Geothermie

• im Erdinneren gespeicherte Wärme

  • ~30% aus der Zeit der Erdentstehung (ca. 300 EJ/a aus dem Erdkern)

  • ~70% aus radioaktiven Zerfallsprozessen in der Erdkruste (ca. 900 EJ/a)

• Temperaturen im Erdkern 3000-6000°C

• Wärmeproduktion innerhalb der Erdkruste (<1% des Erdradius) ist abhängig von Dicke und Gesteinsmaterial

  • Ozeanische Kruste: v.a. aus basischem Material

  • Kontinentale Kruste: besteht aus saurem Gestein mit höherer Wärmeproduktion

• Durchschnittlicher Wärmestrom an die Oberfläche liegt bei 65 mW/m² (kontinental) bzw. 101 mW/m² (ozeanisch)

• Abkühlung der Erde durch Wärmeverlust ca. 300-350°C in den letzten 3 Milliarden Jahren

• Ständige globale Wärmeproduktion liegt bei ca. 27 *10^6 MW Über gesamte Erdoberfläche integrierter Wärmestrom liegt bei 40 *10^6 MW

• Transport vom Kern zur Kruste über Konvektionströme des flüssigen Gesteins

• In Erdkruste zweierlei Arten:

  • Konvektion durch Flüssigkeiten (Grundwasser) und Gase

  • Konduktiv -> Wärmeleitung

    • Hängt ab von Wärmeleitfähigkeit des Gesteins, Porösität der Gesteine und deren Füllung (Luft oder Gase isolieren, Wasser leitet)

    • richtungsunabhängig

• Wärmespeicherung in Erdkruste wird maßgeblich von spez. Wärmekapazität des Gesteins beeinflusst

(nasse/ feuchte Tonerde oder Sand speichern gut)

(Salze, Quarz leiten gut)

• bis ca. 10-20m Tiefe noch durch Oberflächentemperatur beeinflusst

• danach bis ~10km Tiefe positiver Temperaturgradien von 3K/ 100m

  • in 1km Tiefe herrschen bereits fast überall 35-40°C

  • Ausnahme: geothermische Anomalien mit Temperaturen bis zu 600°C nahe der Oberfläche

• An den Plattengrenzen -> Anomalien (Vulkane)

• in Süd-Ost-Europa (große Tiefen ~5000m)

• Oberflächennahe Geothermie (bis ~400m)

  • Wegen geringen Temperaturen (20-30°C) meist nur zur Wärmegewinnung

• Tiefe Geothermie (ab 1000m und mehr)

  • Temperaturen >60°C

  • geeignet zur Erzeugung von Wärme und Strom

• Hochenthalpie Lagerstätte

  • Anomalien: Lagerstätten mit Temperaturen von >200°C in vergleichsweise geringen Tiefen (<2000m)

  • geothermische Anomalien an den Plattengrenzen

• Oberflächennahe Geothermie ist eher Solarenergie

• niedrige, jahreszeitabhängige, Temperaturen in geringer Tiefe

  • Erdkollektoren nehmen Wärme auf (8-40 W/m^2)

    • auch als Wärmespeicher möglich bzw. Gebäudekühlung (niedrige Temp. im Winter einspeichern, im Sommer mit Wärme austauschen)

  • nutzen von Wärme -> nur mittels Wärmepumpe

    • zusätzlicher Strombedarf

Funktion Wärmepumpe:

• Bereitstellung der Nutzwärme auf höherem Temperaturniveau durch Druckänderung

  • Wärme auf niedrigem Niveau aufnehmen, Wärmeträgerfluid verdampfen

  • Verdichten -> Exergie zuführen

  • Wärme auf hohem Niveau abführen

  • Expandieren

• Je geringer die Temperaturdifferenz T_heiz - T_zu, desto effektiver arbeitet die WP

• Nutzunggrade ~80%

• Hydrothermales System: nutzen von vorhandenem Grundwasser in Wärmespeichern

• Petrothermales System: Wärme liegt im Gestein, zusätzliche Einbringung von Wärmeträgerfluid notwendig

  • meisst Wasser mit zusätzen mit hohen Wärmekapazitäten und chemikalien zum öffnen/ offenhalten von Poren und Rissen im Gestein

• Zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzbar

<- Stromerzeugung: Wärme ->

Nachhaltigkeit ist die Betrachtung der Geothermiequelle als langfristige, sich regenerierende Quelle für EE.

Oberflächennahe Geothermie:

• Erdtemperatur im Bereich der Wärmeentnahme sinkt bei Nutzung ab

• Ausnahme: Nutzung von Erdwärme in fließendem Grundwasserstrom

Tiefen-Geothermie:

• Untergrund als Wärmetauscher

• Bei Nutzung von Geothermie aus tieferen Bereichen wird meist gespeicherte Energie genutzt, da die Wärmestromdichte des umgebenden Materials relativ niedrig ist -> Abkühlung

  • Ausnahme: geothermische Anomalien

• thermische Wirkungsgrade gering aufgrund der Temperaturunterschiede -> Carnot

• direkt Nutzung von Wasserdampf erst ab Temperaturen >200°C sinnvoll

• bei niedrigeren Temperaturen ab ~60°C muss auf ORC (Organic Rankine Cycle) oder Kalina-Prozesse zurückgegriffen werden

  • th. Wirkungsgrade 10-15%

• bessere Wirtschaftlichkeit durch Kraft-Wärme-Kupplung

• Wärmestrom und Temperaturzunahme bei Niederenthalpie-Lagerstätten sind zu gering für wirtschaftliche Nutzung

• extrem hohe Investitionskosten pro erzeugter MW -> unrentabel

  • Nice-to-know: bei reiner Stromerzeugung ist Emissionsbilanz ähnlich schlecht wie von PV

• Wirtschaftlichkeit durch Investitionskosten und Unterhaltungskosten bestimmt:

  • Kosten für Probebohrungen, Machbarkeitsstudie

  • Anlagenkosten

  • Betriebs- bzw. Unterhaltskosten (Verschleiß, Instandsetzung. Korosion)

  • evnt. Förderungen

Risiken:

• Fündigkeitsrisiko (+Fehlbohrungen)

• Umsetzungsrisiko

  • Bohrungen können nicht verbunden werden/ Verbindungen kollabieren

• Betriebsrisiko -> Wärmeertrag reduziert sich

• Übernutzungsrisiko

• Umweltrisiken -> Seismizität, Grundwasser

Fündigkeitsrisiko:

• Risiko nicht ausreichender Quantität und Qualität des geothermischen Reservoirs

  • Quantität -> thermische Leistung

  • Qualität -> chem. zusammensetzung des Wassers

Fündigkeit:

• gegeben wenn Mindestförderrate und -temperatur erreeicht sind

  • Für Strom: T>120°C, m>50 kg/s

• Erdbeben und Landabsenkungen während der Exploration

• Sekungen und Hebungen beim Durchbohren von zuvor wasserundurchlässigen Schichten

• Freisetzung von Stoffen (Schwefelwasserstoff)

• Beeinträchtigung des Grundwassers durch Zusatzstoffe

• Norddeutsche Becken

  • Porenspeicher in 1000-2500m Tiefe

  • Temperaturen von 50-100°C

• Oberrheingraben

• Süddt. Molassebecken

-> Nutzung der Geothermie hauptsächlich für Wärme

-> Zu kalt für wirtschaftliche Stromerzeugung

Oberflächennahe Geothermie:

Tiefen-Geothermie zur Wärmebereitstellung:

Tiefen-Geothermie zur Strombereitstellung: (Carnot!)

Tiefen-Geothermie mit KWK:

• PE-Rohre, in denen Flüssigkeit zirkuliert (Durchmesser meist ~32mm)

  • Einfach- oder Doppel-U-Rohr

  • Koaxialsonden

  • Flache Erdkollektoren

-> schlechte Wärmeleitfähigkeit von PE

• Sonden aus Edelstahl oder Alu

  • können als Erdwärmesonden mit Phasenwechsel betrieben werden

    • Thermosiphon, Heat Pipe

  • Direktverdampfung eines Wärmeträgerfluids unter erhöhtem Druck (35-55 bar) -> keine Pume notwendig, geringe Wärmeverluste

• Wasser hat eigentlich beste hydraulische Eigenschaften und hohe Wärmekapazität, jedoch nicht Frostsicher

• Wärmeträgerfluide sollten haben:

  • niedrige Viskosität und Dichte -> Pumpenleistung

  • hohe Wärmekapazität und -leitfähigkeit -> Wärmetransport

-> Oft genutzt: Ethylenglykol (Frostschutz)

• Länge der EWS abhängig von thermischen Eigenschaften des Untergrunds:

  • Temperaturverteilung

  • Wärmeleitfähigkeit

• und der thermische Eigenschaften der Sonde, des Hinterfüllmaterials und des Wärmeträgerfluids

-> Dimensionierung abschätzbar über spez. Entzugsleistung und vorgegebenen Wärmebedarf

• Strömungswiderstände müssen gering gehalten werden + möglichst turbulente Strömung für optimalen Wärmeübergang

  • Reibungsverluste beachten

• Erlaubt Rückschlüsse auf die thermischen Eigenschaften des Untergrunds und des bohrlochnahen Bereichs

• Es wird eine definierte Wärmemenge durch eine aufgeheizte Wärmeträgerflüssigkeit mit konstanter Temperatur eingebracht. Am Rücklauf wird der Temperaturansteig gemessen

  • dauert mehrere Tage

  • aus Temperaturanstieg -> effektive Wärmeleitfähigkeit

• Durchmesser der Bohrung für das Einbringen einer Erdwärmesonde muss so groß sein, dass die Sonde einschließlich Verpressschlauch eingeführt werden kann und Platz für die abdichtende Verfüllung bleibt

  • Fläche von Sonde und Schlauch < 35% der Bohrlochfläche

• Hinterfüllmaterial wird durch Verpressschlauch eingebracht und steigt von unten auf

Bohrverfahren:

• drehende Spülbohrverfahren

• einfach drehende Verfahren in lockerem Sediment

• drehschlagende Verfahren in festem Gestein

• Bohrmeißel

  • Rollenmeißel für weicheres und härteres Gestein

  • PDC-Meißel (Polycrystalline Diamond Cutter) für härtere Gesteine

  • Diamant-Meißel für harte Gesteine

Hinterfüllung bei Geothermie:

• Gewährleistet dichte und physikalisch/chemisch stabile Einbindung der EWS in das umgebende Gestein

• Optimale thermische Anbindung an Gestein

• Abdichtung der erbohrten Schichten

• Wiederherstellung der Dichtwirkung von Grundwasserstauern -> wichtig, sonst Sedimentabsenkungen durch Hohlräume

Eigenschaften:

• Geringe Durchlässigkeit, dauerhafte Dichtigkeit

• Wasserhygienisch unbedenklich, nicht wassergefährdend

• Einfach handhab- und pumpbar, gute Fließeigenschaften

• Sedimentationsstabil, volumenbeständig

• Setzungs- und schrumpfungsarme Abbindung

• Beständigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Beanspruchung

• Hohe Wärmeleitfähigkeit

Komponenten:

• Zement -> Druckfestigkeit, Dichtwirkung

• Bentonit, Ton -> Volumenbeständigkeit (quillt auf bei Nässe)

• Quarzsand und –mehl -> Wärmeleitfähigkeit

• Enhanced Geothermal Systems (EGS) -> >200°C, Tiefen von ~5000m, großer Abstand zw. Bohrungen

  • HDR - Hot Dry Rock

  • DHM - Deep Heat Mining

• Direkte Nutzung von Wasserdampf bei Temp. >200°C

  • Dry Steam -> direkte Dampfentnahme

  • Single Flash -> Druckabsenkung, dadurch Teilverdampfung

  • Double Flash

  • Hybride Konzepte: Flash + Binär

• Binäre Kraftwerke

  • ORC-Prozess

  • Kalina-Prozess

• Nutzung des tieferen Untergrunds als Wärmequelle zur Stromerzeugung (Vordergrund) und Wärmegewinnung -> Steinspeicher, kein Grundwasser

  • Kluftnetz im heißem Gestein wird als Wärmetauscher verwendet -> Wassereinbringung durch Injektionsbohrungen (Abstand zw. Bohrungen 100-1000m)

• Synonyme:

  • HDR – Hot-Dry-Rock

  • DHM – Deep Heat Mining

• Entzug der im Gestein gespeicherten Wärme direkt über heißes Wasser bzw. indirekt durch Zirkulation von eingebrachtem Wasser auf künstlich geschaffenen oder verbesserten Wasserwegsamkeiten

• „Stimulation“ zur Produktionssteigerung, d.h. zur Erhöhung der Durchlässigkeit des Gebirges

• Temperaturen ab >200°C für Stromerzeugung

  • Tiefen von ~5000m notwendig, außer bei Anomalien

• Für wirtschaftliche Energiemenge soll genutztes Gesteinsvolumen > 10^8 m³ sein

• Größe der Wärmeaustauschfläche > 10^6 m²

• Stimulation durch Fracking

• Soll vorhandene Kluftsysteme öffnen und zur erhöhung der Durchflussrate beitragen

Mechanische Stimulation:

• Einpressen von Wasser (mehrere 100 bar)

• nach Aufweitung erfolgt Scherbewegung -> Klüfte können nicht mehr schließen

• Mikroseismizität unterstützt Prozess

  • Seismische Signale geben aufschluss über Ausbreitungsrichtung der Klüfte -> Legen Lage weiterer Stimulationsbohrung fest

• sog. Proppings (z.B. Sand) werden zum Offenhalten der Klüfte hinzugefügt

Chemische Stimulation:

• Einbringen von Säuren und Laugen zum auswaschen von Kluftflächen

• Direkte Nutzung von Wasserdampf aus Geothermalen Zonen

• T>200°C !!

Single Flash:

• Wenn T<200°C findet keine (vollständige) Verdampfung des Wassers statt

  • Heißwasser (o. Nassdampf)

• Heißwasser wird durch Druckabsenkung in Entspannungsbehälter verdampft

  • Seperator trennt flüssiges Wasser und Dampf

  • Wasser über Injektionspumpe zurück in die Erde

• Dampf wird in Turbine entspannt, anschließend Kondensiert und zusammen mit dem Wasser aus dem Seperator zurückgeführt

• Wichtig: Verdampfer muss regelmäßig gereinigt werden, da sich Mineralien ablagern

• Leistungsbereich 5-100 MW

Double Flash:

• siehe T/s-Diagramm Single Flash: wenig Dampf, ~30%

• Abhilfe schafft Nutzung von Hoch- und Niederdruckdampf -> bringt Wirkungsgradgewinn

• Hybride Kraftwerke vereinen Flash-Verfahren mit Binären Kraftwerken

• Nutzung der Restwärme (~60°C) des separierten Wassers für ORC- oder Kalina-Prozess

• ORC: Organic Rankine Cycle

• sog. Binärer Prozess

  • statt Wasser wird Leichtsieder (Ethanol, Propan, Butan, CO2, Toluol) als Wärmeträger verwendet

  • Thermalwasser aus Förderbohrung gibt Wärme im Verdampfer an Wärmeträger ab

• Andere Siede- und Dampfeigenschaften

  • “nach rechts gelehntes” T/s-Diagramm ermöglicht Trockene expansion

(Thermodynamische Analyse verschiedener Wärmeträgerfluide -> Unterschied liegt in versch. Druckniveau)

• sog. Binärer Prozess

• Wärmeaustauschverfahren zur Dampferzeugung auf niedrigem Temp. niveau

• Wärmezu- und Abfuhr über Desorption und Absorption

  • Wärmezufuhr über Thermalwasser: Desorption Ammoniak

  • Seperator: ammoniakreicher Dampf -> Turbine/ ammoniakarmes Wasser -> Drossel

  • Mischen auf selbem Druckniveau nach Turbine und Drossel

  • Wärmeabgabe an Wasser -> Absorption des Gemischs

• Wirkungsgradvorteile bei niedrigen Temperaturen bis ~150°C

• Nachteil: hohe spezifische Kosten, problematisch bei Leckage, Korrosion und Entsorgung

Analyse:

• Thermischer Wirkungsgrad eta_th=P/Q_zu

  • Schlecht wegen niedrigem Temperaturniveau -> 9-12%

• Führt zu verzerrter Betrachtung

  • Verleitet dazu, möglichst hohe Temperaturen anzustreben, dabei wird aber vernachlässigt dass der Massenstrom abfällt, d.h. gewonnene Leistung sinkt

  • P=m_punkt*w_t

• exergetische Wirkungsgrad besser geeignet

Prozessvergleich:

• Bei niedrigen Temperaturen hat der Kalina Prozess den besten Wirkungsgrad

• bei Hohen Temperaturen nähern sich alle Prozesse einander an