-Grundlage zu Erschließung des geothermischen Energien- Geologie -Grundlage zu Erschließung des geothermischen Energien-

Gliederung 1.1 Definition Geologie 1.2 Erdentstehung 1. Geologie 1.3 Erdaufbau und Platentektonik 1.4 Mineralien und Gesteine 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Gliederung 2. Geothermie 2.1 Geothermische Energie 2.2 Geothermische Systeme/Verfahren 3. Geologie und Einsatzmöglichkeiten von Geothermie in Deutschland 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1. Geologie Abb. 1: Gipstagebau 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1.1 Definition Geologie „Geologie: (griechisch) „Erde“ und „Lehre“, ist die Wissenschaft vom Aufbau, von der Zusammensetzung und Struktur der Erde, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrer Entwicklungsgeschichte, sowie der Prozesse, die sie formten und auch heute noch formen. Abweichend von der eigentlichen Bedeutung verwendet man das Wort auch für geologischen Aufbau.“ (Quelle: GtV-2013 a) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 2: Erdentstehung (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri Abb. 2: Erdentstehung (Quelle: Stuth-2009, verändert)

1.3 Erdaufbau und Plattentektonik Abb. 3: Schalenaufbau der Erde (Quelle: GtV-2013 b und Energiewelten-2013 c, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1.3 Erdaufbau und Plattentektonik Abb. 4: Konvektionsströme als Grundlage für die Plattentektonik (Quelle: Tarbuk,Lutgens-2009, S. 402) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 5: Kontinentalplatten (Quelle: Stuth-2009, verändert) 1 Eurasische Platte 2 Philippinische Platte 3 Juan-de-Fuca-Platte 4 Pazifische Platte 5 Cocos-Platte 6 Indisch-Australische-Platte 7 Nazca-Platte 8 Nordamerikanische Platte 9 Anatolische (Ägäische) Platte 10 Antarktische Platte 11 Karibische Platte 12 Südamerikanische Platte 13 Afrikanische Platte 14 Somalische Platte 15 Arabische Platte 1 8 3 9 15 2 11 4 5 13 14 7 12 6 10 Abb. 5: Kontinentalplatten (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 6: Divergierte Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert) a) divergierende Plattengrenzen ozeanische Kruste kontinentale Kruste 3 b Seafloor-Spreading Riftvorgang 11 1 Mittelatlantischer Rücken 2 Ostpazifischer 3 Ostafrikanisches Rift-Valley 4 Golf von Kalifornien 7 4 1 3 2 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri Abb. 6: Divergierte Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert)

Abb. 7: konvergierende Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert) 3 Gebirgsbildung Tiefseerinne/-graben Inselbogen 11 1 Himalaya (a) 2 zirkumpazifischer Feuerring (b) 3 japanischer Inselbogen (c) 1 3 2 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri Abb. 7: konvergierende Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert)

Abb. 8: Transformationsstörung (Quelle: Stuth-2009, verändert) c) Transformstörungen 3 11 Abb. 8: Transformationsstörung (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1.4 Minerale und Gesteine gesteinsbildende Minerale sind: Oxide - Silikate/Silicate Bsp. Quarz, Tonminerale Oxide Bsp. Hämatit, Korund Karbonate/Carbonate Bsp. Calcit, Dolomit - Sulfide Bsp. Pyrit - Sulfate Bsp. Schwerspat, Gips, Anhydrit Silikate SiO4, Oxide Fe2+ /Fe3+, Carbonate CO3, Sulfide S², Sulfate SO4 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 9: Kreislauf der Gesteine (Quelle: Stuth-2009, verändert) 1.4 Minerale und Gesteine Vulkanite=Extrusivgestein, Subvulkanite=Ganggestein, Plutonite=Tiefengestein Abb. 9: Kreislauf der Gesteine (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1.4 Minerale und Gesteine Tabelle 1: Gesteinsherkunft (Quelle: Schuhmann-1977, verändert) Magmatite Sedimente Metamorphite Vulkanite (Ergussgestein) -Bimsstein -Basalt -Trachyt -Tuffe klastische Sedimente (phy.) -Sandstein -Konglomerate -Sand, Ton, Schotter, Kies, Schluff Paragestein (aus Sedimenten) -Schiefer (aus Ton) -Marmor (aus Kalkstein) biogene Sedimente -Kohle -Kalkstein/Kreide -Dolomit Subvulkanite (Ganggestein) Orthogestein (aus Magmatiten) -Gneis Plutonite (Tiefengestein) -Granit -Diorit -Gabbro Chemische Sedimente -Gips, Anhydrit -Steinsalz 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

1.4 Minerale und Gesteine Hydrogeologie Abb. 10: Aquifere und deren Trägergestein (Quelle: Stuth-2011, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 11: Aquifere (Quelle: BMU-2011, unv.) 1.4 Minerale und Gesteine Abb. 11: Aquifere (Quelle: BMU-2011, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2. Geothermie 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.1 Geothermische Energie ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie 30% der Energien stammten direkt aus dem heißen Erdkern und 70% durch den ständigen radioaktiven Zerfall im Erdmantel und Erdkruste nimmt mit zunehmender Erdtiefe zu in Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe zu (regionalen Unterschieden) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.1 Geothermische Energie im Erdkern Temperaturen von etwa 5.000 - 7.000 °C die in der Erde gespeicherte Wärme ist nach menschlichen Existenz unerschöpflich Nutzdauer einer tiefengeothermischen Lagerstätte ist auf etwa 20-30 Jahre begrenzt und benötigt mehreren hundert Jahren zur Regeneration (somit bedingt regenerative Energie) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.1 Geothermische Energie Wärmemenge resultiert aus: aus der Erdentstehung aus dem radioaktiven Zerfall (Uran-,Thorium-, u. Kalium-Isotopen) in der Erdkruste und Erdmantel Wärmestrom durch Magmabewegung (Konvektionsströme) und Wasserreservoir Synonyme für Geothermische Energie lauten Erdwärme bzw. Geothermie 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.1 Geothermische Energie Unterscheidung der Geothermie in Oberflächennahe und Tiefe Geothermie weiter Unterscheidung der Tiefe Geothermie in Hydrothermale (Wärme aus Wasser) und Petrothermale (Wärme aus Gestein) Systeme Neben erneuerbaren Energien wie Windkraft, Wasserkraft, Biomasse und Solarenergie ist die geothermische Wärmeenergie zunehmend aktraktiver, da sie bezogen auf die menschliche Existenz scheinbar unerschöpflich vorhanden ist. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.3 Geothermische Systeme/Verfahren Tabelle 2: Verfahren der oberflächennahen Geothermie Oberflächennahe Geothermie (≤ 400 m Tiefe) (8-15°C) (siehe VDI 4640) vertikale Erdwärmesonde -ca. 50 m Tiefe -wassergesättigte Lockergestein erforderlich -geschlossenes System mit Kältemittel -Einspeisung von Überschusswärme möglich -für Wärme- u. Kältegewinnung/-speicherung Brunnen -fließendes Wasser in Porenräumen von Lockergestein erforderlich -direkte Wärmeaustausch mit Grundwasser mittels Duplette -Duplette besteht aus Förder- und Infiltrationsbrunnen -für Wärme- und Warmwassergewinnung horizontale Erdkollektor -ca. 1-2m Tiefe -Erschließung der solaren Wärme aus oberen Bodenschicht Geschlossenes System mit Kältemittel -für Wärmegewinnung 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abbildung 13: Erdwärmesonden (Quelle: GtV-2013 b, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

2.3 Geothermische Systeme/Verfahren Tabelle 3: Verfahren der Tiefe Geothermie Tiefe Geothermie (> 400 bzw. >1.000 m bis ca. 5.000 m Tiefe) (>20 bzw. >60°C) (Hydrothermale Systeme) -ca. 2.000 m Tiefe (Temperaturbereich von 0-100°C ggf. bis 245°C) ->20m mächtiges poröse permeables Gestein mit Zuflussraten >50m³/h erforderlich -Thermalfelder (>20°C), Nassdampffelder (>100°C), Heißdampffelder (125-245°C) -für thermale Bäder, Fernwärme, Stromerzeugung (>100°C) Tiefenwärmesonden (Petrothermale System) ->2.500 m Tiefe (>100°C) -für beliebe Gesteinsabfolge -geschlossenes System mit Trägermedium in den Sonden -Fehlbohrung aus Erdöl- u- Erdgasförderung verwendbar HDR-Hot-Dry-Rock-System (Petrothermale System) Überbegriff: EGS-Enhanced Geothermal Systems -ca. 5.000 m Tiefe (>150°C) -mächtiges Gestein mit künstliche. Fließwegen mit Zuflussraten >200m³/h erforderlich (Wasser-/Säureeinpressung) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 14: Nutzungsformen der Geothermie (Quelle: LBGR-2013 f, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri Abb. 14: Nutzungsformen der Geothermie (Quelle: LBGR-2013 f, unv.)

3. Geologie und Einsatzmöglichkeit von Geothermie in Deutschland Abb. 15: Geothermiebohrung in Unterhachingen (Quelle: BMU-2011, S. 36, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 16: vereinfachte geologische Übersichtskarte von Deutschland u Abb. 16: vereinfachte geologische Übersichtskarte von Deutschland u. geologische Zeitskala (Quelle: Henningsen, Katzung-2002, Einband, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Abb. 17: Tertiär-Senken und junge Vulkangebiete (Quelle: Henningsen, Katzung-2002, S. 135, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Erläuterung HB: Heidelburgel Gangschar Kb: Katzenbuckel Ks: Kaiserstuhl Nh: Nordhessische Basalt-Gebiet Sg: Siebengebierge Ur: Uracher Vulkangebiet Ww: Westerwald

Vorwiegende Hydrothermale Systeme in Deutschland Abb. 18: Hydrothermale Reservoir in Deutschland (Quelle: BMU-2011, S. 59, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Graue Felder sind nicht ausreichend erkundet Abb. 19: Verteilung der Untergrundtemperatur in Deutschland (Quelle: BMU-2011, S. 58, unv.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

(Quelle: BMU-2011, S. 59 und Energiewelten-2013 d, verändert.) Abb. 21: Hydrothermale Reservoir in Deutschland mit bereits errichteten Anlagen (Quelle: BMU-2011, S. 59 und Energiewelten-2013 d, verändert.) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Tiefe Geothermie (Bohrtiefe > 400 m) Tabelle: Nutzung von Geothermie in Deutschland (Quelle: GtV-2013 b, verändert) Tiefe Geothermie (Bohrtiefe > 400 m) 21 Anlagen (Heizwerke u. Heizkraftwerke) in Betrieb, mit 193 MW installierte Wärmeleistung davon 6 Anlagen, mit 12,11 MW elektrische Leistung -92 Anlagen in Planung bzw. Bau Oberflächennahe Geothermie (Bohrtiefe < 400 m) -290.000 Anlagen (z.B. Erdwärmesonden bzw. –Kollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen) -pro Jahr 22.200 Anlagen, mit 235 MW, neu installiert (Stand 2012) Leistung -3.200 MW installierte geothermische Wärmeleistung (Tiefe und Oberflächennahe Geothermie) -12,11 MW installierte geothermische Stromleistung (nur Tiefe Geothermie) Bereitgestellte Energiemengen -0,019 TWh Strom (Stand 2011) → Bedarf von 6.3000 Zweipersonen-Haushalten -5,8 TWh Wärme (Stand 2012) → Bedarf von 390.000 Zweipersonen-Haushalten 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Fazit Eine Erschließung der, in der Erde vorhandene, geothermische Energie erfordern geologischen sowie hydrologischen Kenntnisse des Untergrundes! 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Quellen GtV-2013 a Internet: GtV-Bundesverband Geothermie e.V.: „Geologie“. http://www.geothermie.de/wissenswelt/glossar- lexikon/g/geologie.html, zuletzt besucht am 05.08.2013. GtV-2013 b Internet: GtV-Bundesverband Geothermie e.V.: „Einstieg in die Geothermie“. http://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/einstieg-in- die-geothermie.html, zuletzt besucht am 05.08.2013. BMU-2011 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Broschüre: „Tiefe Geothermie“, Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland. Stand 09.2011. http://www.erneuerbare-energien.de/fileadmin/ee- import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_g eothermie_tief_bf.pdf, zuletzt besucht am 05.08.2013. DRadio-2013 Internet: DRadio Wissen: „Geothermie“, Die Wärme aus der Erde, Betrag vom 11.05.2011. http://wissen.dradio.de/geothermie-die- waerme-aus-der-erde.33.de.html?dram:article_id=10035#, zuletzt Besucht am 05.08.2013. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Quellen Energiewelten-2013 a Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V., Lexikon Energiewelten: „Geothermische Systeme“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013. Energiewelten-2013 b Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V., Lexikon Energiewelten: „Geothermie-allgemein“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013. Energiewelten-2013 c Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V., Lexikon Energiewelten: „Geothermie-Aufbau der Erde“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Quellen Energiewelten-2013 d Energiewelten-2013 c Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V., Lexikon Energiewelten: „Geothermie-Deutschland“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013. LBGR-2013 a Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Geothermie“. http://www.lbgr.brandenburg.de/cms/detail. php/lbm1.c.361609.de#, zuletzt besucht am 05.08.2013. LBGR-2013 b Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Hydrothermale Geothermie“. http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?id=lbm1. c.361733.de, zuletzt besucht am 05.08.2013. LBGR-2013 c Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Hot Dry Rock Technologie“. c.361739.de, zuletzt besucht am 05.08.2013. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Quellen LBGR-2013 d Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Tiefe Erdwärmesonde“. http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?id=lbm1.c.361737.de, zuletzt besucht am 05.08.2013. LBGR-2013 e Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Oberflächennahe Geothermie“. http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?id=lbm1.c.361725.de, zuletzt besucht am 05.08.2013. LBGR-2013 f Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Tiefe Geothermie“. http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php/lbm1.c.361612.de, zuletzt besucht am 05.08.2013. Stuth-2009 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Geowissenschaftliche Grundlagen, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik, Sommersemester 2009; unv. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Quellen Stuth-2011 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Angewandte Hydrogeologie, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik, Wintersemester 2010-2011; unv. Tarbuk,Lutgens-2009 Lutgen, F.;Tarbuck, E.: Allgemeine Geologie, 9. Aktualisierte Auflage. Pearson Studium, München, 2009. Henningsen, Katzung-2002 Henningsen, D.; Katzung, G.: „Einführung in die Geologie Deutschlands“, 6. überarbeitet Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, 2002. Schuhmann-1977 Schuhmann, W. „Steine+Mineralien“, BLV Bestimmungsbuch 7, 5. Auflage. BLV Verlagsgesellschaft, München, 1977. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri

Danke für Ihre Aufmerksamkeit. 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri