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Erdwärme-Kraftwerke Erdwärme-Heizungen Dienstleistungen

Erdwärme. Mit unerschöpflicher

Energie in die Zukunft!

Das geothermische Potential in Deutschland

Technische Nutzungsmöglichkeiten der Erdwärme

Dr. Johannes Gottlieb

Cloppenburg

am 21.09.2006

Steinbeis-Transferzentrumder Geothermie


Die Energieressourcen der Welt werden von Jahr zu Jahr knapper. So sagen Berechnungen, dass Erdöl noch ca. 40 - 50 Jahre reicht, Gas ca. 80 Jahre, Steinkohle ca. 300 Jahre und Uran für die Kernkraft ungefähr 80 Jahre.

50 100 150 200 2500 300 350Jahre

Steinkohle

Erdgas

Uran

Erdöl

Erdwärme besteht zu ca. 70 % aus im Erdmantel und Erdkern durch den Zerfall der Isotope U 235, U 238, K 40 und Th 232 entstehender Energie.

Erdwärme besteht zu ca. 30 % aus Wärmeenergie, die bei der Erdentstehung durch die Kontraktion freier Materie entstanden.

Erdwärme,woher kommt sie?

Erdradius 6370 km

Erdkruste 0 km – 65 kmbis 1000 °C

Erdmantel 10 km – 2900 km

1000 °C bis 2900 °C

Erdkern 2900 km – 6370 km

3700 °C bis 4300 °C


Technischen FachhochschuleGeorg Agricola in Bochum 2004


Strom Strom ausaus ErdwErdwäärmerme -- InstallierteInstallierte KapazitKapazitäätt (in (in MWMWelel , 2001), 2001)

Kenya 58

Mexico 858Guatemala 33El Salvador 161Nicaragua 70Costa Rica 143

China 29

Russia 23

Philippines1931

Indonesia 787

Turkey 20

New Zealand 437

Thailand 0.3

USA 2002

Ethiopia 9

Italy 762

Iceland 200

Azores 16Japan 549

Australia 0.2

Guadeloupe 4


Strom aus ErdwStrom aus Erdwäärme rme -- bisherige Nutzungbisherige Nutzung

Weltweit:Weltweit:

• 21 Länder (USA, Philippinen, Japan, Italien, Neuseeland, Island, …)

• 10.000 MW (elektrische Leistung)

Deutschland:Deutschland:

• ca. 36 geothermische Anlagen zur Wärmeerzeugung

• 50 MW (thermische Leistung)

• Jährliche Energieproduktion �� , dies entsprich 0,71 % des Gesamtarbeit

• Weltenergieverbrauch 500 EJ• Geotherm. Potential 12.000 – 24.000 EJ

(1 Exajoule = 300 * 1012 kWh)

• Technisches Gesamtpotential ca. 1.200 EJ• Deutscher Jahresstromverbrauch 2 EJ

• 600fache des deutschen Jahresstrombedarfes

Potential bisher kaum genutzt!Potential bisher kaum genutzt!


1. Heizen und Klimatisieren mit Erdwärme

Geschlossenes System:Vorteile:• nur eine Bohrung erforderlich• kein Fündigkeitsrisiko (Aquifer)• Gefüllt mit Klarwasser oder Sole• geschlossenes Leitungssystem, daher • wartungsarm und weitgehend verschleißfrei• langlebig und betriebssicher• umweltverträglich, weil kein Stoffaustausch

Offenes System:

Vorteile:

• höherer Wirkungsgrad

• Wegfall des Spitzenlastkessels

• System für Stromproduktion eher geeignet

Erdwärmeheizungen: Offene und geschlossene Systeme


Gaskessel Ölkessel Wärmepumpe

Investitionskosten

Öltank (3000 l) 2.500,00 €

Lagerraum für Öl (10 m³) 2.000,00 €

Schornstein 1.500,00 €

Öffentliche Erschließung 2.100,00 €

Gasanschluss 400,00 €

Abgasanlage 500,00 €

Erdwärmesonden 5.400,00 €

Sondenverbindungsleitung 600,00 €

Wärmeerzeuger (Kessel bzw. WP)

4.250,00 € 5.250,00 € 6.250,00 €

Sicherheitsgruppe 250,00 € 250,00 € 250,00 €

Warmwasserspeicher 1.000,00 € 1.000,00 € 1.300,00 €

Elektroinstallation 150,00 € 150,00 € 300,00 €

Titelsumme 1 8.650,00 € 12.650,00 € 14.100,00 €

� Einfamilienhaus mit 150 m² Wohnfläche� Benötigte Wärmemenge: 18.000 kWh/a

Kosten oberflächennahen Geothermie im Vergleich I

Technischen FachhochschuleGeorg Agricola in Bochum 2004


Gaskessel Ölkessel WärmepumpeBetriebskostenGewässerschadenversicherung 80,000 €/aWartung 130,00 €/a 150,00 €/a 50,00 €/aTankreinigung 30,00 €/aSchornsteinfeger 80,00 €/a 80,00 €/aTitelsumme 2 210,00 €/a 340,00 €/a 50,00 €/a

Verbrauchsgebundene Kosten

Stromkosten Betrieb 50,00 €/a 50,00 €/a 90,00 €/aWP-Stromkosten (70€/MWh) 305,00 €/aÖlkosten (47c/l) 856,00 €/aGaskosten (41 €/MWh) 802,00 €/aGrundpreis 150,00 €/a 90,00 €/aTitelsumme 3 1.002,00 €/a 906,00 €/a 485,00 €/a


Kosten der Oberflächennahen Geothermie im Vergleich II


Gaskessel Ölkessel Wärmepumpe

Zusammenfassung

Investitionskosten (einmalig) 8.650,00 € 12.650,00 € 14.100,00€

Betriebskosten 210,00 €/a 340,00 €/a 50,00 €/a

Verbrauchsgebundene Kosten 1.002,00 €/a 906,00 €/a 485,00 €/a

Summe jährliche Kosten 1.212,00 €/a 1.246,00 €/a 535,00 €/a


Kosten der Oberflächennahen Geothermie im Vergleich III


Deutsche Flugsicherung (DFS) in Langen I System Heizen und Kühlen

• Bruttorauminhalt (BRI): 230.000 m³

• Bruttogeschossfläche (BGF): 57.800 m²

• Energiebezugsfläche (EBF): 44.500 m²

• Wärme und Kälteverteilung über Betonkerntemperierung

• Gebaut im Low-Energy-Standard (100 W/m²/a)

• 154 Erdwärmesondenbohrungen mit einer Tiefe von je 70 m

• Heizleistung: 330 kW

• Kälteleistung: 340 kW

• Spitzenlastabdeckung: Fernwärme

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Die 154 Erdsonden erbringen eine Leistung von 330 kW im Heiz- und 340 kW im Kühlfall. Dadurch können 75% des Kälteenergie-bedarfs durch die Erdsonden-anlage gedeckt werden. Lediglich die Spitzenkälteleistung wird durch die Kompaktkältemaschine erzeugt. Im Winter können 70% des Wärmeenergiebedarfs mittels Wärmepumpe erzeugt werden.

Deutsche Flugsicherung (DFS) in Langen II Der Heiz- und Kühlleistungsbedarf

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Im Sommer wird das aus der Erdwärmesondenanlage kommende kalte Wasser direkt zum Kühlen der Betondecken genutzt. Es erwärmt sich dabei und wird anschließend wieder durch die Erdwärmesonden gepumpt, wo es die Wärme an das Erdreich abgeben kann. Durch diese Zirkulation erwärmt sich der Untergrund langsam. Diese Wärme wird im Winter wieder entzogen und über Wärmepumpen zu Heizzwecken eingesetzt.

Deutsche Flugsicherung (DFS) in Langen III Der Heiz- und Kühllkreislauf

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Deutsche Flugsicherung (DFS) in Langen IV Die Betonkernaktivierung

Im Gegensatz zu den abgehängten Kühl- bzw. Heizdecken werden bei der Betonkernaktivierung die wasserführenden Rohre direkt in den Gebäude-körper, meist in die Betondecken, integriert. Ihre Wirkungsweise beruht jedoch ebenso wie bei den Kühl-/Heizdecken auf dem Prinzip Strahlungs-kühlung und Strahlungsheizung, wodurch eine gegenüber traditionellen Luftsystemen stark verbesserte Behaglichkeit erreicht wird.

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Deutsche Flugsicherung (DFS) in Langen VI

Jahreskosten für die Wärme- und Kälteerzeugung im Vergleich

Variante DFS LEO(ausgeführte Variante):

Variante DFS LEO ohne Erdwärmesonde:

Variante Standard Office (WSO 95):

Erdwärmesonde, Wärmepumpe, Nahwärmeverbund,Kältemaschine, 2.30 Mio. €

Nahwärmeverbund, Kältemaschine, 1,78 Mio. €

Nahwärmeverbund, Kältemaschine, 1,78 Mio. €

Basis für einen Kostenvergleich:

• Realzins: 5%,• Energiepreisteuerung: 1%,• Elektrizität: 8,5 €C/kWh• Wärme: 5 €C/kWh

Bei dem Jahreskostenvergleich, der die Energie-, Wartungs- und Kapitalkosten für die Wärme- und Kälteerzeugung berücksichtigt, ist ersichtlich, dass die ge-wählte Low Energy Office Variante infolge der geringen Energiekosten die wirt-schaftlichste Lösung darstellt.

Die jährliche Rendite auf das eingesetzte Kapital für die Erdwärmesondenanlage beträgt 16%.

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Grundwasserwärmepumpe

Die Auslegung der Anlage wird neben den Hauptinhaltsstoffen des Wassers durch Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit und Redoxpotential maßgeblich beeinflusst. Daher sollte im Vorfeld eine Wasseranalyse durchgeführt werden. Bei sauerstofffreien Grundwässern mit niedrigem Redox-Potential können Brunnen bei Vorhandensein von Eisen und Mangan verockern. In diesen Fällen sind besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Ein solches Grundwasser darf nicht mit der Umgebungsluft in Kontakt kommen. Das gesamte System muss deshalb geschlossen sein und permanent unter Überdruck stehen. Andernfalls ist eine Wasseraufbereitung durch Entzug von Eisen und Mangan notwendig.

Zur Beurteilung der Verockerungsgefahr sind eine Analytik auf Eisen und Mangan und die Feststellung des pH-Wertes erforderlich. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe eines Grundwassers kann die Korrosionsgefahr für metallische und Beton-Bauteile unterschiedlich groß sein.

Das Grundwasser ist daher gemäß DIN 50 930, Teil 1 bis 5 und gegebenenfalls auch gemäß DIN 4030, Teil 1 und 2 zu untersuchen.


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- Vorstudie- Probebohrung- Mathematische Grundwasser-modellierung

- Generalunternehmer Brunnenanlage/Erdwärme

- Planung und Bau einer Erdwärmeanlage zum Heizen und

Klimatisieren

- Saisonale Wärmespeicherung im Grundwasser


© Abb.: Montanes GmbH© Abb.: STZ Geothermie

Wärmerohrtechnik (Heat pipe)


Abb.: BLZ Geotechnik GmbH

© Foto: Montanes GmbH © Foto: Montanes GmbH

Propan-Erdwärmeanlage für Einfamilienhäuser


Abb./Fotos: BLZ Geotechnik, Gommern, Montanes GmbH, Karlsruhe

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Durchführung einer StudieDurchführung eines Expertenhearings

Auftraggeber:

Ministerium für Ministerium für Verkehr, Energie und Landesplanung (MEVL) des Landes NRW

Aufgabenstellung:

Das Ziel des Projektes ist eine ganzheitliche, wirtschaft-lich tragfähige Alternative zum konventionellen Winter-dienst bzw. Taumittelsprühanlagen unter Nutzung der Geothermie aufzuzeigen und zu analysieren.

Abb.: SERSO PLUS – Neue Wege in der BelagsbeheizungWalter J. Eugster


2. Stromerzeugung aus Erdwärme


Temperaturkarte Deutschland

- Isothermen in 2000 m Tiefe in °C

- Lage von Ölbohrungen


Privat/mittelständisch:

Offenbach/Pfalz: Hydrothermales Kraftwerk (im Bau)

Bellheim: Hydrothermales Kraftwerk (im Bau)

Speyer: Hydrothermales Kraftwerk und Fernwärme (im Bau)

In Vorbereitung: ca. 20 weitere Kraftwerke @ 3-6 MW(el)

Energieversorger:

Landau: Hydrothermales Kraftwerk und Fernwärme (im Bau)

Bruchsal: Hydrothermales Kraftwerk und Fernwärme (im Bau)

Standorte zur geothermischen Stromerzeugung


ORC-Prozess

Verdampfer (1), Frischdampfleitung (2), Turbine (3) mit Generator (4), Rekuperator (5), Kondensator (6), Speisepumpe (7), Transformator/Netzeinspeisung (9).

Thermalwasserkreislauf

Dublette, bestehend aus einer Fördebohrung und einer Schluckbohrung: Produktionsbohrung (10) und Re-Injektionsbohrung (11).


Abbildungen: GMK mbH, Bargeshagen

Der Oberrheingraben

Morphologische Struktur. Deutlich sind die drei Abschnitte, südlicher, mittlerer und nördlicher Oberrheingraben zu erkennen.

Quelle: www.oberrheingraben.de


Der Oberrheingraben:

Bruchschollenbildung im Oberrheingraben,

Ergebnisse der Erdölexploration bis 1980

Bruchsystem:

- Bruchrichtungen und Bruchtypen eines „Strike-Slip-Grabenbruches“

- Bruchschollen, die im Scherprozess zur Rotation tendieren

- zur Öffnung neigende Brüche (antithetische Riedelbrüche)

Wärmequelle:

- Vermutlich überwiegend Wärmekonvektion aus bis zu 8 km Tiefe


Der Oberrheingraben

- Isothermen in 3000 m, Temperatur in °C (nach Hurtig, 1991)

- Lage von Ölfeldern

K

L

HD

MA

MzF

Str.

160

140120

FR

KA


Der Oberrheingraben

Profil nördlich Karlsruhe.


Seismische Erkundung

Drei 20 Tonnen schwere Vibratoren werden synchron mit Frequenzen von 10-100 Hz in Schwingungen versetzt. Die Signale breiten sich in die Tiefe aus, werden dort an den Grenzen vorhandener geologischer Strukturen reflektiert und an der Oberfläche mit Tausenden Geophonenaufgezeichnet.

Seismische Erkundung im Oberrheingraben (Foto J. Gottlieb)


Tiefbohrungen

Das neue Tiefbohrgerät der Firma Herrenknecht wurde im Juli 2006 vorgestellt. Manuelle Arbeit, wie unten dargestellt entfällt weitgehend.

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Massive 3D-Bohrloch-Seismik - Mit einem hoch auflösenden neuen bildgebendenVerfahren werden die geologischen Strukturen präzise erfasst und das Fündigkeitsrisiko reduziert


Geothermiekraftwerkmit Luftkühlung

Die Abbildung zeigt ein Modell eines ORC-Kraftwerks der Firma ORMAT (Israel/USA)



Erdwärme. Mit unerschöpflicher

Energie in die Zukunft!

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