Transcript 2013
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% 11 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 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. 2000m über 200°C) Niederenthalpie-Lagerstätten: Nur Stromerzeugung durch ein leicht Siedendes Arbeitsmedium Tiefen bis zu 6000m 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=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 21 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 22 Arbeitsmittel nach ORC - Verfahren Schema: http://www.gmk.info/ORC.133.html# 23 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. 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 Deutschland schreibt 95 % des gesamten Potenzials der petrothermalen Energieerschließung gut. 34 Erdwärme in Deutschland Theoretisches hydrothermales Potenzial liegt bei schätzungsweise 1574 Exajoule = 1.574.000.000.000.000.000 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€ / 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! 38 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€. 39 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! 40 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) 41 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 w=317&tx=128&ty=100&page=2&tbnh=127&tbnw=247&start=22&ndsp=28&ved=1t: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=7LO&sa=X&channel=suggest&tbm=isch&tbnid=T4v32MTv4j2fgM:&imgrefu rl=http://www.gec-co.de/de/Kalina&docid=DRhzzbhezRwKlM&imgurl=http://www.gecco.de/files/IMG%252520I0116%252520Kalina%252520%2526%252520W%2525C3%2525A4rmenutzung_450.jpg&w=450&h=318&ei=fIdvUdeoFo6 7PeugIAP&zoom=1&iact=rc&dur=1&page=1&tbnh=141&tbnw=199&start=0&ndsp=16&ved=1t:429,r:0,s:0,i:85&tx=111&ty=222&biw=1366&bih=636 Fol.25 45