Geothermie – Grundlagen und Verfahren Vorlesung: Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien Geothermie – Grundlagen und Verfahren Michael Garbowski Technische Universität Braunschweig | Institut für physikalische und theoretische Chemie m.garbowski@tu-braunschweig.de Warum ist die Erde heiß? Entstehung der Erde vor 4,6 Mrd. Jahren Zusammenballen der Materie (Ekin  Einnere) Zerfall der radioaktiven Elemente (Eatom  Einnere) Differenzierung nach Dichte und Verdichtung (G  Einnere) Gezeitenkräfte Sonne und Mond (Ekin  Einnere) Aufbau der Erde Kugelähnliche Form (sehr kleines A/V - Verhältnis) Schalenmodell Kern, T = 6000 °C (innen fest, Fe+Ni, außen flüssig, Fe) Erdmantel T = 3.000 – 1.500 °C (flüssig, Silikate) Kruste T = -50 – 1000 °C, gradT = 30 °C/km (besteht zu 50 Ma.-% und zu 95 Vol.-% aus Sauerstoff in Form von z.B. Silikaten, feste Kruste wirkt als Dämmung) Nutzung der Erdwärme global Wärmebereitstellung gesamt: ca. 28 GW Stromerzeugung gesamt: ca. 11 GW (Nutzung der Erdwärme, global Quelle: BGR, Energierohstoffe, 2009) (Schalenaufbau der Erde, Quelle: gepdz.com, 2013) Oberflächengeothermie Tiefe: bis 400 m Tnutz = 10 – 20 °C gradT = 2,5 – 3,0 °C/100m Meist Wärmepumpenheizung Gebäudekühlung möglich Tiefengeothermie Petrothermale Systeme Heißes, wenig permeables Gestein wird angeschlossen Erzeugung/Aufweitung von Fließwegen im Gestein (hydraulic fracturing) Tiefe: > 4.000 m Tnutz > 150 °C Überwiegend Stromerzeugung 95 % des gesamten geothermischen Potentials in Deutschland Tiefengeothermie Tiefe Erdwärmesonden Geschlossene Systeme zur Wärmegewinnung Tiefe: 2.000 – 3.000 m Tnutz = 90 – 120 °C Direkte Wärmenutzung (evtl. mit Wärmepumpe) Nutzung der alten Bohrungen vorteilhaft (z.B. Erdgasförderbohrung) (Temperaturverlauf im Erdreich, Quelle: Umweltministerium Bayern, 2013) (Enhanced-Geothermal-System, Quelle: wikipedia.org, 2013) (TEWS in Luzern, Schweiz, Quelle: stadt-zuerich.ch, 2013) (Nutzungsmöglichkeiten der Oberflächengeothermie, Quelle: FP-Werbung, F. Flade GmbH & Co. KG) Tiefengeothermie Hydrothermale Systeme Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen Niederenthalphielagerstätten Tiefe: 1.000 – 4.500 m Tnutz = 40 -150 °C  Geothermische Heizzentrale (GHZ) Tnutz > 80 °C  Stromerzeugung mit Organic-Rancine-Cycle (ORC) Tnutz = 40 -150 °C  Stromerzeugung direkt mit Heiß- und Trockendampfvorkommen Niedrige elektrischen Wirkungsgrade Hochenthalpielagerstätten Geologische Wärmeanomalien werden angeschlossen Tiefe: < 2.000 m Tnutz > 200 °C Hohe elektrischen Wirkungsgrade sind möglich Pro & Contra Positiv Negativ Kaum THG Ausstoß Wirtschaftlichkeit bis max. 3.000 m Tiefe gegeben (heute) Unbegrenzte Energievorkommen Ineffiziente Stromgewinnung in Niederenthalpie-Lagerstätten Keine Fluktuationen wie bei Sonnen- und Windkraftwerken Mineralhaltiges, starkkorrosives Thermalwasser Effizienter Ansatz mit Wärmepumpen für Gebäudeheizung Abkühlung des Erdreichs Anschluss alter Erdgas- und Ölbohrungen, sowie verlassene Bergbaustollen möglich Erzeugung Mikroerdbeben (bei hydraulic fracturing) Quellen: Erneuerbare Energien: Innovationen für nachhaltige Energiezukunft; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; 8. Auflage, Oktober 2011. Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirschaftlichkeit, Umweltaspekte; M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese (Hrsg.), 4. Auflage, 2006, Springer. GeoDataZone, Das Lexikon der Erde, www.geodz.com. (Hydrothermale Wärmenutzung am Beispiel Neustadt-Gleve, ɳel = 0,2 MW mit ORC, ɳth = 5,5 MW, Quelle: Erdwärme-Kraft GbR)