Prüfungsvorbereitung Geothermie

Prüfungsvorbereitung Geothermie
Definition: Geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der
festen Oberfläche der Erde
Quellen sind:
• Restwärme aus der Zeit der Entstehung der Erde vor ca. 5 Mrd. Jahren : Wärme
durch Aufprallenergie kosmischer Materie auf die Erdoberfläche, diese
„Resttemperatur“ hält bis heute an (ca. 30 % der verfügbaren Energiemenge)
• Radioaktiver Zerfall von K40, U 235 und U 238 sowie Th232. (ca. 70% der
Energiemenge)
Schalenmodell der Erde
Erdkruste
kontinentale Kruste: im Mittel 35 km mächtig Dichte 2,6 –2,9 g/cm³
ozeanische Kruste im Mittel nur 6 km mächtig
Oberer Erdmantel
bis 150 km kristallin, Dichte 3,7 –4,6
g/cm³ bildet zusammen mit der
spröden Erdkruste die Lithosphäre.
von 150 –350 km plastisch-duktil
Darunter bis ~ 700 km
Übergangszone steigende Dichte
Unterer Erdmantel
fest, Dichte 4,6 -5,5 g/cm³, genaue
Zusammensetzung unklar
Äußerer Erdkern
Anstieg der Dichte auf 9,5 g/cm³,
vermutlich besteht der äußere
Erdkern daher aus einer flüssigen Nickel-Eisen-Legierung (NIFE).
Innerer Erdkern
weiterer Anstieg der Dichte auf bis zu 14 g/cm³, aufgrund des hohen Druckes vermutlich aus
verfestigter Nickel-Eisen-Legierung
Arten der Geothermie
Oberflächennahe Geothermie
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Bis zu 400 m tief
Temperaturen < 50° C
Nutzung zur Klimatisierung und Wärmegewinnung
Anhebung des Temperaturniveaus durch Wärmepumpe
Tiefengeothermie
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Ab 400 m Tiefe
Temperaturen > 150° C
Für Wärme- und Stromgewinnung geeignet
Unterscheidung in:
 Hydrothermal
 Petrothermal
Allgemein
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Temperatur dicht unter der Erde im Mittel ca. 10° C
Temperatur steigt alle 100 m und ca. 3 K
Die Wärmepumpe
1. Verdampfen des Wärmeträger mittels Aufnahme der
Verdampfungswärme aus der Umgebung
2. Verdichten des Wärmeträgerdampfes Zufuhr von
mechanischer Energie
2. Wärmeträgerdampf kondensiert bei hohem Druck
Übertragung der Kondensationswärme an den Sekundärkreislauf
3. Entspannen des Kondensates Rückführung in den Kreislauf
Aufstellungsarten
Systeme
Monovalentes System
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Wärmepumpe deckt gesamten Leistungsverbrauch
der Verbrauchers
Möglich bei hohem Temperaturniveau der
Wärmequelle
Bei niedrigem Temperaturniveau oft nicht möglich
Jahresdauerlinie ausgeglichen
Bivalentes System
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Deckt Grundlastverbrauch des Verbrauchers
Für Spitzenlasten andere Wärmequelle (Ölheizung)
erforderlich
Bei unausgeglichener Jahresdauerlinie
Ungünstig, da zwei verschiedene Investitionen zu
leisten sind
Leistungszahl
Beschreibt das Verhältnis der bei bestimmten Betriebsbedingungen abgegebenen thermischen
Leistung der WP QWP (kW) bezogen auf die zugeführte elektrische Leistung Pel (kW).
D. h. pro 1 kW Strom werden theoretisch also 3 bis 5 kW Heizenergie erzeugt.
COP-Wert (Coefficient of performance)
Im COP-Wert ist zusätzlich auch die Leistungen von Hilfsaggregaten (Abtau-Energie, anteilige
Pumpenleistung für Heizungs-, Sole-bzw. Grundwasser-Förderpumpen) enthalten. Damit ist der COPWert ein Gütekriterium für die gesamte Wärmepumpenanlage.
Jahresarbeitszahl
Verhältnis des Jahresertrages an Heizarbeit (kWh/a) zur aufgewendeten Antriebs-und Hilfsenergie
(kWh/a). In der Praxis werden JAZ von 2,0 bis 4,0 erreicht.
Hydrothermale Geothermie
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Direkte Förderung vorhandener heißer Thermalwässer mit T>90°C
Nutzung der Thermalwassertemperatur zur Dampferzeugung in Dampfturbine
Medium: Wasser (wenn T>250°C), sonst org. Wärmeträger (Thermoöle) im ORC-Prozess
Thermalwasser: Oft hoher Salzgehalt (korrosiv), Kristallisationseffekte beim Abkühlen,
Ablagerungen in Rohrleitungen und Wärmeübertragerflächen, können gesundheitsschädl.
Gase enthalten, Gefahr von Druckschlägen beim entspannen (???)
ORC-Anlagen
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Funktionieren wie Dampfturbine
Verwendet werden aber Thermoöle (niedriger Siedepunkt, besondere Dampfdruckkurve)
Sinnvoller Einsatz zur Nutzung von Abwärme aus anderen Prozessen (z.B. in BHKW)
Beispiele/Daten deutscher Tiefengeothermie
Petrothermale Tiefengeothermie
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Nutzt die natürliche Wärme des heißen Gesteins in ca. 2000-6000 m Tiefe (Hot-Dry-RockVerfahren)
Mit hydraulischen und chemischen Stimulationsverfahren werden Risse und Klüfte erzeugt
In Risse wird per Injektionsbohrung unter hohem Druck Wasser eingepresst
Eine Förderbohrung pumpt das 90-150°C heiße Wasser wieder an Erdoberfläche
Wird wie hydr.thermie in ORC- oder Kalina-Verfahren genutzt
Es werden Risse mit unbekannten geologischen Auswirkungen erzeugt
Veränderung des geologischen Spannungszustandes
2010 wurden rund 5300 GWh (Wärme) in Deutschland erzeugt!