt werden, kein Einsatz von Seperator und Arbeitsfluid nötig | 8 5. Nutzungsmöglichkeiten

9 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Direkte Wärmenutzung Temperatur: 20 – 150 °C Einsatz von Wärmetauschern Bei niedrigeren Temperaturen: Einsatz von Wärmepumpen Nutzung in Thermalbädern, Fernwärmenetz Flash-Kraftwerk zur Heißwassernutzung Ab 150 °C heißer Wasserdampf wird im Flash-Kraftwerk direkt in Turbine entspanntFlash-Kraftwerk Binärkraftwerk bei aggressiven Thermalwässern oder niedrigem Druck ORC-Kraftwerk Kalina-KraftwerkORC-KraftwerkKalina-Kraftwerk Stromerzeugung ab 80 °C Stromerzeugung unter 100 °C Wärmeübertragung auf organisches Arbeitsmedium: Ammoniak- Arbeitsmedium Wasser-Gemisch heute: z.B.: n-Pentan, früher: R11, R12 Nachteil: NH 3 ist basisch, giftig Wirkungsgrad: 8 – 13 % weltweit wenige Anlagen höherer Wirkungsgrad als ORC | 9 5. Nutzungsmöglichkeiten

10 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Stromerzeugung und Wärmenutzung durch Binärkraftwerk Förderbohrung und Injektionsbohrung in wasserführender Schicht Thermalwasser steig bis ca. 200 m unter GOK Tauchpumpe fördert Thermalwasser Wärmetauscher entnehmen Wärme des Thermalwassers Wärme wird zur Stromproduktion und für Fernwärmenetz genutzt Thermalwasser wird über Injektions- bohrung in die Tiefe gepumpt Thermalwasser erwärmt sich wieder bis es die Förderbohrung erreicht Abgeschrägte Bohrungen um geo- thermischen Kurzschluss zu vermeiden Thermalwasserkreislauf | Funktionsprinzip

11 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Flash-Kraftwerk zur Heißwassernutzung Förder- und Injektionsbohrung Verdampfung des Thermalwasser während Förderung (Druckabfall von 0,1 bar/m) Seperator trennt Nassdampf in flüssige und gasförmige PhaseSeperator Zentrifugalkraft presst Flüssigkeit nach außen, wird in Injektionsbohrung gepresst Entspannung des Trockendampfs in Turbine Nach Turbine Kondensation über Kühlung (Trockenkühler oder Kühlturm) und Verpressung in Injektionsbohrung oder entlassen des Dampfs in Atmosphäre | Funktionsprinzip

12 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Geschlossener Thermalwasserkreislauf Hoch aggressives Wasser Hoher Salzgehalt Gelöste Gase ( CH 4, N 2, H 2 S,) Rohrbeschichtung: Chromlegierungen, Epoxidharze Flash-Anlage: Turbine mit aggressiven Stoffen in Kontakt begrenzte Lebensdauer Durch Wasserkreislauf wird der Aquifer hydraulisch nicht erschöpft maximale Entnahmemenge ohne Kreislauf: 3 L/s (bei balneologischer Nutzung) Permanenter Druck von 15 – 20 bar | Funktionsprinzip

13 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Hohe hydrothermale Energie- ressourcen im Norddeutschen Becken, Oberrheingraben und Molassebecken Potentielle hydrothermale Vor- kommen im Thüringer Becken und der Süddeutschen Senke Rot eingezeichnete Gebiete eignen sich für die geothermische Strom- erzeugung Gelb eingezeichnete Gebiete eignen sich für direkte Wärme- nutzung mit Wärmetauscher | Nutzungsgebiete und Anlagenstandorte

14 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Große Anlagenzahl im Molasse- becken, besonders in und um München Große Zahl ungenutzter Standorte (teilweise ist Bohrung eingestürzt oder es wurde Öl gefunden) 19 Standorte in Betrieb (Stand: 2012)19 Standorte in Betrieb - 18 nutzen hydrothermale Geothermie - 1 nutzt Sonde - 185,3 MW Wärmeleistung - 7,31 MW Elektrische Leistung Mehr als 150 Thermalbäder (wegen der Übersicht nicht aufgeführt) Tiefste Momentan betrieben Boh- ung: Horstberg mit 3920m | Nutzungsgebiete und Anlagestandorte

15 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Förder- und Injektionsbohrung Pumpenhaus Wärmetauscher Vorerhitzer und Verdampfer Turbine Trockenkühler (alternativ: Kühlturm) Anschluss an Fernwärmenetz | Anlagenaufbau am Beispiel Landau

16 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Förderbohrung Blau Reinjektionsbohrung Rot | Anlagenaufbau am Beispiel Landau

17 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Wärmetauscher Vorerhitzer und Verdampfer | Anlagenaufbau am Beispiel Landau

18 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Turbine in der Mitte Generator im weißen Blechkasten rechts Vorderes Grünes Rohr: Dampfweiterleitung zum Trockenkühler | Anlagenaufbau am Beispiel Landau

19 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch | Vor- und Nachteile PROCONTRA Dauerhaft zur Verfügung stehende Energiequelle Gute CO2-Bilanz Strom- und Wärmegewinnung Unabhängig von Witterung, Tages- und Jahreszeit Gesamtbilanz von eingesetzter zu gewonnener Energie ist positiv Keine bis nur geringe Umweltbelastung Preisstabil Relativ Geräuscharm Regelung durch TA Lärm (für Wohngebiete: Nachts 40 dB) direkt an Anlage: 70 dB (Lärm eines Rasenmähers) in 600 Metern Entfernung: 40,2 dB (Brummen eines Kühlschranks) Aufwendige Vorarbeiten (seismo- akustische Vermessung, Bohrung, etc.) In Deutschland nur in großen Tiefen und örtlich beschränkt (z.B Oberrheingraben) Externe Energiezufuhr für Wärmepumpen notwendig Erdbebengefahr geringer Stärken nach Bohrungen möglich (z.B.: Landau im September 2009) Nur wirtschaftlich, wenn Netz großer Wärmenachfrager gegeben ist (z.B.: Industrie, Großstädte) Fündigkeitsrisiko (geringe Temperatur, unzureichende Wasserförderrate) relativ hoch Geringer Wirkungsgrad von 8 – 13 % für die Stromerzeugung (bei ORC- Prozess) Hoher Platzbedarf (mehrere hundert m²)

20 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Investitionsvolumina von mehreren Millionen Euro Großteil entfällt auf Bohrungen Kosten für Backup-Systeme entfallen Zusätzliche Wartungs- und Reperaturkosten, falls aggressive Thermalwässer gefördert werden | Vor- und Nachteile - Kosten

21 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Bundesregierung Förderung jeder Projektbohrung mit bis zu 5 Millionen Euro Förderung sonstiger geothermischer Anlagen mit bis zu 2,5 Millionen Euro Bundeseigene KfW-Bank finanziert bis zu 10 Millionen Euro KfW-Bank finanziert 80% der förderfähigen Kosten wenn Bohrung schief geht Bundesregierung hat also großes Interesse an Erdwärmenutzung Erneuerbare Energien Gesetz Max. 25 Cent/kWh Vergütung für Strom aus Geothermie Zum Vergleich: max. 21,11 Cent/kWh für Strom aus solarer Strahlungsenergie max. 12,70 Cent/kWh für Strom aus Wasserkraft 4,87 Cent/kWh für Strom aus Windkraft | Beitrag des EEG und der Bundesregierung zur Geothermieentwicklung

22 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG Geothermisches Heizkraftwerk Investitionsvolumen: 90 Mio. Förderung: ca. 37 Mio. Amortisation: ca. 15 Jahre Bauzeit: 7 Jahre 2009 in Betrieb gegangen Thermalwasser: 122 °C Förderrate: 150 l/s Leistung: 38 MW th 3,36 Mw el Stromproduktion: ca. 7 GWh Wärmeproduktion: ca. 73 GWh Stromerzeugung: Kalina-Prozess Angeschlossen an Fernwärmenetz CO2-Einsparung: t (2011) Vergleich: Strom aus Atomkraft: 0,032 t CO2/MWh Strom aus Kohlekraftwerk: 1,153 t CO2/MWh | Geothermieheizkraftwerk Unterhaching

23 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Umweltschonend und sauber Geothermisches Potential in Deutschland noch nicht ausgeschöpft Kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten Einsatz eher für lokale Versorgung von kleineren Städten Kein großtechnischen Anlagen wie zum Beispiel in den USA möglich | Fazit

24 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch [1] Internetseite des geothermischen Informationssystems: [2] Internetseite des Energieinformationsdienst BINE: geothermie/ [4] Internetseite über Geothermie: [5] Internetseite GtV Bundesverband Geohtermie: [6] Internetseite des Geothermiestandorts Pullach: [7] Internetseite des EEG: [8] Firat Uygur: Tiefe Erdwärmenutzung am Beispiel eines Geothermiekraftwerks in der Türkei E-Book-Link [9] Internetseite: Bayrisches Landesamt für Umwelt [10] Geothermal Energy Association: International Market Overview Report May [11] Internetseite des Geohtermieheizwerks Unterhaching: https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_home.html | 24 Quellenverzeichnis

25 Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch Oberflächennahe Geothermie - Wenige Meter bis max. 400 Meter Tiefe - Nur Wärmenutzung möglich - Kollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle oder Wärmebrunnenanlagen - Mit Wärmepumpe für Heizzwecke nutzbar - Ohne Wärmepumpe zur Kühlung nutzbar Saisonale Wärmespeicher - Nutzung oberflächennahen Temperaturniveaus zu Heizzwecken im Winter - Im Sommer Regenerierung des Temperaturniveaus Geothermie aus Tunneln - Nutzung des warmen austretenden Tunnelwassers (ca. 30 °C) - Kollektoren in die Betonfertigteile der Tunnelschale eingebaut - Für Fernwärmenetz nutzbar Geothermie aus Bergbauanlagen - Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten (60 – 120 °C) | Weitere Geothermienutzungsmöglichkeiten


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