2013

Report
1
Gliederung
1. Was ist Geothermie?
1.1
Radioaktive Zerfallsprozesse
1.2
Terrestrischer Wärmestrom und
geothermischer Gradient
2. Erschließung von Erdwärme
3. Nutzung dieser Energieform
3.1
Erkundung des Bodens
3.2
Tiefe Geothermie - Schema
3.2.1 Enthalpie - Lagerstätten
3.3
Tiefe Geothermische Systeme
2
Gliederung
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
3.3.1
Hydrothermale Geothermie
3.3.2
Petrothermale Geothermie
Experiment
Vorreiter der Erdwärmenutzung
Erdwärme in Deutschland
Kosten von Geothermie in Deutschland
7.1 Kostenberechnung
Wirtschaftlichkeit
Vor - Nachteile
Quellen
3
Was ist Geothermie?
 Erdwärme kann synonym verwendet werden
 Energie wird aus der Restwärme der Erde
gewonnen
d.h. KEINE!!! Erneuerbare Energie
 ABER: Potential liegt bei mehreren Millionen Jahren
4
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)
5
Radioaktive Zerfallsprozesse
Zerfallsreihe für:
Thorium - 232
&
Uran - 235
&
Uran - 238
6
7
Massenzahl
8
Massenzahl
Massenzahl
9
Radioaktive Zerfallsprozesse
Kalium - 40
40K
→
40Ca
+ b
-
ca. 89,28 %
(Beta- -Zerfall)
40K
+ b →
-
40Ar
(Beta+ -Zerfall)
10
ca. 10,72%
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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
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Erschließung von Geothermie
Durch aufzeichnen des Untergrundes
13
Erschließung von Geothermie
Durch Bohrungen
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Tiefe Geothermie - Schema
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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)
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Tiefe Geothermische Systeme
Geothermie
Hydrothermal
- Aquifer wird benötigt
- ca. 2 km - 4 km tiefe
- Arbeitsmittel
zur Stromerzeugung
Petrothermal
- Risse im Gestein werden
benötigt
- ca. 5 km - 7 km tiefe
- ebenfalls Arbeitsmittel
Warum siedet das Wasser unter Druck nicht? - Hier
17
Hydrothermale Geothermie
http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo
Zurück zur Übersicht
18
Petrothermale Geothermie
Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren
http://www.youtube.com/watch?v=fEOaPOlfJ8I
Zurück zur Übersicht
19
Experiment
Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei
unterschiedlichen Drücken
siehe Arbeitsblatt
20
Experiment - Auswertung
Phasendiagramm des Wassers
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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 erzielbar
z.b. bei 96°C Eingangstemperatur nur 7,5 % Brutto
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Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren
Schema:
 http://www.gmk.info/ORC.133.html#
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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.
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Kalina - Verfahren - Schema
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Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren
 nicht - isotherme Verdampfung Bzw. Kondensation, dadurch
eine Annäherung der Wärmequelle
und -senke
 Anhebung der mittleren
Temperatur der Verdampfung
und Absenkung der mittleren
Temperatur der Kondensation
-> geringere Energieverluste bei der
Wärmeübertragung
-> Erhöhung des Wirkungsgrades
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Vergleich ORC und Kalina - Verfahren
Vorteile:
- Investitionskosten gering
- Platzbedarf ist gering
ORC Nachteile:
- Umweltschädlich
- Geringer Wirkungsgrad
- Sorgfältige Abdichtung des Sekundärkreislaufes
notwendig
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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
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Vergleich ORC und Kalina - Verfahren
Kalina - Prozess Nachteile:
- gesundheitsschädlich
- Hochlegierte Kreislaufkomponenten erforderlich
(Ammoniakreicher Dampf wirkt stark korrosiv)
- Hohe Investitionen nötig
- Viel platz wird gebraucht
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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!!!
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Vorreiter der Erdwärmenutzung
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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
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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
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Erdwärme in Deutschland
Deutschland schreibt 95 % des gesamten Potenzials der
petrothermalen Energieerschließung gut.
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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
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Kosten von Erdwärme
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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
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Kosten von Erdwärme
Parameter:
max. 3,36 MW elektrisch
max. 38 MW thermisch
8000 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!
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Kostenberechnung
Formel : Leistung (MW) x Zeit (h) = Arbeit (MWh)
Rechnung:
3,36MW x 8000h = 26.880MWh = 26.880.000 kWh x 0,25€ /kWh
Maximale jährliche Vergütung von 6.720.000 €.
38 MW x 8000h = 304.000MWh = 304.000.000 kWh x 0,0646€ /kWh
Maximale jährliche Vergütung von 19.638.400€.
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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 Jahre
Somit hätten wir das Komplette KW abbezahlt und 19,1 Mio €
Gewinn nach 5 Jahren erwirtschaftet!
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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)
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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
42
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
43
Quellen
http://www.geothermie.de/wissenswelt/geothermie/einstieg-in-die-geothermie/ursprung-geothermischer-energie-undgeothermischer-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. 7-9
Physikbuch Seite 160
Fol.20
http://szablinski.de/Themen/Vergleich_binarer_Kraftwerke.pdf
Fol.29 , 28
http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB112-04.htm Fol. 22
http://www.internetchemie.info/chemiewiki/index.php?title=Kalium-Isotope
Fol. 10
http://www.swm.de/dms/swm/bilder/erneuerbare/energiearten/geothermie/schema-geothermie.jpg
Fol. 15
http://www.youtube.com/watch?v=lDq6AlD_eWo
Fol.31
http://www.ftd.de/politik/international/:wissen-island-strebt-mit-erdwaerme-unabhaengigkeit-vom-erdoelan/1068298479869.html
Fol. 30
http://de.wikipedia.org/wiki/Ammoniak
Fol. 24
http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/BMU_tiefe_geothermie_sep07.pdf
Fol. 32 , 33 , 34 , 35
http://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 , 38
http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermiekraftwerk_Neustadt-Glewe
Fol.22
http://www.geokraftwerke.de/fileadmin/geothermie/images/geothermie_projektablauf_1.jpg
Fol.13
http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/69e2d3bcc021709fc12577ba00353b8e/%24file/Energie_Bentec_01.jpg
Fol.14
44
Quellen
http://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.38
http://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, 41
http://www.youtube.com/watch?v=xbiPwp9_iqo
Fol.18
http://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://w
ww.geocaching.com/seek/cache_details.aspx%3Fguid%3D5515b9d6-2f01-4e15-9351b311df85e643&docid=WJKS0GmPke8zIM&imgurl=http://www.geo-thermerdwaerme.de/files/erdkern.jpg&w=580&h=292&ei=7ndvUeGLMY6rOue0gagH&zoom=1&iact=hc&vpx=379&vpy=193&dur=2059&hovh=159&hov
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Fol.11
http://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:&imgrefu
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Fol.25
45

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