Geothermie M Menacer 1 Gliederung 1 Was ist
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Geothermie M. Menacer 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 40 K → 40 Ca + b - ca. 89, 28 % (Beta- -Zerfall) 40 K - + b → 40 Ar (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 65 m. W/m² an der Erdoberfläche § Geoth. Gradient ergibt sich daraus (Mittelwert: 3°C/100 m) In vulkanischen Gebieten sogar 10°C - 20°C / 100 m 12
Erschließung von Geothermie Durch aufzeichnen des Untergrundes 13
Erschließung von Geothermie Durch Bohrungen 14
Tiefe Geothermie - Schema 15
Enthalpie - Lagerstätten Hochenthalpie-Lagerstätten: § Wärmeanomalie in vulkanischen Gebieten § Fluide u. /od. Wasserdampf in niedrigen Tiefen (ca. 2000 m über 200°C) Niederenthalpie-Lagerstätten: § Nur Stromerzeugung durch ein leicht Siedendes Arbeitsmedium § Tiefen bis zu 6000 m nötig (ca. 160°C - 180°C) 16
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=xbi. Pwp 9_iqo Zurück zur Übersicht 18
Petrothermale Geothermie Oder auch Hot-Dry-Rock-Verfahren http: //www. youtube. com/watch? v=f. EOa. POlf. J 8 I Zurück zur Übersicht 19
Experiment Untersuchung des Siedepunktes von Wasser bei unterschiedlichen Drücken siehe Arbeitsblatt 20
Experiment - Auswertung Phasendiagramm des Wassers 21
Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren Organischer Rankine Kreislauf (ORC): § Niedrig siedende Arbeitsmittel (z. b. Perfluorpentan) § Bei geringen Temperaturen vergleichsweise große Verdampfung § Siedet bei 4000 h. Pa Überdruck bei 75°C § Aber nur sehr geringe Wirkungsgrade erzielbar z. b. bei 96°C Eingangstemperatur nur 7, 5 % Brutto 22
Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren Schema: § http: //www. gmk. info/ORC. 133. html# 23
Arbeitsmittel nach Kalina - Verfahren § Ammoniak - Wasser - Gemisch § Siedetemperatur von NH 3 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. 24
Kalina - Verfahren - Schema 25
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 26
Vergleich ORC und Kalina - Verfahren Vorteile: - Investitionskosten gering - Platzbedarf ist gering ORC Nachteile: - Umweltschädlich - Geringer Wirkungsgrad - Sorgfältige Abdichtung des Sekundärkreislaufes notwendig 27
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 28
Vergleich ORC und Kalina - Verfahren Kalina - Prozess Nachteile: - gesundheitsschädlich - Hochlegierte Kreislaufkomponenten erforderlich (Ammoniakreicher Dampf wirkt stark korrosiv) - Hohe Investitionen nötig - Viel platz wird gebraucht 29
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!!! 30
Vorreiter der Erdwärmenutzung 31
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 32
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 33
Erdwärme in Deutschland schreibt 95 % des gesamten Potenzials der petrothermalen Energieerschließung gut. 34
Erdwärme in Deutschland Theoretisches hydrothermales Potenzial liegt bei schätzungsweise 1574 Exajoule = 1. 574. 000 Joule = 1. 574 x 1018 Joule § 300 -Fache der jährlichen Gesamtwärmenachfrage in Deutschland 35
Kosten von Erdwärme 36
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 37
Kosten von Erdwärme Parameter: max. 3, 36 MW elektrisch max. 38 MW thermisch 8000 Volllaststunden pro Jahr Einspeisevergütung lt. EEG: 0, 25€ / k. Wh (Stand 13. 04. 13) Arbeitspreis für Wärme in Unterhaching: 0, 0646 € / k. Wh Aufgabe: Berechne die maximale jährliche Vergütung der Strom -und Wärmeerzeugung des Erdwärme-KW in Unterhaching! 38
Kostenberechnung Formel : Leistung (MW) x Zeit (h) = Arbeit (MWh) Rechnung: 3, 36 MW x 8000 h = 26. 880 MWh = 26. 880. 000 k. Wh x 0, 25€ /k. Wh Maximale jährliche Vergütung von 6. 720. 000 €. 38 MW x 8000 h = 304. 000 MWh = 304. 000 k. Wh x 0, 0646€ /k. Wh Maximale jährliche Vergütung von 19. 638. 400€. 39
Wirtschaftlichkeit Ab wann rentiert sich ein Erdwärmekraftwerk? Rechnung: 6, 72 Mio € - 4, 5 Mio € = 2, 22 Mio € / Jahr + 19, 6 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! 40
Vor - und Nachteile Vorteile: - Überragende Volllastzeit - Grundlasttauglich (unabhängig vom Wetter und der Zeit) - Konstante Strom - und Wärmeerzeugung - CO 2 - frei (solange ein geschlossener Systemkreislauf besteht) - Enormes Potenzial - Ermöglicht eine dezentrale Strom -u. Wärmeversorgung - Sehr junge Technologie (stark ausbaufähig) 41
Vor - und 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/SB 112 -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=l. Dq 6 Al. D_e. Wo 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_sep 07. 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: //www 04. abb. com/global/seitp 202. nsf/0/69 e 2 d 3 bcc 021709 fc 12577 ba 00353 b 8 e/%24 file/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=xbi. Pwp 9_iqo Fol. 18 http: //www. youtube. com/watch? v=f. EOa. POlf. J 8 I Fol. 19 http: //www. google. de/imgres? q=erdkern&um=1&client=opera&sa=N&channel=suggest&hl=de&tbm=isch&tbnid=YY 4 z 5 uj. COOi. DQM: &imgrefurl=http: //w ww. geocaching. com/seek/cache_details. aspx%3 Fguid%3 D 5515 b 9 d 6 -2 f 01 -4 e 15 -9351 b 311 df 85 e 643&docid=WJKS 0 Gm. Pke 8 z. IM&imgurl=http: //www. geo-thermerdwaerme. de/files/erdkern. jpg&w=580&h=292&ei=7 ndv. Ue. GLMY 6 r. Oue 0 gag. H&zoom=1&iact=hc&vpx=379&vpy=193&dur=2059&hovh=159&hov w=317&tx=128&ty=100&page=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1 t: 429, r: 24, s: 0, i: 165&biw=1366&bih=636 Fol. 11 http: //www. gmk. info/ORC. 133. html# Fol. 23 http: //www. google. de/imgres? q=kalina+verfahren+schema&client=opera&hs=7 LO&sa=X&channel=suggest&tbm=isch&tbnid=T 4 v 32 MTv 4 j 2 fg. M: &imgrefu rl=http: //www. gec-co. de/de/Kalina&docid=DRhzzbhez. Rw. Kl. M&imgurl=http: //www. gecco. de/files/IMG%252520 I 0116%252520 Kalina%252520%2526%252520 W%2525 C 3%2525 A 4 rmenutzung_450. jpg&w=450&h=318&ei=f. Idv. Udeo. Fo 6 7 Peug. IAP&zoom=1&iact=rc&dur=1&page=1&tbnh=141&tbnw=199&start=0&ndsp=16&ved=1 t: 429, r: 0, s: 0, i: 85&tx=111&ty=222&biw=1366& bih=636 Fol. 25 45
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