Tiefe Geothermie

Tiefe Geothermie
2
Ursprung
p g der Geothermie
► zum
Teil (ca.30(ca.30
(ca 30-50 %) aus der Restwärme
aus der Zeit der Erdentstehung zum
anderen
d
(ca.50
(ca.50(
0-70
0 %) aus radioaktiven
di k i
Zerfallsprozessen
p
► Ganz oberflächennah kommen Anteile aus
der Sonneneinstrahlung auf die
Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt
mit
it der
d Luft
L ft dazu.
d
3
Oberflächennahe Nutzung der
Geothermiewärme
Als Basis aller Anwendungen wird immer eine
Wärmepumpe eingesetzt.
Für den Entzug der Wärme aus dem Erdreich gibt
es verschiedene Techniken:
1 Erdregister
1.
Ed i t
2. Grundwasserwärmepumpe
3. Erdwärmesonden
4 Erdberührte Bauteile,
4.
Bauteile Energiepfähle
4
Erdregister
ca. 2- bis 3fache Größe der zu beheizenden Fläche
Verlegetiefe
V
l
ti f liliegtt zwischen
i h 1
1,2
2 m ((unterhalb
t h lb
der Frostgrenze) und 1,6 m (Abtauen der
Vereisung im Frühjahr muss gewährleistet
sein).
Energiegewinnung durch:
-Nutzung einer Temperatur von ca. 5 °C
-Verlegeabstand der Rohrschlangen von ca. 0,8 m
1.Sole/Wasser- Betrieb
Zwei Betriebsweisen
2.Direktverdampfungsbetrieb
5
Grundwasserwärmepumpe
p p
Grundwasser hat ganzjährig eine gleichbleibende
Temperatur von 7 bis 12°C
ö de u g des G
Grundwassers
u d asse s
Förderung
über Entnahmebrunnen
Zurückführung des Grundwassers
über Schluckbrunnen
Brunnenabstand
B
b t d sollte
llt b
beii ca. 30 m liliegen. (V
(Verhinderung
hi d
eines
i
“Temperaturkurzschlusses” und die damit verbundene Abnahme der
Wärmeentzugsleistung)
Übliche Brunnentiefen liegen zwischen 8 bis 10m
Grundwasser kühlt je nach Auslegung um bis zu 5 Grad ab
(Achtung: Beachtung der Wasserschutzbestimmungen)
6
Erdwärmesonde
Erdreich hat ab einer Tiefe von ca. 15 m eine relativ
konstante Temperatur in von ca. 10 °C
Die Sonden werden in Bohrungen von 30 bis 200 Metern
Tiefe verlegt
Verlegeabstand bei Anwendung mehrerer Erdsonden
von mindestens 5 m um eine gegenseitige
Beeinflussung zu vermeiden
Es gibt zwei grundsätzliche Bauarten von Erdwärmesonden:
Die Formel zur groben Abschätzung der
Sondenlänge lautet:
Koaxialrohr
U-Rohr
erf. Gesamtbohrtiefe (m) = erf. Kälteleistung (W) /
Spez. Entzugsleistung (W/m)
7
Erdberührte Bauteile und
E
Energiepfähle
i fähl
Ausnutzung
g der zur Statik benötigten
g
Betonfundamenten als Wärmespeicher und
Wärmeleiter
Einbau von U-Rohrschlaufen aus
flexiblen Kunststoff
Diese werden:
- Bei Fertig- und Ortbetonpfählen an der Armierung befestigt und in Beton
eingegossen
- Bei Schleuderbetonpfählen werden sie erst nachträglich in den Hohlraum
des Pfahles eingeführt und die Zwischenräume mit einem gut
wärmeleitfähigen Stütz- oder Füllmaterial aufgefüllt
Der Mehraufwand, die in Frage kommenden Bauteile als Wärmequelle zu
nutzen, ist relativ gering (Kostengünstige Variante der Erdwärmesonde,
da keine zusätzliche Bohrung nötig)
8
Wärmepumpe
p p
Ausgangspunkt für die Dimensionierung einer Wärmepumpe ist die
b öti t H
benötigte
Heizleistung
i l i t
eines
i
G
Gebäudes
bä d
Wichtige Parameter für die Effizients einer Wärmepumpe:
Leistungszahl: gut ca. 6
9
Tiefe Geothermie
► Thermalwassernutzung
► Hydrogeothermische
Dublett9
Dublett9
► Tiefe Erdwärmesonden
► Hot Dry Rock – Verfahren
Verfahren9
9
► Direkt Steam
Steam9
9
► Nutzung von Bergbaugebieten
Projektarbeit Grundlagen der Geothermie
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Hydrogeothermische Dublette
►
►
►
►
unterirdischer
Thermalwasser–
Thermalwasser
–Kreislauf
Tiefenwasser wird wieder in
den Entnahmehorizont
zurückgeführt
Mindestabstand von 1500m
(Kaltwasserkurzschluss)
Mindestlebensdauer von 25 –
30 Jahre
Projektarbeit Grundlagen der Geothermie
11
Direct Steam
►
►
►
►
►
Erdwärme in Form von gesättigten oder leicht überhitztem
Wasserdampf (z.B. Island)
k t
kostengünstige
ü ti Variante
V i t
Prozess nutzt den geförderten Wasserdampf, der zuvor
einen Partikelfilter durchströmt hat,
hat direkt
Einsatz von Gegendruckturbine (eta
(eta:: 60 %), oder
Kondensatorturbine (eta
eta:: 85 %) (bei T>250 °C).
C)
Zwischen 0 – 100 % Rückführung des Kondensat wieder in
das Reservoir
12
Direct Steam
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HDR - Verfahren
V f h
►
►
►
►
►
kristallines Gestein in bis
zu 6 km Tiefe
Grundgebirge mit Risse
und
d Klüf
Klüfte
Erhöhung der
Permeabilität (Frac
(Frac))
riesiger WT um heiße
Zonen zu nutzen
Cracken der
Gesteinsschichten
notwendig
t
di
14
Stromerzeugung mit geringen
Prozesstemperaturen
► der
ORC - Prozess
(Organic--Rankine(Organic
Rankine-Cycle)
► der
Kalina - Prozess
15
ORC - Prozess
►
►
►
organisches Arbeitsmittel (Perfluorpentan (C5F12) )
Siedetemperatur bei 1 bar von 30°
30°C
Einsatz schon ab 90 °C Prozesstemperatur
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K li - Prozess
Kalina
P
►
►
►
Einsatz schon ab 90
90°°C
Prozesstemperatur
Arbeitsmittel ist ein
Ammoniak–
Ammoniak
–Wasser –
Gemisch
keinen fixen Siedepunkt
(Siedebereich) dadurch
(Siedebereich),
gute Anpassung an
Temperaturbereiche
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Bohrungen und
Bohrverfahren
Aufschließung
g des Untergrundes
g
• Grundwasserstände bestimmen
• Probennahme
P b
h
((z.B.Korngrößenanalyse)
(z.B.
B Korngrößenanalyse)
K
öß
l
)
• Temperaturmessung
•
Bohrverfahren
►
Richtbohrverfahren (Erdölindustrie)
►
Schlagbohrverfahren, < 600m
►
Rotarybohrverfahren,, > 500m
Rotarybohrverfahren
19
Rotary
bohrverfahren
►
►
►
►
►
►
tíefer als 500m
L k &F t
Locker&Festgestein
t i
diamantbesetzter Bohrkopf
S ü
Spülung
bis zu 300 bar
Rohre mit Glasfaser
b
beschichtet
hi ht t
HDR
20
Aquifertypen
• variierende Transmissibilitäten beeinflussen Fließraten
Ö Poren
Poren--Wasserleiter
(überwiegend Sandsteine)
Ö Kluft
Kluft--Wasserleiter
(Sand&Karbonatgesteine)
Ö Karsthohlräumen
((Karbonatgesteine)
g
)
K i t lli G
Kristalline
Gesteine
t i
►
►
►
►
meist Granit oder Gneise
Permeabilität für die Wärmegewinnung viel zu
gering → trockene heiße Gesteine
geringe Porosität
Nutzung der Kristallingesteine ist Ziel des
Hot--DryHot
Dry-RockRock-Verfahrens
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Ergebnis
¾ ca. 50
50€
€/m für Oberflächennahe Geothermie
o kein Fündigkeitsrisiko
o nur Wärmebereitstellung
o keine Stromproduktion
¾ ein paar hundert für tiefe Geothermie
o Fündigkeitsrisiko
g
o Strom&Wärmebereitstellung
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Ergebnis
¾ jährliches technisches Angebotspotenzial von
ca. 300 TWhel/a, ≈ ½ der gegenwärtigen
Bruttostromerzeugung
B tt t
(DTL.)
(DTL )
¾ Oberflächennahe Geothermie ist ausgereift
(Einsatz von Strom erforderlich ausschliesslich für Wärmebereitstellung !)
¾ tiefe Geothermie nur in Störzonen rentabel
¾Geringer Platzbedarf
¾Grundlastfähig & Witterungsunabhängig
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Vielen
Dank für die
Aufmerksamkeit
25