Geothermische Energie

GEOTHERMISCHE
ENERGIE
von Stefan Seifert
Gliederung
 Allgemeines zur Geothermie
 Verschieden Arten der Geothermie
 Oberflächennahe Geothermie
Tiefe Geothermie
 Modell Island
 Quellen
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Allgemeines
 Geothermie (Erdwärme)  die im zugänglichen
Erdmantel gespeicherte Wärme
 Kann als regenerative Energiequelle direkt oder
indirekt genutzt werden
 Beeindruckende geothermische Phänomene
rund um den Globus (Island, Hawaii,
Philippinen,….)
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 Schon von den Römern in Thermalbädern
genutzt
WOHER??
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Aufbau der Erde
Die Erde ist im Inneren warm!
Sie strahlt über ihre Oberfläche
Energie ab (0.063 W/m2)
Bis 10km Tiefe sind ca. 1026
Joule gespeichert
(100 Quadrillionen Joule!!!)
210.000 fache des
Primärenergieverbrauchs 2004
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Ursachen der Erdwärme
1. Gespeicherte Energie aus der Entstehungszeit der
Erde; dazu zählt auch Kristallisationswärme aus
dem Phasenübergang flüssig  fest
(ca. 50% des Wärmestroms)
2. Wärme durch Radioaktive Prozesse im Erdinneren;
Zerfall radioaktiver Elemente wie etwa Uran und
Thorium
(ca. 50% des Wärmestroms)
3. Oberflächennahe Wärme durch
Sonneneinstrahlung
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Geothermische Tiefenstufe
 = Steigung der
Temperaturkurve
 Ca. alle 33m steigt die
Temperatur um 1 K
 Essentiell für die
Planung
geothermischer
Anlagen
 Allerdings: Große
regionale
Abweichungen
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Geothermische Tiefenstufe
 = Steigung der
Temperaturkurve
 Ca. alle 33m steigt die
Temperatur um 1 K
 Essentiell für die
Planung
geothermischer
Anlagen
 Allerdings: Große
regionale
Abweichungen
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Die oberflächennahe
Geothermie
 In den oberen Erdschichten (bis etwa 10m)
nahezu konstante Temperatur
(entspricht nahezu Jahresmitteltemperatur in
Deutschland; 7-10°C)
 Zu niedrig für direkte Nutzung
 > Wärmepumpen nötig
 Wärme direkt mittels Grundwasser oder
indirekt über Erdsonden zur Wärmepumpe
geführt
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Die Wärmepumpe
 Wärme wird von einem niedrigerem
Temperaturniveau zu einem höheren
Temperaturniveau „gepumpt“
 Wärme fließt nur von warm nach kalt?
 > Arbeit nötig!!
Gute Wärmepumpe benötig ein Viertel der
Wärmemenge die angehoben werden soll als
Energie für die zu verrichtende Arbeit
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Schema einer Wärmepumpe
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Einsatz in Häusern
Zurzeit in ca. 115.000 Haushalten
eingesetzt!!
Ca. 2TW Wärme
Horizontale Anordnung
Fläche abhängig von
gewünschter Leistung
Vertikale Anordnung
Bis zu 100m tief
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Fazit zur oberflächennahen
Geothermie
 Großes Potential zum Heizen und Kühlen
(Umkehrung der Wärmepumpe) überall möglich
 Bis zu 60% Engergieeineinsparung gegenüber
herkömmlichen Heizungen
 Optimal in Kombination mit einer Solaranlage 
Regeneration der gespeicherten Wärme im
Sommer
 Allerdings: Hohe Anschaffungskosten
(bis zu 8500€ für die Anlange und 5500€ für die
Erschließung)
 Subventionen und günstige Kredite (KfW)
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Die Tiefe Geothemie
 Bohrlöcher bis ca. 6000m
 Temperaturen von bis zu 200°C
 Bei allen Systemen dient Wasser zur
Wärmeübertragung
 3 verschiedene Systeme, abhängig von der
Bodenbeschaffenheit
1. Hydrothermale Systeme
2. Petrothermale Systeme
3. Erdsonden
 Nicht überall möglich (Geologische
Bedingungen)
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Übersichtskarte
Deutschland
Hydrothermale Systeme
 In der Tiefe sind große Vorräte von warmen
Wasser vorhanden
 Aquifere
 Dieses Wasser muss lediglich über eine
Bohrung zu einem Wärmetauscher gefördert
werden
 Anschließend wird das Wasser reinjiziert
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Skizze hydrothermales System
Die Wärme kann in ein
Fernwärmenetz eingespeist
werden und zur
Stromerzeugung genutzt
werden
Kraftwärmekopplung
Wirtschaftlichkeit abhängig
von Temperatur und maximal
möglicher Durchflussmenge
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Beispiel hydrothermales
System
 Landau (seit 2007)
 Zwei ca. 3000m tiefe Bohrung
 160°C Wassertemperatur
 3MW elektrische Leistung
 (OCR Kraftwerk)
 6-8MW Wärmeleistung
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Wärme Potential durch
hydrothermale Systeme
 Ca. der 100fache Bedarf an Jahreswärme ist
technisch realisierbar
 PROBLEM:
Wärme lässt sich schlecht über größere Strecken
transportieren
Nur etwa ein Viertel des Jahresbedarfs an Wärme
könnte durch hydrothermale Systeme gedeckt
werden
 Wärmenutzung wieder Standortabhängig
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Petrothermale Systeme
 Kristallines, heißes Gestein in der Tiefe
( Hot-Dry-Rock)
 In der Tiefe wird durch Druck oder Säure ein Netz
von Rissen erzeugt (Stimulation)
 Durch dieses Netz wird Wasser aus einer
Injektionsbohrung zu einer Förderbohrung gedrückt
 Das Wasser entnimmt die Wärme aus dem Gestein
 Problem: Gefahr von Erdbeben, Destabilisierung
des Untergrundes
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Deep Heat Mining Basel
 Start 2005 mit Explorationsbohrung auf




2700m
Ziel: 200°C heißes Wasser wie in einem
Durchlauferhitzer (in ca. 5000m Tiefe)
Am 8. Dezember sollte durch Druck die
Durchlässigkeit des Gesteins erhöht werden
Am selben Tag kam es zu einem Beben der
Stärke 3,4 auf der Richterskala
Projekt gestoppt, bis heute Diskussion über
Fortsetzung
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Wärmepotential
Petrothermaler Systeme
 Keine Prozesswärme, lediglich zu wärmen von
Wohnungen und Anlagen nutzbar
 Theoretisch bis zu 1200 Exajoule pro Jahr
 Aber: Tiefe durch ökonomische Überlegungen
begrenzt (~3000m)
 Hindernisse durch Infrastruktur Nähe zum
Abnehmer
 2 Exajoule pro Jahr möglich
(2*10^18J/a=63,42GW)
 Kleine Rechnung:
63,42 GW / 4MW pro Anlage = 15955 Anlagen
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Elektrisches Potential
tiefer Geothermie
Eingeschlossene
Fläche = Nutzbare
Wärmemenge
Rot: Konventionelles
Kraftwerk
Grün: Geothermie
Kraftwerk
PROBLEM: Wasser
nicht geeignet für
solch niedrige
Temperaturen
(<175°C)
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Anlagentechnik
 Abhilfe durch 2 mögliche Verfahren
 ORC Kreisprozess
statt Wasser Organischer Wärmeträger
Umweltproblematisch (n-Perfluoro-Pentan C5F12)
 Kalina Kreisprozess
 Wasser-Amoniak Gemisch zur Erhöhung des
Dampfdruckes
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Fazit elektrisches Potential
 Möglich aber aufwendige (= TEURE)
Anlagentechnik
 Bei geringen Temperaturen nur etwa 10% der
Wärme in Strom wandelbar
 Dennoch: 65% des Stroms könnte
geothermisch erzeugt werden (10,5 GW)
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Erdsonde
 Geschlossenes System
in dem Wasser zirkuliert
 Wesentlich geringere Leistungen als die
anderen Systeme (kW Bereich)
 Auch für Innenstädte geeignet mit
entsprechender Bohrtechnik
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 Beispiel: Super C in Aachen
 2544m tiefe Bohrung, die zum
Heizen und Kühlen des Gebäudes
genutzt wird
 Temperaturen bis ca. 90°C
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Probleme bei tiefer
Geothermie
 Vorerkundung kostspielig, keine sicheren Daten
möglich
 Kosten pro Bohrmeter zwischen 1000 und 2000€
 daher eventuelle zu geringe Temperatur im
Betrieb
Wirtschaftlichkeit der Anlage in Gefahr
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Vorteile von tiefer
Geothermie
 Grundlastfähig, d.h. Wetter und Tageszeit
unabhängig
 Regenerativ / nach menschlichen Maßstäben
nicht erschöpfbar
 Spart CO2 ein
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Stand in Deutschland
 Zurzeit an 50 Standorten realisiert, bzw. im
Bau
 Unterhachingen, Landau, Neustadt-Glewe,
Offenbach, Groß Schönebeck,…..
 Dennoch im Großen und Ganzen noch ein
Schattendasein
 Bis zu 150 weitere Anlagen geplant
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Modell Island
 79,7 PJ (79,7*10^15J) an Energie durch
Erdwärme pro Jahr
 Entspricht 53% der benötigten Primärenergie
 90% aller Haushalte werden durch Erdwärme
geheizt
 19% des benötigten Stromes aus
5 Kraftwerken ( bis zu 100MW elektrische
Energie und 300MW Wärme pro Kraftwerk)
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Geologie Islands
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Fazit
 Günstige Lage optimal genutzt
 Zusammen mit Wind und Wasser 99% der
Energie aus regenerativen Quellen
 Allerdings:
 Primärenergieverbrauchs Islands :
150PJ
 Primärenergieverbrauchs Deutschlands:
13842PJ
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„Der Staat schützt auch in Verantwortung für
die künftigen Generationen die natürlichen
Lebensgrundlagen…“
Grundgesetz Artikel 20a
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Quellen
 http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermie
 http://www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/41616.php
Broschüre „Tiefe Geothermie in Deutschland“
 http://www.bd.bs.ch/geothermie.htm
 http://de.wikipedia.org/wiki/Projekt_Deep_Heat_Mining
 http://de.wikipedia.org/wiki/Geothermale_Energie_in_Island
 http://www.geothermie.de/oberflaechennahe/geothermie_report_2k1
/moeglichkeiten_und_perspektiven_d.htm
 Script: Allgemeines Maschinenwesen im Anlagenbau
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Vielen Dank
für Eure
Aufmerksamkeit!
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