Geologischen Aspekte der Geothermie

Präsentation zum Thema: "Geologischen Aspekte der Geothermie"—  Präsentation transkript:

1 Geologischen Aspekte der Geothermie
Serkan Senbayrak

2 Die Oberfläche der Erde bildet die Kruste
Die Oberfläche der Erde bildet die Kruste . Seit der Entstehung hat die Erde Energie abgestrahlt, dabei kam es zur Abkühlung der Oberfläche der Erde. Sie erstarrte und bildete eine 40 km dicke kontinentale Kruste. Auf der KK Haben sich im Laufe der Jahrmillionen Sedimente wie Sandstein, Kalkstein und Tonstein abgelagert. Die ozeanische Kruste ist nicht so alt und mit 10 km deutlich dünner. An Subduktionszonen taucht die ozeanische Kruste wieder in die Erde ab, sie ist nicht so alt wie die KK. Die Temperatur der Kruste nimmt mit der Tiefe zu, diese Zunahme wird als Temperaturgradient oder geothermische Tiefenstufe genannt. Die Unterkante der Kruste ist ca Grad Celsius heiß. Unter der Kruste bis einer Tiefe von 900 km liegt der obere Mantel, bestehend aus zähflüssigem magmatischem Gestein. Darunter liegt der untere Mantel, die Temperatur im gesamten Mantel steigt bis auf 2500 °C an der Kern-Mantel-Grenze die in 2900 km Tiefe liegt. Das Zentrum der Erde bildet der Erdkern, unterteilt in festen inneren und flüssigen äußeren Kern, bestehend zum Großteil aus Eisen und Nickel. Temperatur und Druckverhältnisse halten den äußeren Kern bis zu einer Tiefe von 5100 km flüssig. Die Temperatur steigt im Erdkern bis auf 4500°C im Erdmittelpunkt bei 6370 km. Die Abgrenzung verschiedener Bereiche der Erde sind Phasengrenzen. Abgrenzung zw. Innerer und äußerer Kern ist die Grenze zwischen fest und flüssig. Grenze zwischen oberem und unterem Mantel ist eine Grenze bestimmt durch eine Strukturänderung des Gesteins

3 Temperaturverlauf in der Erde
In der Abb. Ist die Temperatur über die Tiefe dargestellt : links farbig der Schalenaufbau der Erde. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur innerhalb der erstn 200 km sehr schnell auf 1500 K ansteigt. Der Verlauf der Soliduslinie ist ebenfalls abgebildet. Sie gibt an, bei welcher Temp. Das Gestein flüssig wird, links des Solidus ist das Gestein fest und rechts davon flüssig. Hieran lässt sich erkennen, dass der äußere Kern flüssig ist. Der graue Balken ist der Fehlerbalken, da man nicht in die Erde hineinschauen und Temperaturen messen kann. Man holt sich deswegen die Daten indirekt z.B. aus Erdbebenmessungen.

4 Kreislauf der Gesteine
Unter dem Kreislauf der Gesteine verstehen Geologen den ungefähren Zyklus, in dem Gesteine von der Erdoberfläche (zunächst als Sedimentgesteine) in die Tiefe geraten und nach Umwandlung (Metamorphose) wieder zurück. Dieser Zyklus dauert etwa 200 Millionen Jahre - abhängig vom geologisch-tektonischen Bau der Region und den bewegenden Kräften. Letztere kommen aus Erosion, Gebirgsbildung, tektonischen Störungen und Vulkanismus, doch hauptsächlich von der Plattentektonik. Gesteine bilden sich hauptsächlich durch Erkalten flüssigen Magmas, (heißt die Masse aus Gesteinsschmelze, die in Teilen des oberen Erdmantels und der tieferen Erdkruste vorkommt), durch Ablagerung von Feststoffen (Sedimentite), zum Beispiel von Sanden, Tonen oder Rückständen abgestorbener Lebewesen (Kalke), sowie durch Abscheidung aus Lösungen (Salzgesteine), durch Umwandlung (Metamorphose) aus anderen Gesteinen, verursacht durch erhöhten Druck oder erhöhte Temperatur .

5 Die Theorie der Plattentektonik
Ursachen von Erdbeben und Vulkanen : Bis auf eine feste Erdkruste und einem festen Erdkern ist die Masse des Planeten Erde je nach Schicht flüssig bis viskos. Die flüssigen Teile sind ständig in Bewegung und bilden Konvektionsströme. Weiterhin sollte man wissen, dass die Erdkruste auf der wir leben keine massive Schicht ist, sondern in mehrere Teile zerbrochen ist, in sog. Platten. Man unterscheidet zwei arten von Platten: Divergierende Platten: Werden durch Konvektionsströme im Inneren der Erde auseinander geschoben, an der entstehenden Kluf tritt ein heißes Magma aus und erkaltet. Das beste bsp. Hierfür ist der Mittelozeanische Rücken, der im Atlantik zw. Afrika und Amerika ein riesiges Unterwassergebirge inkl. Rift-Valley gebildet hat. Auswirkungen: Gleichmäßiges wegschieben nach beiden Seiten, beträgt im Falle des MOR mehrere Zentimeter pro Jahr und mehrere Millionen Jahre weiter gedacht heißt dies, dass die Plattentektonik die Konsellation der Kontinente ändert. Konvergierende Platten: Sind die Hauptursache für Vulkanismus und Erdbeben. Zwei Platten werden aufeinander geschoben, hierbei schiebt sich die schwere Platte unter die leichtere. Durch das Aufsteigen der Magma entsteht Vulkanismus. Eine weitere Begleiterscheinung ist Tiefbeben durch Spannung oder Reibung.

6 die Sonneneinstrahlung ca. 1000 W/m2
Was ist der Zusammenhang zwischen des Aufbaus der Erde und des Wärmehaushalts und der Geothermie ? Der natürliche Wärmehaushalt der oberflächennahen Schichten unserer Erde wird durch zwei Effekte beeinflusst: die Sonneneinstrahlung ca W/m2 der Geothermische Wärmefluss aus dem Erdinneren Die Wärme, die im Sommer in den Untergrund eindringt, geht im Winter wieder verloren. Für die Energiebilanz der Erde ist im ungestörten Zustand einzig der natürliche Geothermische Wärmefluß maßgebend. Als Geothermie oder „Erdwärme“ bezeichnet man die gesamte unterhalb der Erdoberfläche in Form von Wärme gespeicherte Energie. Tiefe Geothermie ab ca. 400m Oberflächennahe Geothermie bis ca. 400m

7 99% des Erdballs sind heißer als 1000°C
Kruste ca. 30 km Temperaturzunahme ~3°C / 100 m Mantel >1200 °C 99% des Erdballs sind heißer als 1000°C nur 0,1% des Erdballs sind kühler als 100°C Ursache für den heißen Kern: natürlicher radioaktiver Zerfall Geothermischer Wärmefluss durch die Erdoberfläche >40 Milliarden kW (4x mehr als der Weltenergieverbrauch Kern ~ 5000 – 6000 °C

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9 Woher kommt die Erdwärme ?
Der Hauptanteil der von der Erde an der Erdoberfläche bereitgestellten Wärme wird in der Erdkruste beim Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente gebildet. Ein kleinerer Anteil resultiert aus der Gravitaionsenergie bei Entstehung der Erde und aus einer eventuell von davor noch vorhandenen Ursprungswärme. Im Oberflächennahen Bereich ( bis ca. 20m Tiefe ) wird der Wärmehaushalt maßgeblich durch die Sonneneinstrahlung sowie durch Sicker- und Grundwasser beeinflusst. Durch das Temperaturgefälle zwischen Erdinnerem und Erdoberfläche wird Erdwärme ständig aus der Tiefe nachgeliefert. Dieser geothermische Wärmefluss beträgt z.B. in Bayern rund 60-80 mW/m2 . Bezogen auf eine Fläche von der Größe eines Fußballfeldes entspricht dies einem Energieverbrauch von vier bis sechs 100 W- Glühbirnen. Durch die im Untergrund gespeicherte Wärmeenergie stehen für eine geothermische Nutzung jedoch weitaus größere Wärmemengen zur Verfügung, als durch den terrestrischen Wärmefluss bereitgestellt werden. Diese Wärmemengen werden bei der Gewinnung von Erdwärme wie eine Lagerstätte abgebaut. Nach menschlichen Maßstäben ist die in der Erde gespeicherte Wärme dennoch unerschöpflich, daher wird die Erdwärme zu den erneuerbaren Energien gerechnet.

10 Geothermie und ihre Anwendungsfelder
Was kann man mit der Geothermie erzeugen ? Strom aus Geothermie ( indirekte Nutzung der Erdwärme): hydrothermale Energie bei dem die Energie aus wasserführenden Schichten ( Aquifere ) gewonnen wird. Hierzu sind Wassertemperaturen von min. 80°C nötig. Da aber für das Erreichen dieser Temperatur eine Bohrung >2500m erforderlich ist, empfiehlt man aus wirtschaftlicher Sicht Wassertemperaturen von 120 °C. Hydrothermale Heiß- und Trockenvorkommen mit Temperaturen >200°C können in Geothermiekraftwerken zum Antrieb eine Turbine genutzt werden ( Stromgenerator antreiben ). Sonderform d. Stromerzeugung ist das Hot-Dry-Rock Verf.

11 Heizen und Kühlen mit Geothermie: ( direkte Nutzung der Erdwärme )
klassisches Gebiet der Geothermie wird zum kochen, Heizen und Baden verwendet . Für diese Anwendung sind häufig geringe Temperaturen erforderlich, die häufig direkt zu Verfügung gestellt werden können, reicht die gewünschte Temperatur nicht aus, kann die durch Wärmepumpen angehoben werden. Das entwärmte Wasser wird anschließend direkt wieder in den Untergrund verpresst um dort die herrschenden Druckverhältnisse zu halten. Anwendung ohne natürlichen Pumpen heißt natürliche Kühlung. Wasser wird mit Temperatur des flachen Untergrundes (i.d.R. 8-10°C ) direkt zur Gebäudekühlung verwendet. Nutzungsart Energie TJ/a Leistungsabgabe Jahresmittelwert GW Wärmepumpen 86.673 2,75 Bäder 75.289 2,39 Raumheizung 52.868 1,68 Gewächshäuser 19.607 0,62 Industrie 11.068 0,35 Landwirtschaft 10.969 Trocknung (Landwirtschaft) 2.013 0,06 Kühlen, Schneeschmelzen 1.885 Andere Nutzung 1.045 0,03 Total 8,29

12 Nutzungsart Temperatur Einkochen und Verdampfen, Meerwasserentsalzung 120 °C Trocknung von Zementplatten 110 Trocknung von organischen Material wie Heu, Gemüse, Wolle 100 Lufttrocknung von Stockfisch 90 Raumheizung (klassisch) 80 Kühlung 70 Tierzucht 60 Pilzzucht, Balneologie, Gebrauchtwarmwasser 50 Bodenheizung 40 Schwimmbäder, Eisfreihaltung, Biologische Zerlegung, Gärung 30 Fischzucht 20 Natürliche Kühlung <10 °C

13 Geothermale Energie in Island
Die Geothermale Energie ist Islands wichtigste Energiequelle. Die Insel im Nordatlantik verfügt über eine ungewöhnliche Menge aktiver Vulkansysteme und nutzen somit den Zusammenhang zwischen geologischen Gegebenheiten und der Erdwärme. TJ oder 53 % der Primärenergie in Island kommt aus Erdwärme (2004). Es gibt fünf wichtige geothermale Kraftwerke in Island, die etwa 19,1% (2005) des Bedarfs an Elektroenergie des Landes decken. Außerdem liefert die geothermale Wärme Heizung und Warmwasser für ca. 90% aller isländischen Haushalte. Die Primärenergie wird in Island verschwenderisch genutzt, da im Winter Gehsteige beheizt und zum Teil 40 km lange Verbindungsstraßen durchgehend beleuchtet. Mit Erdwärme und Wasserkraft deckt Island 99,9 Prozent seines Strombedarfs aus erneuerbaren Quellen. Hier noch ein paar bsp. Zu Kraftwerken in Island:

14 Svartsengi-Kraftwerk
Das Kraftwerk von Svartsengi liegt im Südwesten der Insel, in der Nähe des Internationalen Flughafens in Keflavik. Hier gibt es aufgrund des Vulkanismus besonders viel Erdwärme. Man entdeckte 1969 bei Bohrungen ein Hochthermalfeld bei Grindavík (über 200° in m). Nesjavellir-Kraftwerk Das Kraftwerk befindet sich im Südwesten der Insel, und ist das größte Geothermalkraftwerk Islands. Es produziert derzeit 120 MW elektrische Leistung und etwa 1800 Liter/Sek. heißes Wasser (300MW). Dabei wird die vulkanische Hitze des Zentralvulkans Hengill mittels Quellen und Bohrlöchern genutzt.

15 Krafla-Kraftwerk Das Kraftwerk von Krafla befindet sich im Nordosten der Insel, in der Nähe des Sees Mývatn und - wie der Name sagt - am Vulkan Krafla. Das Kraftwerk liefert derzeit eine Leistung von 60 MW und soll auf 90 MW erweitert werden. Desweiteren gibt es in Island noch folgende Kraftwerke : Reykjanes-Kraftwerk Hellisheiði-Kraftwerk Perlan

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit