Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Michael Garbowski, 28.06.2013 Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien:

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Michael Garbowski, 28.06.2013

Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien:

Geothermie – Grundlagen und Verfahren

28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 2

Inhalt

1. Warum ist die Erde heiß?

I. Energie aus Urzeit

II. Aufbau der Erde

2. Zum Mittelpunkt der Erde!

I. Bohrverfahren

II. Wissenschaftliche Bohrungen

3. Wie wird die Erdwärme genutzt?

I. Oberflächengeothermie

II. Tiefengeothermie

i. Hydrothermale Systeme

ii. Petrothermale Systeme

iii. Tiefe Erdwärmesonden

4. Pro & Contra


Warum ist die Erde heiß? - Energie aus der Urzeit

1. Entstehung der Erde (vor 4,6 Mrd. Jahre)

Kinetische Energie Innere Energie

2. Zerfall der radioaktiven Elemente (238U, 232Th, 40K)

Atombindungsenergie Innere Energie

3. Dichteunterschied der Elemente

Gravitatonsenergie Innere Energie

4. Gezeitenkräfte (Sonne, Mond)

Bewegungsenergie Innere Energie

Fe O2 Si Mg S Ni Ca Al Rest C

32,1 % 30,1 % 15,1 % 13,9 % 2,9 % 1,8 % 1,5 % 1,4 % 1,2 % 0,017 %

Abb. 1: Junge Erde, Illustration (Spiegel.de, 2013).

Elemente der Erde [in % der Erdmasse]:


Warum ist die Erde heiß? – Aufbau der Erde

Kugelähnliche Form

Das kleinste A/V-Verhältnis (R=6.300km)

Schalenmodell:

Kern:

Innen: Fe+Ni, fest, ρ = 10 g/cm³, T = 5.000 – 7.000 °C

Außen: Fe, flüssig, ρ = 10 g/cm³, T = 3.000 – 5.000 °C

Erdmantel: Unterer Mantel: Magnesium-Eisen-Silikate,

flüssig, ρ = 3,5 – 5 g/cm³, T = 1.500 – 3.000 °C

Oberer Mantel: Silikate + Oxide, zähplastisch,

ρ = 3,5 – 5 g/cm³, T = 1.000 – 1.500 °C

Erdkruste: Silikate, fest, 50 % der Masse O2 (95 Vol.-%)

ρ = 2 – 3,5 g/cm³, T(60 km) = 1.000 °C

gradT = 5 – 80 °C/km (i.w.M. 25 °C/km) Ozeanische Kruste: H = 8 km (i.w.M.) Kontinentale Kruste: H = 35 km (i.w.M.)

Abb. 2: Schalenaufbau der Erde (geodz.com, 2013).


Zum Mittelpunkt der Erde! – Bohrverfahren

Tiefe:

Flachbohrung, bis 500 m

Tiefbohrung, bis 5.000 m

Übertiefe Bohrung, > 5.000 m

Raumlage:

Vertikalbohrung

Horizontalbohrung

Schrägbohrung

Art der Gesteinszerstörung:

Vollbohrung (gebrochener Gestein)

Kernbohrung (zylindrischer Gesteinskörper - Bohrkern)

Abb. 4: Rotary-Bohrverfahren: (1)Saugtank; (2)Rotary-Spülpumpe; (3)Steigleitung; (4)Spülschlauch; (5)Spülkopf; (6)Kelly; (7)Bohrgestänge; (8)Schwerstangen; (9)Bohrwerkzeug; (10)Preventer; (11)Drehpreventer; (12)Schüttelsieb; (13)Drehtisch; (14)Kompressor; (15)Rückschlagventil; (16)Austragschlauch (geodz.com, 2013).

Abb. 3: Bohrkopf (fotos-informationen.de/tiefbohrung, 2013).


Zum Mittelpunkt der Erde! – Wissenschaftliche Bohrungen

Tiefste Bohrung 1970-1989, Halbinsel Kola in Russland (HKruste = 30 km),

12.262 m, T = 180 °C Natürlicher Wärmestrom ca. 70 kW/km²

Kontinentale Tiefbohrung (KTB) 1987-1995, Windscheschenbach in Oberpfalz 9.101 m, T = 265 °C

Abb. 6: Geothermischer Gradient, KTB (geodz.com, 2013).

Abb. 5: Wärmestromdichte, Kola-Bohrung (geodz.com, 2013).

KTB: TU Braunschweig entwickelte Dreiachs-Hochtemperaturbohrlochmagnetometer, zur Messung des Erdmagnetfeldes im Bohrloch, Einsatz bei Tmax = 300 °C, pmax = 2.800 bar!


Wie wird die Erdwärme genutzt?

Erdwärme

OberflächengeothermieTiefengeothermie

- Hydrothermale Systeme- Petrothermale Systeme- Tiefe Erwärmesonden

Wärme Strom

Wärme

HochenthalpielagerstättenNiederenthalpielagerstätten

Strom Wärme


Oberflächengeothermie

- Tiefe bis ca. 400 m- Tnutz = 10 – 20 °C

- Meist Wärmepumpenheizung (ε = 3,5 – 6,0)- Gebäudekühlung möglich

Abb. 7: Temperaturverlauf im Erdreich (Umweltministerium Bayern, 2013).

Abb. 8: Wärmepumpennutzung: (1)Verdampfer; (2)Kompressor; (3)Kondensator; (4)Expansionsventil (Umweltministerium Bayern, 2013).

gradT = 2,5-3,0 °C/100 m


Tiefengeothermie – Hydrothermale Systeme

Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen

Niederenthalpie-Lagerstätten• Tiefe: 1.000 bis 4.500 m

• Tnutz = 40 – 150 °C

Geothermische Heizzentralen (GHZ)

• Tnutz > 80°C

Stromerzeugung über Sekundärkreislauf mit

Organic-Rankine-Cycle, ɳel,max = 8-12 %

(z.B. GKW Landau, ɳel = 5 MW)

• Tnutz > 150 °C

Stromerzeugung, direkt mit

Heiß- und Trockendampfvorkommen Stromerzeugung, indirekt über Sekundärkreislauf

Abb. 9: Hydrothermale Wärmenutzung am Beispiel der Neustadt-Gleve, ɳel = 0,2 MW, ɳth = 5,5 MW (Erdwärme-Kraft GbR).


Tiefengeothermie – Hydrothermale Systeme

Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen

Hochenthalpie-Lagerstätten• Geologischen Wärmeanomalien werden angeschlossen:

Hohe Temperaturen (> 200 °C) in geringen Tiefen (< 2.000 m)• Hohe elektrischen Wirkungsgrade möglich

BSP: Nesjavellir-Kraftwerk, Island• 10 Bohrlöcher (Tiefe: 1.000 – 2.000 m)

• Tnutz = 380 °C

• Pel = 120 MW• Pth = 300 MW• Energiereserven: 30 Jahren,

danach Abnahme der Leistung• Investitionskosten: ca. 190 Mio. US$

Abb. 11: Nesjavellir-Kraftwerk, Island (wikipedia.org, 2013).

Abb. 10: Nesjavellir-Kraftwerk, Island, Lage (wikipedia.org, 2013).


Tiefengeothermie – Petrothermale Systeme

Heißes, wenig permeables Gestein wird angeschlossen

Verfahren: Hot-Dry-Rock (HDR)

Hot-Wet-Rock (HWR)

Hot-Fractured-Rock (HFR)

Enhanced-Geothermal-System (EGS)

• Erzeugung / Aufweitung der Fließwege im Gestein

durch eine hydraulische Simulation• Injektions- und Produktionsbohrung

• Injektion von Wärmeträgermedium (Wasser, CO2 u.ä.)

• Tiefe: ab 4.000 m

• Tnutz > 150 °C

• Überwiegend Stromerzeugung• 95 % des gesamten geothermischen Potentials

in DeutschlandAbb. 12: HDR-Verfahren (wikipedia.org, 2013).


Tiefengeothermie – Tiefe Erdwärmesonden

Ein geschlossenes System zur Wärmegewinnung

• Tiefe: 2.000 – 3.000 m

• Tnutz = 90 – 120 °C

• Direkte Wärmenutzung• Bei kontinuierlichem Bedarf Anschluss an

Wärmepumpe notwendig• Nutzung der alten Bohrungen (z.B. Öllagerstätte)

Abb. 13: TEWS in Luzern, Schweiz (stadt-zuerich.ch, 2013).


Pro & Contra

Wärmebereitstellung gesamt: ca. 28 GW

Stromerzeugung gesamt: ca. 11 GW

Abb. 14: Nutzung der Geothermie, global (BGR, Energierohstoffe, 2009).

Positiv Negativ

Kaum THG AusstoßWirtschaftlichkeit bis max. 3.000 m

Tiefe gegeben (heute)

Unbegrenzte EnergievorkommenIneffiziente Stromgewinnung in

Niederenthalpielagerstätten

Keine Fluktuationen wie bei Sonne und Wind

Mineralhaltiges, starkkorrosives Thermalwasser

Effizienter Ansatz mit Wärmepumpen für Gebäudeheizung


Tiefengeothermie in Braunschweig?

Geothermisches Informationssystem für Deutschland (http://www.geotis.de)

Abb. 15: Isothermen, Vertikaler Schnitt in Braunschweig (geotis.de, 2013).


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Quellen

• GeoDataZone, Das Lexikon der Erde, www.geodz.com.• http://www.stadt-zuerich.ch.• Wikipedia, wikipedia.org• http://www.regenerative-zukunft.de/erneuerbare-energien-menu/geothermie.• GtV, Bundesverband Geothermie, http://www.geothermie.de• Geothermisches Informationssystem für Deutschland, http://www.geotis.de.• Focus online, www.focus.de.• Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR), www.iwr.de.• Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirschaftlichkeit, Umweltaspekte; M. Kaltschmitt, W.

Streicher, A. Wiese (Hrsg.), 4. Auflage, 2006, Springer.• Erneuerbare Energien: Innovationen für nachhaltige Energiezukunft; Bundesministerium für

Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit; 8. Auflage, Oktober 2011.

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