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Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012

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Page 1: Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie: Hydrothermale Geothermie Konstantin Kirsch 27.07.2012

Nutzungsmöglichkeit der tiefen Geothermie:

Hydrothermale Geothermie

Konstantin Kirsch

27.07.2012

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

1. Motivation

2. Geschichte

3. Tiefe Geothermiesysteme

4. Voraussetzungen

5. Nutzungsmöglichkeiten

6. Funktionsprinzip

7. Nutzungsgebiete und Anlagenstandorte

8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau

9. Vor- und Nachteile der hydrothermalen Geothermie

10. Beitrag des EEG und der Bundesregierung zur Geothermieentwicklung

11. Geothermieheizkraftwerk Unterhaching

12. Fazit

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Gliederung

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Weltweiter Energiebedarf steigt

Fossile Ressourcen zur Energieerzeugung sind begrenzt

Ausstoß von Treibhausgasen beschleunigt den Klimawandel

Geothermie ist regenerative Energiequelle

Kann zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden

Keine Emissionen, keine Treibhausgase

→ Umweltfreundlich

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1. Motivation

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Geothermisches Wasser, aus heißen Quellen oder natürlichen Becken, bereits von

„frühen“ Menschen genutzt

14. Jh.: erstes geothermische Fernwärmenetz in Chaudes-Aigues, Frankreich

1777: Erste industrielle Anwendung in Italien bei der Extraktion von Chemikalien

(Borsäure) aus natürlichen geothermischen Manifesten

1913: Fürst Piero Ginori Conti baut erstes Geothermiekraftwerk und erzeugt damit Energie (Leistung heute: 500 MWel)

1960: Bau des weltweit größten Projekts „The Geysers“ in den USA (850 MWel)

1960 – 2000: Entwicklung und Ausbau weiterer Anlagen in über 60 Ländern

Aktuell: weltweit 11.224 MW geothermische Kapazitäten installiert (Stand: Mai 2012)

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2. Geschichte

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3. Geothermiesysteme

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Hydrothermale Systeme

- Wasserführende Schicht in 2.000 – 4.000 Meter Tiefe

- Hochenthalpie-Lagerstätten (Lagerstätten mit aktivem Vulkanismus)

- Niederenthalpie-Lagerstätten (Lagerstätten in nichtvulkanischen Gebieten)

Petrothermale Systeme

- Bis 6000 Meter Tiefe

- Im Gestein gespeicherte Energie

- Wenig bis kein Wasservorkommen, daher i.d.R. Hot-Dry-Rock Verfahren

Tiefe Erdwärmesonde- Geschlossener Kreislauf eines Wärmeträgermediums (H2O, NH3, CO2)

- Beliebig tiefe Bohrung möglich

- Wärmegewinnung möglich

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3. Tiefe Geothermiesysteme

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4. Voraussetzungen

Wasser- /Dampfführende Gesteinsschicht

Hohe Förderrate

Hohe Permeabilität und Durchlässigkeit

Sedimentgesteine i.d.R. höhere Permeabilität (z.B.Sandstein, Kalkstein, etc.) als

kristalline Gesteine (Granit)

Hohe geothermische Gradienten (2,5 bis 3,5 °C pro 100 m Tiefenzunahme)

Für Stromerzeugung Thermalwasser von über 100 °C nötig

Durchlässigkeitsbeiwert kf und Permeabilität K

k f Q

i A

k f K g

kf: Durchlässigkeitsbeiwert in ms-1

Q: Volumenstrom in m3s-1

i: hydraulischer Gradient A: Fläche in m2

K: Permeabilität in m2

μ: Viskosität des Wassers ρ: Dichte des Wasser

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Hydrothermale Geothermie kennt zwei unterschiedliche Wärmequellen:

Thermalwasserfelder

- Heißwasser-Aquifere (Grundwasserleiter)

Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen

- Dampfvorkommen unter hohem Druck

- Temperatur: bis 250 °C

- Geologische Bedingungen in Deutschland nicht gegeben

- Dampf kann direkt in Turbine entspannt werden, kein Einsatz von

Seperator und Arbeitsfluid nötig

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5. Nutzungsmöglichkeiten

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Direkte Wärmenutzung

→ Temperatur: 20 – 150 °C

→ Einsatz von Wärmetauschern

→ Bei niedrigeren Temperaturen: Einsatz von Wärmepumpen

→ Nutzung in Thermalbädern, Fernwärmenetz

Flash-Kraftwerk zur Heißwassernutzung

→ Ab 150 °C

→ heißer Wasserdampf wird im Flash-Kraftwerk direkt in Turbine entspannt

Binärkraftwerk bei aggressiven Thermalwässern oder niedrigem Druck

ORC-Kraftwerk Kalina-Kraftwerk

→ Stromerzeugung ab 80 °C → Stromerzeugung unter 100 °C

→ Wärmeübertragung auf organisches → Arbeitsmedium: Ammoniak-

Arbeitsmedium Wasser-Gemisch → heute: z.B.: n-Pentan, früher: R11, R12 → Nachteil: NH3 ist basisch, giftig

→ Wirkungsgrad: 8 – 13 % → weltweit wenige Anlagen

→ höherer Wirkungsgrad als ORC

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5. Nutzungsmöglichkeiten

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Stromerzeugung und Wärmenutzung durch Binärkraftwerk

Förderbohrung und Injektionsbohrung

in wasserführender Schicht

Thermalwasser steig bis ca. 200 m unter

GOK

Tauchpumpe fördert Thermalwasser

Wärmetauscher entnehmen Wärme

des Thermalwassers

Wärme wird zur Stromproduktion und

für Fernwärmenetz genutzt

Thermalwasser wird über Injektions-

bohrung in die Tiefe gepumpt

Thermalwasser erwärmt sich wieder bis

es die Förderbohrung erreicht

Abgeschrägte Bohrungen um geo-

thermischen Kurzschluss zu vermeiden

Thermalwasserkreislauf

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6. Funktionsprinzip

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Flash-Kraftwerk zur Heißwassernutzung

Förder- und Injektionsbohrung

Verdampfung des Thermalwasser während Förderung (Druckabfall von 0,1 bar/m)

Seperator trennt Nassdampf in flüssige und gasförmige Phase

Zentrifugalkraft presst Flüssigkeit nach außen, wird in Injektionsbohrung gepresst

Entspannung des Trockendampfs in Turbine

Nach Turbine Kondensation über Kühlung (Trockenkühler oder Kühlturm) und

Verpressung in Injektionsbohrung oder entlassen des Dampfs in Atmosphäre

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6. Funktionsprinzip

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Geschlossener Thermalwasserkreislauf

Hoch aggressives Wasser

Hoher Salzgehalt Gelöste Gase ( CH4, N2, H2S,)

Rohrbeschichtung: Chromlegierungen, Epoxidharze

Flash-Anlage: Turbine mit aggressiven Stoffen in Kontakt → begrenzte Lebensdauer

Durch Wasserkreislauf wird der Aquifer hydraulisch nicht erschöpft

maximale Entnahmemenge ohne Kreislauf: 3 L/s (bei balneologischer Nutzung)

Permanenter Druck von 15 – 20 bar

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6. Funktionsprinzip

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Hohe hydrothermale Energie-

ressourcen im Norddeutschen

Becken, Oberrheingraben und

Molassebecken

Potentielle hydrothermale Vor-

kommen im Thüringer Becken

und der Süddeutschen Senke

Rot eingezeichnete Gebiete eignen

sich für die geothermische Strom-

erzeugung

Gelb eingezeichnete Gebiete

eignen sich für direkte Wärme-

nutzung mit Wärmetauscher

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7. Nutzungsgebiete und Anlagenstandorte

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Große Anlagenzahl im Molasse-

becken, besonders in und um

München

Große Zahl ungenutzter Standorte

(teilweise ist Bohrung eingestürzt

oder es wurde Öl gefunden)

19 Standorte in Betrieb (Stand: 2012)

- 18 nutzen hydrothermale

Geothermie

- 1 nutzt Sonde

- 185,3 MW Wärmeleistung

- 7,31 MW Elektrische Leistung

Mehr als 150 Thermalbäder (wegen

der Übersicht nicht aufgeführt)

Tiefste Momentan betrieben Boh-

ung: Horstberg mit 3920m

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7. Nutzungsgebiete und Anlagestandorte

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Förder- und Injektionsbohrung

Pumpenhaus

Wärmetauscher

Vorerhitzer und Verdampfer

Turbine

Trockenkühler (alternativ: Kühlturm)

Anschluss an Fernwärmenetz

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8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Förderbohrung Blau

Reinjektionsbohrung Rot

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8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Wärmetauscher

Vorerhitzer und Verdampfer

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8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Turbine in der Mitte

Generator im weißen Blechkasten rechts

Vorderes Grünes Rohr: Dampfweiterleitung zum Trockenkühler

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8. Anlagenaufbau am Beispiel Landau

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9. Vor- und Nachteile

PRO CONTRA

Dauerhaft zur Verfügung stehende Energiequelle Gute CO2-Bilanz Strom- und Wärmegewinnung Unabhängig von Witterung, Tages- und Jahreszeit Gesamtbilanz von eingesetzter zu gewonnener Energie ist positiv Keine bis nur geringe Umweltbelastung Preisstabil Relativ Geräuscharm → Regelung durch TA Lärm (für Wohngebiete: Nachts 40 dB) → direkt an Anlage: 70 dB (Lärm eines Rasenmähers) → in 600 Metern Entfernung: 40,2 dB (Brummen eines Kühlschranks)

Aufwendige Vorarbeiten (seismo- akustische Vermessung, Bohrung, etc.) In Deutschland nur in großen Tiefen und örtlich beschränkt (z.B Oberrheingraben) Externe Energiezufuhr für Wärmepumpen notwendig Erdbebengefahr geringer Stärken nach Bohrungen möglich (z.B.: Landau im September 2009) Nur wirtschaftlich, wenn Netz großer Wärmenachfrager gegeben ist (z.B.: Industrie, Großstädte) Fündigkeitsrisiko (geringe Temperatur, unzureichende Wasserförderrate) relativ hoch Geringer Wirkungsgrad von 8 – 13 % für die Stromerzeugung (bei ORC-Prozess) Hoher Platzbedarf (mehrere hundert m²)

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Investitionsvolumina von mehreren Millionen Euro

Großteil entfällt auf Bohrungen

Kosten für Backup-Systeme entfallen

Zusätzliche Wartungs- und Reperaturkosten,

falls aggressive Thermalwässer gefördert werden

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9. Vor- und Nachteile - Kosten

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Bundesregierung

Förderung jeder Projektbohrung mit bis zu 5 Millionen Euro

Förderung sonstiger geothermischer Anlagen mit bis zu 2,5 Millionen Euro

Bundeseigene KfW-Bank finanziert bis zu 10 Millionen Euro

KfW-Bank finanziert 80% der förderfähigen Kosten wenn Bohrung schief geht

→ Bundesregierung hat also großes Interesse an Erdwärmenutzung

Erneuerbare Energien Gesetz

Max. 25 Cent/kWh Vergütung für Strom aus Geothermie

Zum Vergleich: max. 21,11 Cent/kWh für Strom aus solarer Strahlungsenergie

max. 12,70 Cent/kWh für Strom aus Wasserkraft

4,87 Cent/kWh für Strom aus Windkraft

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10. Beitrag des EEG und der Bundesregierung zur Geothermieentwicklung

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Geothermie Unterhaching GmbH & Co KG

Geothermisches Heizkraftwerk

Investitionsvolumen: 90 Mio. €

Förderung: ca. 37 Mio. €

Amortisation: ca. 15 Jahre

Bauzeit: 7 Jahre

2009 in Betrieb gegangen

Thermalwasser: 122 °C

Förderrate: 150 l/s Leistung: 38 MWth

3,36 Mwel

Stromproduktion: ca. 7 GWh

Wärmeproduktion: ca. 73 GWh

Stromerzeugung: Kalina-Prozess

Angeschlossen an Fernwärmenetz

CO2-Einsparung: 24.333 t (2011)

Vergleich: Strom aus Atomkraft: 0,032 t CO2/MWh

Strom aus Kohlekraftwerk: 1,153 t CO2/MWh

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11. Geothermieheizkraftwerk Unterhaching

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

Umweltschonend und sauber

Geothermisches Potential in Deutschland noch nicht ausgeschöpft

Kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten

Einsatz eher für lokale Versorgung von kleineren Städten

Kein großtechnischen Anlagen wie zum Beispiel in den USA möglich

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12. Fazit

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Hydrothermale Geothermie – Konstantin Kirsch

[1] Internetseite des geothermischen Informationssystems:

http://www.geotis.de/

[2] Internetseite des Energieinformationsdienst BINE:

http://www.bine.info/hauptnavigation/publikationen/publikation/geothermie/Hydrothermale-geothermie/

[4] Internetseite über Geothermie:

http://www.regenerative-zukunft.de/erneuerbare-energien-menu/geothermie

[5] Internetseite GtV Bundesverband Geohtermie:

http://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/in-deutschland.html

[6] Internetseite des Geothermiestandorts Pullach:

http://www.iep-pullach.de/cms/index.php?idcat=10

[7] Internetseite des EEG:

http://www.clearingstelle-eeg.de/files/EEG-20120401.pdf

[8] Firat Uygur: Tiefe Erdwärmenutzung am Beispiel eines Geothermiekraftwerks in der Türkei

E-Book-Link

[9] Internetseite: Bayrisches Landesamt für Umwelt

http://www.lfu.bayern.de/geologie/geothermie/index.htm

[10] Geothermal Energy Association: International Market Overview Report May 2012

http://geo-energy.org/pdf/reports/2012-GEA_International_Overview.pdf

[11] Internetseite des Geohtermieheizwerks Unterhaching:

https://www.geothermie-unterhaching.de/cms/geothermie/web.nsf/id/pa_home.html

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Quellenverzeichnis