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1. Gliederung 1.Was ist Geothermie? 1.1Radioaktive Zerfallsprozesse 1.2Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient 2. Erschließung von Erdwärme.

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2 Gliederung 1.Was ist Geothermie? 1.1Radioaktive Zerfallsprozesse 1.2Terrestrischer Wärmestrom und geothermischer Gradient 2. Erschließung von Erdwärme 3.Nutzung dieser Energieform 3.1Erkundung des Bodens 3.2Tiefe Geothermie - Schema 3.2.1Enthalpie - Lagerstätten 3.3Tiefe Geothermische Systeme 2

3 Gliederung 3.3.1Hydrothermale Geothermie 3.3.2Petrothermale 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 3

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 4

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) 5

6 Radioaktive Zerfallsprozesse Zerfallsreihe für: Thorium & Uran & Uran

7 7 Massenzahl

8 8

9 9

10 Radioaktive Zerfallsprozesse Kalium K 40 Ca + - ca. 89,28 % (Beta- -Zerfall) 40 K Ar ca. 10,72% (Beta+ -Zerfall) 10

11 11

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 12

13 Erschließung von Geothermie 13 Durch aufzeichnen des Untergrundes

14 Erschließung von Geothermie 14 Durch Bohrungen

15 Tiefe Geothermie - Schema 15

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) 16

17 Tiefe Geothermische Systeme Geothermie HydrothermalPetrothermal - 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 17 Warum siedet das Wasser unter Druck nicht? - Hier- Hier

18 Hydrothermale Geothermie 18 Zurück zur Übersicht

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

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

21 Experiment - Auswertung Phasendiagramm des Wassers 21

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 22

23 Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren 23 Schema:

24 Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren Ammoniak - Wasser - Gemisch Siedetemperatur von NH 3 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. 24

25 Kalina - Verfahren - Schema 25

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 26

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

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 28

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 29

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!!! 30

31 Vorreiter der Erdwärmenutzung 31

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 32

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 33

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

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

36 Kosten von Erdwärme 36

37 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 37

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! 38

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 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! 40

41 Vor - und Nachteile Vorteile: - Überragende Volllastzeit - Grundlasttauglich (unabhängig vom Wetter und der Zeit) - Konstante Strom - und Wärmeerzeugung - CO 2 - frei (solange ein geschlossener Systemkreislauf besteht) -Enormes Potenzial -Ermöglicht eine dezentrale Strom -u. Wärmeversorgung -Sehr junge Technologie (stark ausbaufähig) 41

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 42

43 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 43

44 Quellen geothermischer-gradient.htmlhttp://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/einstieg-in-die-geothermie/ursprung-geothermischer-energie-und- geothermischer-gradient.htmlFol. 4, 5, 12, 16, 17 4, 5 Fol. 7-9 Physikbuch Seite 160Fol Fol Fol an/ htmlhttp://www.ftd.de/politik/international/:wissen-island-strebt-mit-erdwaerme-unabhaengigkeit-vom-erdoel- an/ htmlFol , 33, 34, https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_daten_fakten.htmlhttps://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_daten_fakten.htmlFol. 37, Fol.14 44

45 Quellen ww.geocaching.com/seek/cache_details.aspx%3Fguid%3D5515b9d6-2f01-4e 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&hov w=317&tx=128&ty=100&page=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1t:429,r:24,s:0,i:165&biw=1366&bih=636Fol.11 rl=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=fIdvUdeoFo6 7Peu- 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.25bih=636 45


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