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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
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 3
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]:
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 4
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 5
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 6
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!
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 7
Wie wird die Erdwärme genutzt?
Erdwärme
OberflächengeothermieTiefengeothermie
- Hydrothermale Systeme- Petrothermale Systeme- Tiefe Erwärmesonden
Wärme Strom
Wärme
HochenthalpielagerstättenNiederenthalpielagerstätten
Strom Wärme
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 8
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
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 9
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 10
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 11
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 12
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).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 13
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
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 14
Tiefengeothermie in Braunschweig?
Geothermisches Informationssystem für Deutschland (http://www.geotis.de)
Abb. 15: Isothermen, Vertikaler Schnitt in Braunschweig (geotis.de, 2013).
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 15
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
28. Juni 2013| Michael Garbowski | Geothermie – Grundlagen und Verfahren | Seite 16
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.