Geothermische Energie von Stefan Seifert

Gliederung Allgemeines zur Geothermie Verschieden Arten der Geothermie Oberflächennahe Geothermie Tiefe Geothermie Modell Island Quellen

Allgemeines Geothermie (Erdwärme)  die im zugänglichen Erdmantel gespeicherte Wärme Kann als regenerative Energiequelle direkt oder indirekt genutzt werden Beeindruckende geothermische Phänomene rund um den Globus (Island, Hawaii, Philippinen,….)

Schon von den Römern in Thermalbädern genutzt WOHER??

Aufbau der Erde Die Erde ist im Inneren warm! Sie strahlt über ihre Oberfläche Energie ab (0.063 W/m2) Bis 10km Tiefe sind ca. 1026 Joule gespeichert (100 Quadrillionen Joule!!!) 210.000 fache des Primärenergieverbrauchs 2004

Ursachen der Erdwärme Gespeicherte Energie aus der Entstehungszeit der Erde; dazu zählt auch Kristallisationswärme aus dem Phasenübergang flüssig  fest (ca. 50% des Wärmestroms) Wärme durch Radioaktive Prozesse im Erdinneren; Zerfall radioaktiver Elemente wie etwa Uran und Thorium (ca. 50% des Wärmestroms) Oberflächennahe Wärme durch Sonneneinstrahlung

Geothermische Tiefenstufe = Steigung der Temperaturkurve Ca. alle 33m steigt die Temperatur um 1 K Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen Allerdings: Große regionale Abweichungen

Geothermische Tiefenstufe = Steigung der Temperaturkurve Ca. alle 33m steigt die Temperatur um 1 K Essentiell für die Planung geothermischer Anlagen Allerdings: Große regionale Abweichungen

Die oberflächennahe Geothermie In den oberen Erdschichten (bis etwa 10m) nahezu konstante Temperatur (entspricht nahezu Jahresmitteltemperatur in Deutschland; 7-10°C) Zu niedrig für direkte Nutzung > Wärmepumpen nötig Wärme direkt mittels Grundwasser oder indirekt über Erdsonden zur Wärmepumpe geführt

Die Wärmepumpe Wärme wird von einem niedrigerem Temperaturniveau zu einem höheren Temperaturniveau „gepumpt“ Wärme fließt nur von warm nach kalt? > Arbeit nötig!! Gute Wärmepumpe benötig ein Viertel der Wärmemenge die angehoben werden soll als Energie für die zu verrichtende Arbeit

Schema einer Wärmepumpe

Zurzeit in ca. 115.000 Haushalten eingesetzt!! Einsatz in Häusern Zurzeit in ca. 115.000 Haushalten eingesetzt!! Ca. 2TW Wärme Horizontale Anordnung Fläche abhängig von gewünschter Leistung Vertikale Anordnung Bis zu 100m tief

Fazit zur oberflächennahen Geothermie Großes Potential zum Heizen und Kühlen (Umkehrung der Wärmepumpe) überall möglich Bis zu 60% Engergieeineinsparung gegenüber herkömmlichen Heizungen Optimal in Kombination mit einer Solaranlage  Regeneration der gespeicherten Wärme im Sommer Allerdings: Hohe Anschaffungskosten (bis zu 8500€ für die Anlange und 5500€ für die Erschließung)  Subventionen und günstige Kredite (KfW)

Die Tiefe Geothemie Bohrlöcher bis ca. 6000m  Temperaturen von bis zu 200°C Bei allen Systemen dient Wasser zur Wärmeübertragung 3 verschiedene Systeme, abhängig von der Bodenbeschaffenheit Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme Erdsonden Nicht überall möglich (Geologische Bedingungen)

Übersichtskarte Deutschland

Hydrothermale Systeme In der Tiefe sind große Vorräte von warmen Wasser vorhanden  Aquifere Dieses Wasser muss lediglich über eine Bohrung zu einem Wärmetauscher gefördert werden Anschließend wird das Wasser reinjiziert

Skizze hydrothermales System Die Wärme kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden und zur Stromerzeugung genutzt werden Kraftwärmekopplung Wirtschaftlichkeit abhängig von Temperatur und maximal möglicher Durchflussmenge

Beispiel hydrothermales System Landau (seit 2007) Zwei ca. 3000m tiefe Bohrung 160°C Wassertemperatur 3MW elektrische Leistung (OCR Kraftwerk) 6-8MW Wärmeleistung

Wärme Potential durch hydrothermale Systeme Ca. der 100fache Bedarf an Jahreswärme ist technisch realisierbar PROBLEM: Wärme lässt sich schlecht über größere Strecken transportieren Nur etwa ein Viertel des Jahresbedarfs an Wärme könnte durch hydrothermale Systeme gedeckt werden Wärmenutzung wieder Standortabhängig

Petrothermale Systeme Kristallines, heißes Gestein in der Tiefe ( Hot-Dry-Rock) In der Tiefe wird durch Druck oder Säure ein Netz von Rissen erzeugt (Stimulation) Durch dieses Netz wird Wasser aus einer Injektionsbohrung zu einer Förderbohrung gedrückt Das Wasser entnimmt die Wärme aus dem Gestein Problem: Gefahr von Erdbeben, Destabilisierung des Untergrundes

Deep Heat Mining Basel Start 2005 mit Explorationsbohrung auf 2700m Ziel: 200°C heißes Wasser wie in einem Durchlauferhitzer (in ca. 5000m Tiefe) Am 8. Dezember sollte durch Druck die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht werden Am selben Tag kam es zu einem Beben der Stärke 3,4 auf der Richterskala Projekt gestoppt, bis heute Diskussion über Fortsetzung

Wärmepotential Petrothermaler Systeme Keine Prozesswärme, lediglich zu wärmen von Wohnungen und Anlagen nutzbar Theoretisch bis zu 1200 Exajoule pro Jahr Aber: Tiefe durch ökonomische Überlegungen begrenzt (~3000m) Hindernisse durch Infrastruktur Nähe zum Abnehmer 2 Exajoule pro Jahr möglich (2*10^18J/a=63,42GW) Kleine Rechnung: 63,42 GW / 4MW pro Anlage = 15955 Anlagen

Elektrisches Potential tiefer Geothermie Eingeschlossene Fläche = Nutzbare Wärmemenge Rot: Konventionelles Kraftwerk Grün: Geothermie Kraftwerk PROBLEM: Wasser nicht geeignet für solch niedrige Temperaturen (<175°C)

Anlagentechnik Abhilfe durch 2 mögliche Verfahren ORC Kreisprozess statt Wasser Organischer Wärmeträger Umweltproblematisch (n-Perfluoro-Pentan C5F12) Kalina Kreisprozess Wasser-Amoniak Gemisch zur Erhöhung des Dampfdruckes

Fazit elektrisches Potential Möglich aber aufwendige (= TEURE) Anlagentechnik Bei geringen Temperaturen nur etwa 10% der Wärme in Strom wandelbar Dennoch: 65% des Stroms könnte geothermisch erzeugt werden (10,5 GW)

Erdsonde Geschlossenes System in dem Wasser zirkuliert Wesentlich geringere Leistungen als die anderen Systeme (kW Bereich) Auch für Innenstädte geeignet mit entsprechender Bohrtechnik

Beispiel: Super C in Aachen 2544m tiefe Bohrung, die zum Heizen und Kühlen des Gebäudes genutzt wird Temperaturen bis ca. 90°C

Probleme bei tiefer Geothermie Vorerkundung kostspielig, keine sicheren Daten möglich Kosten pro Bohrmeter zwischen 1000 und 2000€ daher eventuelle zu geringe Temperatur im Betrieb Wirtschaftlichkeit der Anlage in Gefahr

Vorteile von tiefer Geothermie Grundlastfähig, d.h. Wetter und Tageszeit unabhängig Regenerativ / nach menschlichen Maßstäben nicht erschöpfbar Spart CO2 ein

Stand in Deutschland Zurzeit an 50 Standorten realisiert, bzw. im Bau Unterhachingen, Landau, Neustadt-Glewe, Offenbach, Groß Schönebeck,….. Dennoch im Großen und Ganzen noch ein Schattendasein Bis zu 150 weitere Anlagen geplant

Modell Island 79,7 PJ (79,7*10^15J) an Energie durch Erdwärme pro Jahr Entspricht 53% der benötigten Primärenergie 90% aller Haushalte werden durch Erdwärme geheizt 19% des benötigten Stromes aus 5 Kraftwerken ( bis zu 100MW elektrische Energie und 300MW Wärme pro Kraftwerk)

Geologie Islands

Fazit Günstige Lage optimal genutzt Zusammen mit Wind und Wasser 99% der Energie aus regenerativen Quellen Allerdings: Primärenergieverbrauchs Islands : 150PJ Primärenergieverbrauchs Deutschlands: 13842PJ

„Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen…“ Grundgesetz Artikel 20a

Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermie http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/41616.php Broschüre „Tiefe Geothermie in Deutschland“ http://www.bd.bs.ch/geothermie.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Projekt_Deep_Heat_Mining http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermale_Energie_in_Island http://www.geothermie.de/oberflaechennahe/geothermie_report_2k1 /moeglichkeiten_und_perspektiven_d.htm Script: Allgemeines Maschinenwesen im Anlagenbau

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!