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Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Michael Garbowski, 28.06.2013 Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien:

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Michael Garbowski, Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien: Geothermie – Grundlagen und Verfahren

2 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 2 Inhalt 1.Warum ist die Erde heiß? I.Energie aus Urzeit II.Aufbau der Erde 2.Zum Mittelpunkt der Erde! I.Bohrverfahren II.Wissenschaftliche Bohrungen 3.Wie wird die Erdwärme genutzt? I.Oberflächengeothermie II.Tiefengeothermie i.Hydrothermale Systeme ii.Petrothermale Systeme iii.Tiefe Erdwärmesonden 4.Pro & Contra

3 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 3 Warum ist die Erde heiß? - Energie aus der Urzeit 1. Entstehung der Erde (vor 4,6 Mrd. Jahre) Kinetische Energie Innere Energie 2. Zerfall der radioaktiven Elemente ( 238 U, 232 Th, 40 K) Atombindungsenergie Innere Energie 3. Dichteunterschied der Elemente Gravitatonsenergie Innere Energie 4. Gezeitenkräfte (Sonne, Mond) Bewegungsenergie Innere Energie FeO2O2 SiMgSNiCaAlRestC 32,1 %30,1 %15,1 %13,9 %2,9 %1,8 %1,5 %1,4 %1,2 %0,017 % Abb. 1: Junge Erde, Illustration (Spiegel.de, 2013). Elemente der Erde [in % der Erdmasse]:

4 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 4 Warum ist die Erde heiß? – Aufbau der Erde Kugelähnliche Form Das kleinste A/V-Verhältnis (R=6.300km) Schalenmodell: Kern: Innen: Fe+Ni, fest, ρ = 10 g/cm³, T = – °C Außen: Fe, flüssig, ρ = 10 g/cm³, T = – °C Erdmantel: Unterer Mantel: Magnesium-Eisen-Silikate, flüssig, ρ = 3,5 – 5 g/cm³, T = – °C Oberer Mantel: Silikate + Oxide, zähplastisch, ρ = 3,5 – 5 g/cm³, T = – °C Erdkruste: Silikate, fest, 50 % der Masse O 2 (95 Vol.-%) ρ = 2 – 3,5 g/cm³, T(60 km) = °C gradT = 5 – 80 °C/km (i.w.M. 25 °C/km) Ozeanische Kruste: H = 8 km (i.w.M.) Kontinentale Kruste: H = 35 km (i.w.M.) Abb. 2: Schalenaufbau der Erde (geodz.com, 2013).

5 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 5 Zum Mittelpunkt der Erde! – Bohrverfahren Tiefe: Flachbohrung, bis 500 m Tiefbohrung, bis m Übertiefe Bohrung, > m Raumlage: Vertikalbohrung Horizontalbohrung Schrägbohrung Art der Gesteinszerstörung: Vollbohrung (gebrochener Gestein) Kernbohrung (zylindrischer Gesteinskörper - Bohrkern) Abb. 4: Rotary-Bohrverfahren: (1)Saugtank; (2)Rotary-Spülpumpe; (3)Steigleitung; (4)Spülschlauch; (5)Spülkopf; (6)Kelly; (7)Bohrgestänge; (8)Schwerstangen; (9)Bohrwerkzeug; (10)Preventer; (11)Drehpreventer; (12)Schüttelsieb; (13)Drehtisch; (14)Kompressor; (15)Rückschlagventil; (16)Austragschlauch (geodz.com, 2013). Abb. 3: Bohrkopf (fotos- informationen.de/tiefbohrung, 2013).

6 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 6 Zum Mittelpunkt der Erde! – Wissenschaftliche Bohrungen Tiefste Bohrung , Halbinsel Kola in Russland (H Kruste = 30 km), m, T = 180 °C Natürlicher Wärmestrom ca. 70 kW/km² Kontinentale Tiefbohrung (KTB) , Windscheschenbach in Oberpfalz m, T = 265 °C Abb. 6: Geothermischer Gradient, KTB (geodz.com, 2013). Abb. 5: Wärmestromdichte, Kola-Bohrung (geodz.com, 2013). KTB: TU Braunschweig entwickelte Dreiachs- Hochtemperaturbohrlochmagnetometer, zur Messung des Erdmagnetfeldes im Bohrloch, Einsatz bei T max = 300 °C, p max = bar!

7 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 7 Wie wird die Erdwärme genutzt? Erdwärme Oberflächengeothermie Tiefengeothermie -Hydrothermale Systeme -Petrothermale Systeme -Tiefe Erwärmesonden Wärme Strom Wärme Hochenthalpielagerstätten Niederenthalpielagerstätten Strom Wärme

8 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 8 Oberflächengeothermie -Tiefe bis ca. 400 m -T nutz = 10 – 20 °C -Meist Wärmepumpenheizung (ε = 3,5 – 6,0) -Gebäudekühlung möglich Abb. 7: Temperaturverlauf im Erdreich (Umweltministerium Bayern, 2013). Abb. 8: Wärmepumpennutzung: (1)Verdampfer; (2)Kompressor; (3)Kondensator; (4)Expansionsventil (Umweltministerium Bayern, 2013). gradT = 2,5-3,0 °C/100 m

9 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 9 Tiefengeothermie – Hydrothermale Systeme Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen Niederenthalpie-Lagerstätten Tiefe: bis m T nutz = 40 – 150 °C Geothermische Heizzentralen (GHZ) T nutz > 80°C Stromerzeugung über Sekundärkreislauf mit Organic-Rankine-Cycle, ɳ el,max = 8-12 % (z.B. GKW Landau, ɳ el = 5 MW) T nutz > 150 °C Stromerzeugung, direkt mit Heiß- und Trockendampfvorkommen Stromerzeugung, indirekt über Sekundärkreislauf Abb. 9: Hydrothermale Wärmenutzung am Beispiel der Neustadt-Gleve, ɳ el = 0,2 MW, ɳ th = 5,5 MW (Erdwärme-Kraft GbR).

10 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 10 Tiefengeothermie – Hydrothermale Systeme Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen Hochenthalpie-Lagerstätten Geologischen Wärmeanomalien werden angeschlossen: Hohe Temperaturen (> 200 °C) in geringen Tiefen (< m) Hohe elektrischen Wirkungsgrade möglich BSP: Nesjavellir-Kraftwerk, Island 10 Bohrlöcher (Tiefe: – m) T nutz = 380 °C Pel = 120 MW Pth = 300 MW Energiereserven: 30 Jahren, danach Abnahme der Leistung Investitionskosten: ca. 190 Mio. US$ Abb. 11: Nesjavellir-Kraftwerk, Island (wikipedia.org, 2013). Abb. 10: Nesjavellir-Kraftwerk, Island, Lage (wikipedia.org, 2013).

11 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 11 Tiefengeothermie – Petrothermale Systeme Heißes, wenig permeables Gestein wird angeschlossen Verfahren: Hot-Dry-Rock (HDR) Hot-Wet-Rock (HWR) Hot-Fractured-Rock (HFR) Enhanced-Geothermal-System (EGS) Erzeugung / Aufweitung der Fließwege im Gestein durch eine hydraulische Simulation Injektions- und Produktionsbohrung Injektion von Wärmeträgermedium (Wasser, CO 2 u.ä.) Tiefe: ab m T nutz > 150 °C Überwiegend Stromerzeugung 95 % des gesamten geothermischen Potentials in Deutschland Abb. 12: HDR-Verfahren (wikipedia.org, 2013).

12 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 12 Tiefengeothermie – Tiefe Erdwärmesonden Ein geschlossenes System zur Wärmegewinnung Tiefe: – m T nutz = 90 – 120 °C Direkte Wärmenutzung Bei kontinuierlichem Bedarf Anschluss an Wärmepumpe notwendig Nutzung der alten Bohrungen (z.B. Öllagerstätte) Abb. 13: TEWS in Luzern, Schweiz (stadt-zuerich.ch, 2013).

13 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 13 Pro & Contra Wärmebereitstellung gesamt: ca. 28 GW Stromerzeugung gesamt: ca. 11 GW Abb. 14: Nutzung der Geothermie, global (BGR, Energierohstoffe, 2009). PositivNegativ Kaum THG Ausstoß Wirtschaftlichkeit bis max m Tiefe gegeben (heute) Unbegrenzte Energievorkommen Ineffiziente Stromgewinnung in Niederenthalpielagerstätten Keine Fluktuationen wie bei Sonne und Wind Mineralhaltiges, starkkorrosives Thermalwasser Effizienter Ansatz mit Wärmepumpen für Gebäudeheizung

14 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 14 Tiefengeothermie in Braunschweig? Geothermisches Informationssystem für Deutschland (http://www.geotis.de) Abb. 15: Isothermen, Vertikaler Schnitt in Braunschweig (geotis.de, 2013).

15 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

16 28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 16 Quellen GeoDataZone, Das Lexikon der Erde, Wikipedia, wikipedia.org GtV, Bundesverband Geothermie, Geothermisches Informationssystem für Deutschland, Focus online, Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR), Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirschaftlichkeit, Umweltaspekte; M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese (Hrsg.), 4. Auflage, 2006, Springer. Erneuerbare Energien: Innovationen für nachhaltige Energiezukunft; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; 8. Auflage, Oktober 2011.


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