1. Gliederung 1.Was ist Geothermie? 1.1Radioaktive Zerfallsprozesse 1.2Terrestrischer Wärmestrom...

1

Geothermie

M. Menacer

2

Gliederung

1. Was ist Geothermie?1.1 Radioaktive Zerfallsprozesse1.2 Terrestrischer Wärmestrom und

geothermischer Gradient2. Erschließung von Erdwärme3. Nutzung dieser Energieform

3.1 Erkundung des Bodens3.2 Tiefe Geothermie - Schema

3.2.1 Enthalpie - Lagerstätten3.3 Tiefe Geothermische Systeme

3

Gliederung

3.3.1 Hydrothermale Geothermie3.3.2 Petrothermale Geothermie

4. Experiment5. Vorreiter der Erdwärmenutzung6. Erdwärme in Deutschland7. Kosten von Geothermie in Deutschland

7.1 Kostenberechnung8. Wirtschaftlichkeit9. Vor - Nachteile 10. Quellen

4

Was ist Geothermie?

Erdwärme kann synonym verwendet werden

Energie wird aus der Restwärme der Erde gewonnend.h. KEINE!!! Erneuerbare Energie

ABER: Potential liegt bei mehreren Millionen Jahren

5

Woher kommt die Restwärme?

ca. 30 - 50 % Restwärme aus der Zeit der Erdstehung

ca. 50 - 70 % Restwärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen

(Kalium - 40, Thorium - 232, Uran - 235 u. 238 sind Hauptzerfallselemente)

6

Radioaktive Zerfallsprozesse

Zerfallsreihe für:Thorium - 232

&Uran - 235

&Uran - 238

7Massenzahl

8Massenzahl

9

Massenzahl

10

Radioaktive Zerfallsprozesse

Kalium - 40

40K → 40Ca + b- ca. 89,28 %(Beta- -Zerfall)

40K + b- → 40Ar ca. 10,72% (Beta+ -Zerfall)

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

13

Erschließung von Geothermie

Durch aufzeichnen des Untergrundes

14

Erschließung von Geothermie

Durch Bohrungen

15

Tiefe Geothermie - Schema

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)

17

Tiefe Geothermische Systeme

Geothermie

Hydrothermal Petrothermal

- 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

Warum siedet das Wasser unter Druck nicht? - Hier

18

Hydrothermale Geothermie

http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo

Zurück zur Übersicht

19

Petrothermale Geothermie

Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren

http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I

Zurück zur Übersicht

20

Experiment

Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei unterschiedlichen Drücken

siehe Arbeitsblatt

21

Experiment - Auswertung

Phasendiagramm des Wassers

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 erzielbarz.b. bei 96°C Eingangstemperatur nur 7,5 % Brutto

23

Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren

Schema:

http://www.gmk.info/ORC.133.html#

24

Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren

Ammoniak - Wasser - Gemisch Siedetemperatur von NH3 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 10 - 60% erreicht werden.

25

Kalina - Verfahren - Schema

26

Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren

nicht - isotherme Verdampfung Bzw. Kondensation, dadurch eine Annäherung der Wärmequelleund -senke

Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der mittleren Temperatur der Kondensation-> geringere Energieverluste bei der Wärmeübertragung-> Erhöhung des Wirkungsgrades

27

Vergleich ORC und Kalina - Verfahren

Vorteile:- Investitionskosten gering- Platzbedarf ist gering

ORC Nachteile:- Umweltschädlich- Geringer Wirkungsgrad- Sorgfältige Abdichtung des Sekundärkreislaufes

notwendig

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

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

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!!!

31

Vorreiter der Erdwärmenutzung

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

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

34

Erdwärme in Deutschland

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

35

Erdwärme in Deutschland

Theoretisches hydrothermales Potenzial liegt bei schätzungsweise 1574 Exajoule

= 1.574.000.000.000.000.000 Joule = 1.574 x 1018 Joule

300-Fache der jährlichen Gesamtwärmenachfrage in Deutschland

36

Kosten von Erdwärme

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

38

Kosten von Erdwärme

Parameter: max. 3,36 MW elektrischmax. 38 MW thermisch8000 Volllaststunden pro Jahr

Einspeisevergütung lt. EEG: 0,25€ / kWh (Stand 13.04.13)Arbeitspreis für Wärme in Unterhaching: 0,0646 € / kWh

Aufgabe: Berechne die maximale jährliche Vergütung der Strom -und

Wärmeerzeugung des Erdwärme-KW in Unterhaching!

39

Kostenberechnung

Formel : Leistung (MW) x Zeit (h) = Arbeit (MWh)

Rechnung:

3,36MW x 8000h = 26.880MWh = 26.880.000 kWh x 0,25€ /kWhMaximale jährliche Vergütung von 6.720.000 €.

38 MW x 8000h = 304.000MWh = 304.000.000 kWh x 0,0646€ /kWhMaximale jährliche Vergütung von 19.638.400€.

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 JahreSomit hätten wir das Komplette KW abbezahlt und 19,1 Mio €

Gewinn nach 5 Jahren erwirtschaftet!

41

Vor - und Nachteile

Vorteile:- Überragende Volllastzeit- Grundlasttauglich (unabhängig vom Wetter und der Zeit)- Konstante Strom - und Wärmeerzeugung- CO2 - frei (solange ein geschlossener Systemkreislauf besteht)

- Enormes Potenzial - Ermöglicht eine dezentrale Strom -u. Wärmeversorgung - Sehr junge Technologie (stark ausbaufähig)

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

43Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

44

Quellenhttp://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/einstieg-in-die-geothermie/ursprung-geothermischer-energie-und-geothermischer-gradient.html

Fol. 4 , 5 , 12 , 16 , 17 http://www.feelgreen.de/geothermie-definition-des-begriffs/id_49989240/index Fol. 4, 5

http://www.seilnacht.com/Lexikon/psframe.htm Fol. 7-9Physikbuch Seite 160 Fol.20

http://szablinski.de/Themen/Vergleich_binarer_Kraftwerke.pdf Fol.29 , 28http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-04.htm Fol. 22

http://www.internetchemie.info/chemiewiki/index.php?title=Kalium-Isotope Fol. 10http://www.swm.de/dms/swm/bilder/erneuerbare/energiearten/geothermie/schema-geothermie.jpg Fol. 15

http://www.youtube.com/watch?v=lDq6AlD_eWo Fol.31http://www.ftd.de/politik/international/:wissen-island-strebt-mit-erdwaerme-unabhaengigkeit-vom-erdoel-an/1068298479869.html

Fol. 30http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak Fol. 24

http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/BMU_tiefe_geothermie_sep07.pdf Fol. 32 , 33 , 34 , 35http://www.regenerative-zukunft.de/erneuerbare-energien-menu/geothermie Fol. 34

https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_daten_fakten.html Fol. 37 , 38http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermiekraftwerk_Neustadt-Glewe Fol.22

http://www.geokraftwerke.de/fileadmin/geothermie/images/geothermie_projektablauf_1.jpg Fol.13http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/69e2d3bcc021709fc12577ba00353b8e/%24file/Energie_Bentec_01.jpg

Fol.14

45

Quellenhttp://www.rwe.com/web/cms/de/1475774/rwe-dea/know-how/bohrung/expandable-tubular-verrohrung/ Fol.14

http://dejure.org/gesetze/EEG/28.html Fol.38http://www.alternative-energiequellen.info/alternative_db/wordpress/wp-content/uploads/Fernwaerme-Kosten.pdf Fol.38

http://www.daldrup.eu/aktuelles/2011-06-16-SMC-Research-Geothermie-Kompakt-Branchenstudie-2011-Erneuerbare-Energien.pdf Fol.42, 41http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo Fol.18http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I Fol.19

http://www.google.de/imgres?q=erdkern&um=1&client=opera&sa=N&channel=suggest&hl=de&tbm=isch&tbnid=YY4z5ujCOOiDQM:&imgrefurl=http://www.geocaching.com/seek/cache_details.aspx%3Fguid%3D5515b9d6-2f01-4e15-9351-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&hovw=317&tx=128&ty=100&p

age=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1t:429,r:24,s:0,i:165&biw=1366&bih=636 Fol.11http://www.gmk.info/ORC.133.html# Fol.23

http://www.google.de/imgres?q=kalina+verfahren+schema&client=opera&hs=7LO&sa=X&channel=suggest&tbm=isch&tbnid=T4v32MTv4j2fgM:&imgrefurl=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=fIdvUdeoFo67Peu-

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=636Fol.25