07_Erdwärme

Ursprungswärme: Aufheizung des Erdmaterials bei Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren,

Radioaktiver Zerfall: Natürlicher Zerfall radioaktiver Elemente wie U238(Uran), Th232 (Thorium), K40(Kalium)

Chemische Prozesse; vernachlässigbar

Erdkern am heißesten aber großteil messbaren Wärme wird lokal in der kruste produziert

Plattentektonik erklärt regionale extrem unterschiedliche Wärmeverteilung. an Plattengrenzen steit heißes Gestein auf.

abseits von Platten ist es tektonisch ruhig.

Divergenz(auseinander): heißes mantelmaterial steigt auf -> Gräben

Konvergenz (aufeinander): Subduktion, Vulkanismus, Gebirge

Hot Spots: mantelmaterial steigt punktuell aus großer tiefe auf

Golgen: lokale Temperaturanomalien

Kruste: bis 1000°C

Mantel: bis 3000°C

Kern: bis 5000°C

Gradienten:

Kruste: 30 K/km

Mantel: 1K/km aufgrund von Randbedingungen und Schmelzkurve

n den obersten Metern der Erdkruste reagiert die Sonne.

Globale Leistung:

Kontinental: 65 mW/m^2

Ozeanisch: 101 mW/m^2

Gewichtet: 87 mW/m^2

Gesamtleistung: 44,2 TW, 1400 EJ/a

Wärmestromdichte ist eine zentrale Planungsgröße um sagen zu können wie viel Energie pro m^2 aus der tiefe strömt

Skandinavien/Russland: <40-60 mW/m^2

Mitteleuropa: 60-80 mW/m^2

Oberrheingraben: 80-150 mW/m^2

Island/Mittelmeer: >100-150 mW/m^2

Je jünger und tektonisch aktiver die Kruste, desto höher die wärmestromdichte.

Hydrothermal/Petrothermal

Temperatur

Tiefe

Heiße Wasser liegen natürlich im Untergrund vor

Nutzung: Bohren -> Fördern -> Wärmeentzug -> Reinjektion

Funktioniert nur bei wasserführendem Gestein

Unterscheidung in Hochdruck- und Niedrigdruck-Lagerstätten

Einfachster prozess: wasse ist da und heiß, mithilfe der Bohrungen holt man das wasser hoch, entzieht ihm das Wasser und presst das kalte wasser wieder zurück.

Heißes Gestein ohne ausreichend freies wasser liegt vor

Nutzung durch hydraulische Stimulation und künstliche Zirkulation von Wasser

Aufwendigere Nutzung, aber häufiger vorhanden

Schwirige umsetzung: Gestein heiß genug aber kein natürlicher Wasserweg, muss gestein aufbrechen wasser einführen, durchzirkujlieren kassen um es dann erwärmt abzupumpen

Bei Anbohren entweder hydrothermal oder heiß und trocken, Mischform möglich

nur durch hydraulische Stimulation wirtschaftlich nutzbar zu machen

es kann ein hydrothermaler zustand vorliegen mit zu geringer Fließrate oder petrothermal oder sogar beides.

Erdreich wie Tiefpassfilter: Temperaturschwankungen N DER oBERFLÄCHE WERDEN MIT DER tIEFE GEDÄMPFT: ab neutrale Zone ist die Temperatur konstant-> ideal für Wärmepumpen

Höchste Untergrundtemperaturen korrelieren direkt mit der höchsten Besiedlungsdichte, das STadtzentrum heizt Untergrund messbar auf

gleiche tiefe völlig unterschiedliche Temperaturen.

likaler Gradient weicht völlig voneinender ab

Norddeutsches Becken

Oberreihngraben

Süddeutsches Molassebecken

für direkte Nutzung benötigt man neben hohen Temperatruren auch Aquifere(wasserführende Schichten) mit ausreichender Fließrate dabei zählt auch die chemische Zusammensetzung dieser Tiefwässer.

Offene Systeme: Thermalwasser wird aus einem Speichergestein / Speicherhorizont im Untergrund über Förderbohrungen nach Übertage gefördert und durch eine Verpress- oder Injektionsbohrung wieder in die gleiche Gesteinsschicht eingeleitet​

Geschlossene Systeme: Ein Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf um die geothermische Wärme im tiefen Untergrund auf ein Wärmeträgermedium zu übertragen und mit dessen Hilfe nach Übertage zu transportieren​

Werden in einem geothermischen Reservoir nicht die erwarteten Lagerstättenparameter erreicht, kommen Techniken und Verfahren zum Einsatz, mit denen die Durchlässigkeit des Untergrunds verbessert werden soll, um eine höhere Produktionsrate zu erzielen (bis zu 2-mal höher):​

• Richtbohrtechnik​

• mechanische (Hydraulic-Fracturing)​

• chemische Verfahren (Säureinjektion)​

Einflussfaktoren: eingesetzte Technik, Systemgröße, installierte Leistung, Bohrtiefe und vorzufindende Gesteine, Wärmeverteilnetz, Gebäudeanbindung

Bohrung größter teil Investitionen

Aufwendung Wärmeverteilnetz Abhängig Rohrdimensionierung, örtliche Gegebenheit, Siedlungsstruktur

Gebäudeanbindung Abhängig Hausanschluss mit Übergabestation+ Versorgung innerhalb Gebäude

Investitionen: 16,71 Mio €

finanzielle Aufwendung Instandhaltung, Wartung, Personal, Versicherung, aus dem Netz gezogener Strom, Brennstoffkosten

Betriebskosten: 0,35 Mio. €/a

Aufgrund Risiko der Bohrung mit Zinssatz von 4% gerechnet und nicht mit 2%

Anlagenlebensdauer: Anlagenkomponenten 30 Jahre, Gebäude 40 Jahre, Spitzenlastkessel 25 Jahre

Reduzierung Wärmekosten: senkung Bohrkosten, Optimierung Heiznetze, Wahl Anlagen konfiguration

Wärmegestehungskosten: 54,8-69,6 €/GJ, 0,19-0,25 €/kWh

Herstellung Bohrung, Thermalwasserkreislauf, Energiebereitstellungsanlage, Gebäude, Planung

Domeniert durch Herstellung Bohrung

Investitionen: 40,43 Mio. €

Aufwendung Personal, Versicherung, Wartung, Verwaltung, Brennstoffkosten

2,29 Mio. €/a

Einspeisung Bruttostromerzeugung 0,19-0,23 €/kWh

Netzeinspeisung Nettoerzeugung 0,21-0,31 €/kWh

Volllaststunde + Jahresertrag haben Einfluss auf Kosten

je mehr Stillstandszeite, jwe weniger strom wird erzeugt umso mehr Kosten

max Auslastung -> geringere Stromgestehungskosten

Fündigkeitsrisiko

Bohrkostenrisiko

Standortabhängigkeit

Infrastrukturkosten

sehr günstig -> entstehen kaum direkte Emissionen, da KEINE FOSSILEN bRENNSTOFFE VERBRANNT WERDEN

größten Umweltwirkungen: Errichtung der Anlage, energie- und Materialintensive Tiefbohrungen

sehr geringer flächenbedardf

kontinuierliche Energiebereitstellung unabhängig Wetter und temperatur

theoretisches Potential: die in Aquiferen enthaltenen Wärme

größtes Potential: norddeutsches Becken 1019 EJ

Deutschland 1574 EJ bei einer Nutzdauer von 100-1000 Jahren kommt es zu einem Energieaufkommen von 16-1,6 EJ/a

technisches Angebotspotential (wärmeerzeugungpotential): in hydrothermalwn Gebieten gegebenen technischen Erzeugungspotenzialen

technische Endenergiepotenziale (Nachfragepotenziale): in Deutschland kann nur bei 100°C genutzt werden.

theoretisches Potenzial: 10000m technische-ökonomische Obergrenze grenze sonde

technisches Angebotspotenzial: max erschließbarer Untergrund 5000m, nicht jede Fläche erschließbar, zu starke besiedlungen von Flächen

technische Endenergiepotenzial: erschließung nur bei 100 °C

theoretisches Potenzial: 1200000EJ gespeicherte energie im Boden, kann für stromerzeugung nur in kleine Mengen aufgrung unüberbrückbaren thermodynamischen Beschränkungen genutzt werden

technische Angebotspotenziale: Wärmeinhalt oberer Erdkruste, welche technisch abbaubar ist