Geotherm1 (Grdl., Oberflächennahe Geoth, Hydrothermale Syst. zur Wärmevers.) Flashcards
Geothermie/Erdwärme
Es kann abhängig von der Tiefe unterschieden werden in: ??
Oberflächennahe Geothermie (/Erdwärme)
-> 1 - 400m (in DE Systeme bis 100m!)
Tiefe Geothermie (/Erdwärme)
-> > 400m
(Achtung die Grenze (in m) kann sich von Land zu Land unterscheiden)
Die Oberflächennahe Geothermie (/Erdwärme) wird durch Speicherung von Solarenergie beeinflusst.
Wahr/Falsch?
Wahr
Merke/Beschrifte Abbildung slide 4
…
Zusammensetzung der Erde
In welche Bereiche kann unterteilt werden? (3)
Kern
-> innerer Kern (fest)
-> äußerer Kern (flüssig)
Mantel
Lithosphäre (Kruste und teils oberer Mantel)
(Mantel und Lithosphäre überschneiden sich halb)
Zusammensetzung der Erde
Beschrifte slide 5 komplett!
…
Zusammensetzung der Erde
In welchem Bereich befindet man sich mit allen geothermischen Systemen?
Erdkruste (0-100km)
–> gehört zur Lithosphäre
1) Die Tiefe Geothermie wird nur von was gespeist?
2) Die Oberflächennahe Geothermie wird von was gespeist?
1) Erdwärmestrom
2) Sonneneinstrahlung und Erdwärmestrom
Oberflächennahe Geothermie
Der Einfluss der Sonne beschränkt sich auf ca. die ersten 10 bis 20 Meter Tiefe.
Je tiefer, desto weniger solare Wärme ist spürbar und desto größer wird der Teil des Erdwärmestroms.
…
Temperatur Profil
-> siehe slide 6+7
…
Temperatur Profil
Sonneneinstrahlung erzeugt Wärme an der Oberfläche.
1) Die Untergrundtemperatur ist abhängig von was?
2) Die Temperatur ist abhängig von was?
1) Jahreszeit
2) Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Bodens
(slide 7!)
Temperatur Profil
An unterschiedlichen Standorten liegen unterschiedliche Temperaturverläufe in der Erdschichtung vor.
Wahr/Falsch?
Wahr
-> siehe slide 8!!
An unterschiedlichen Standorten liegen unterschiedliche Temperaturverläufe in der Erdschichtung vor.
Am Ende landen natürlich aber alle Standorte im Kern mit einer Temperatur von?
etwa 6000°C
Wärmequellen im Untergrund
Was ist der Ursprung der Erdwärme?
Wärme aus der Zeit der Erdentstehung
–> Akkretionswärme: (Entstand durch eine Kontraktion von Gas, Staub und Steinen vor 4,5 Mil. Jahren. Diese Energie wurde in Wärme umgewandelt, die meiste strahlte in den Raum)
Nenne zwei Wärmequellen im Untergrund
Akkretionswärme (Wärme aus der Zeit der Erdentstehung)
Radiogene Wärmeproduktion (Wärmerzeugung durch radioaktiven Zerfall von Uran, Thorium und Kalium)
Welche Systeme von Erdwärme Einlagerung können unterschieden werden? (bzw. welche Klassifizierung von Erdwärme Einlagerung gibt es) (3)
Hydrogeothermische Niederdrucklagerstätte
Hydrogeothermische Hochdruckeinlagerungen
Hot dry Rock
Erdwärme Einlagerung - Hydrogeothermische Niederdrucklagerstätte
1) umfasst was?
2) Tritt wo auf?
1)
Warmes (< 100°C) bis heißes Wasser (> 100°C, feuchter Dampf)
Heiße und trockene Dampfeinlagerungen (100 - 250°C)
2)
in Felssporen (als Wasser oder Dampf)
in Aquifer oder Dampf tragenden Gesteinsschichten
In Deutschland findet man hydrogeothermische Niederdrucklagerstätten ab ?(1)? m mit einer Temperatur von ca. ?(2)? °C
(1) 3000m
(2) 60-120°C
-> höhere Temperaturen befinden sich nur in Arealen mit tektonischen Besonderheiten
Erdwärme Einlagerung - Hydrogeothermische Hochdruckeinlagerungen
Was ist eingelagert?
Heißes Wasser mit Gas (Methan), das unter hohem Druck steht
Erdwärme Einlagerung
Hot dry Rock hat ein sehr hohes Potential weltweit.
Wahr/Falsch?
Wahr
Erdwärme Einlagerung - Hot dry Rock
Was versteht man unter Hot dry Rock Systemen?
Trockene Gesteinsschichten, die in Tiefen ab etwa 3000 - 5000m lagern
-> Schichten mit zu wenig Wasser Wasser im heißen Trockengestein
-> Wasser muss also von der Oberfläche hinein gespritzt werden
(heute sind Bohrungen bis 10.000m technisch möglich)
Heute sind Bohrungen bis ?? m technisch möglich.
10.000
Nenne drei Systeme der oberflächennahen Geothermie! (bzw. Konfigurationen der oberflächennahen Geothermie)
Erdwärmekollektoren
Rohre in Gräben
Erdwärmesonden
Grundwasserbrunnen
Oberflächennahe Geothermie
Nutzung der Wärmeenergie aus einer Tiefe von bis zu?
100m
Oberflächennahe Geothermie
Wovon ist das Energieangebot abhängig?
von der Sonneneinstrahlung
Oberflächennahe Geothermie
Die höchste Temperatur wird wann erreicht?
im Spätsommer
Oberflächennahe Geothermie
Zur Erhöhung der nutzbaren Temperatur wird was eingesetzt?
Wärmepumpe
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Skizziere die Konfiguration!
Lösung auf slide 14!
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Beschreibe die Konfiguration!
- senkrechte Rohre bis zu 100m tief
- saisonal unabhängig (aufgrund der hohen Tiefe)
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Nutzung der Energie aus Tiefen bis zu ?(1)? direkte aus dem Boden
Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslass ca. ?(2)?
Unabhängig von ?(3)? aufgrund ?(4)?
(1) 100m
(2) 5°C
(3) der Saison
(4) der hohen Tiefe
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Was sind die Bestandteile? (2)
Wärmetauschrohre aus HDPE (Polyethylen hoher Dichte)
Energieträger aus Wasser und Salz
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Warum werden Energieträger aus Wasser und Salz verwendet?
Um Einfrieren zu verhindern
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmesonden
Was sind drei übliche Rohrtypen, die Einsatz finden?
U-Rohr
Doppel U-Rohr
Koaxialrohr
(aus HDPE -> Polyethylen hoher Dichte)
Oberflächennahe Geothermie - Erdwärmesonden
Zeichne den Querschnitt eines U-, Doppel U- und Koaxialrohr.
Kennzeichne außerdem den Einlass (kalte Flüssigkeit) und Auslass (warme Flüssigkeit)
siehe Lsg. slide 15!
Oberflächen Geothermie - Erdwärmesonden
Spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden in kleineren Anlagen für verschiedene Volllastbenutzungsstunden.
-> siehe slide 16!
…
Oberflächen Geothermie - Erdwärmesonden
Spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden in kleineren Anlagen für verschiedene Volllastbenutzungsstunden.
Festgestein-Untergrund hat höhere Entzugsleistungen als trockene Lockergesteine.
Wahr/Falsch?
Wahr
-> siehe slide 16
Oberflächen Geothermie - Erdwärmesonden
Spezifische Entzugsleistung für Erdwärmesonden in kleineren Anlagen für verschiedene Volllastbenutzungsstunden.
Ordne die folgenden einzelnen Gesteine anhand ihrer Entzugsleitung:
Kies, Sand, trocken
Kies, Sand, starker Grundwasserfluss (für Einzelanlagen)
Kies, Sand, wasserführend
Kies, Sand, trocken
<
Kies, Sand, wasserführend
<
Kies, Sand, starker Grundwasserfluss (für Einzelanlagen)
Weil bei starken Grundwasserfluss ständig Wasser mit der natürlichen Untergrundtemperatur vorbei fließt an den Erdwärmesonden, sodass fast keine Abkühlung des Erdbodens stattfindet.
Oberflächennahe Geothermie - Erdwärmesonden
Bei ?(1)? Volllastbenutzungsstunden im Jahr können höhere Entzugsleistungen erreicht werden als bei ?(2)? Volllastbenutzungsstunden im Jahr.
Der Grund ist die ?(3)?
(1) weniger
(2) höheren
(3) Auskühlung des Bodens (bei starkem Grundwasserfluss Effekt kaum vorhanden, weil kontinuierlich Wärme nachgeführt wird)
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Skizziere die Konfiguration/das System!
Lösung siehe slide 17
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Es handelt sich primär um Grundwasserbrunnen
Häufig in Doubletten-System, bestehend aus?
einem Schluck- und einem Förderbrunnen
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Häufig in Doubletten-System, bestehend aus einem Schluck- und einem Förderbrunnen.
Warum müssen der Schluck- und der Förderbrunnen einen ausreichend großen Abstand zueinander besitzen?
um thermische Rückkopplung zu vermeiden
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Was bildet sich nach einer gewissen Betriebszeit aus?
Wärme- und Kälteblasen
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Nenne Nachteile eines solchen Systems! (3)
Nenne einen Vorteil!
Nachteile:
- Hohe Installationskosten
- Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit der Wärmequelle
-> ausreichend ergiebige Grundwasserleiter (Aquifere) mit geeigneter Wasserqualität in nicht zu großer Tiefe nicht überall vorhanden - regionale wasserrechtliche Bedingungen bilden eine weitere Einschränkung
Vorteil:
- unabhängig von der Jahreszeit
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Grundwasserbrunnen
Wovon hängt die Kapazität ab?
vom extrahierbaren Massenstrom
(Q = mPunkt * cp * deltaT)
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmekollektoren
Skizziere die Konfiguration!
siehe Abbildung slide 19!
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Rohre in Gräben
Skizziere die Konfiguration!
siehe Abbildung slide 19!
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmekollektoren (Rohre in Gräben ist ein sehr ähnliches Konzept)
1) Was wird als Wärmequelle genutzt?
2) Was sind wesentliche Bauteile? (2)
1) unterirdischer Boden
2) Austauschrohre aus PVC, Wassersalzlösung im geschlossenen System
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmekollektoren (Rohre in Gräben ist ein sehr ähnliches Konzept)
1) In welcher Tiefe liegen die Rohre?
2) Wie verändert sich die Wärmeleitfähigkeit im Jahresverlauf? Was ist im Winter notwendig?
1) in bis zu 2m Tiefe
2)
Im Winter sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (durch trockenen Boden, sehr niedrige Temp)
Im Herbst/Frühling höhere Feuchtigkeit des Boden -> Höhere Wärmeleitfähigkeit
Oberflächennahe Geothermiesysteme
Nenne zwei Nachteile und einen Vorteil von Erdwärmekollekoren und Rohren in Gräben!
Nachteile
- abhängig von der Jahreszeit (Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen hingegen nicht)
- nicht als alleinige Wärmequelle für effiziente Einfamilienhäuser ausreichend (Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen hingegen schon)
Vorteile:
- preiswerter als Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen
1) Für effiziente Einfamilienhäuser können welchen oberflächennahen Geothermiesystemen als ALLEINIGE Wärmequellen realisierbar sein?
2) Welche dagegen nicht?
1) Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen
2) Erdwärmekollektoren, Rohre in Gräben (mit z.B. einer Wärmepumpe zu verbinden)
Oberflächennahe Geothermiesysteme - Erdwärmekollektoren
Beschreibe die Konfiguration!
- horizontale Rohre knapp unterhalb des Erdbodens
- stark saisonal abhängig
Nenne Systeme der tiefen Geothermie! (bzw. Konfigurationen der oberflächennahen Geothermie)
Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Tiefensonden
Hot-Dry-Rock Systeme
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei Loch System)
Beschreibe das Verfahren kurz!
Wasser wird aus einer wasserführenden Schicht mit hoher Temperatur gepumpt.
Meistens ist T < 100°C
Die entzogene Energie wird meistens zum Heizen verwendet.
(-> nicht für Einfamilienhaus, sondern für ganze Siedlungen)
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Skizziere Abbildung slide 22!
-> Beschrifte auch (mit HIlfe von slide 21)
-> Beachte auch die vers. Varianten (slide 23)
…
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Es gibt verschiedene Varianten von Zwei-Loch-Systemen (Möglichkeiten der Erdwärmegewinnung):
-> siehe slide 23!!
…
Bei der oberflächennahen Geothermie ist es möglich nur einen Förderbrunnen zu haben und das Wasser dann z.B. in einen nahe gelegenen Fluss einzuleiten.
Ist dies bei der tiefen Geothermie ebenfalls möglich?
NEIN
-> es benötigt immer einen Förder- und einen Schluckbrunnen (bzw. Injektionsbrunnen)
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Nenne Vor- und Nachteile (2) eines Zwei-Loch-Systems mit gekrümmten Bohrungen! (so wie in Abbildung rechts oben auf slide 23 dargestellt)
Vorteile:
- überirdischer benötigter Platz geringer
Nachteile:
- sehr aufwendig
- sehr teuer
-> man versucht insgesamt gekrümmte Bohrungen im besten Fall zu umgehen (außer zum Teil bei Flächenmangel)
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Funktionsprinzip des Abpumpens im geothermischen Fluidkreis
Beschreibe!
Wasser wird über Fördersonde gefördert
Dann werden in einem Grobfilter mitgerissene Steine, Sand etc. herausgefiltert
Dann gelangt das Wasser in den Wärmeübertrager
Nach dem Wärmeübertrager gelangt es in die Injektionspumpen, wo wieder der Druck aufgebaut wird, um das Wasser über die Injektionssonde zurück zu injizieren.
Zwischen Injektionspumpen und Injektionssonde befindet sich noch ein feinmaschiger Filter für Sand
Siehe mit Schema slide 24
Beschrifte slide 24 !!
…
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme - Bohrung
Beschrifte slide 25!!
…
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme - Bohrung
Wozu wird der Drehtisch benötigt?
zur Durchführung der Rotation des Bohrgestänges
Zur Einführung von Bohrgestänge
(-> hat Mechanismus, welcher Bohrgestänge festhalten kann und mit steigender Tiefe/voranschreitender Bohrung wird dann immer ein weiteres Bohrgestänge hereingebracht und miteinander verschraubt)
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme - Bohrung
Wie gelangt das abgetragene Material aus der Bohrung hinaus?
Geschieht durch Spülwasser.
Dieses wird unter hohem Druck in die Bohrung herein- und durch den hohen Druck auch wieder heraus gepresst.
Übertage wird das Spülwasser dann wieder vom Abrieb getrennt, um erneut genutzt werden zu können.
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme - Bohrung
Herkömmliche Bohranlage für Tiefen > 3000m sind schwere Konstruktionen.
Turmhöhen im Bereich 40-60m.
Beinhalten Tanks, Pumpen, Rohrleitungen zum Umwälzen von Bohrschlamm
Schwere Motoren mit bis zu mehreren MW Stromverbrauch werden für was benötigt?
für die Schlammumwälzpumpen, den Drehtisch und die Winde
(siehe auch Abbildung slide 26+27)
Bohrmeißel
-> Abb. slide 27
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Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
Nach dem Bohren der erste ?(1)? m wird das Standrohr eingesetzt und ?(2)?.
Großer Durchmesser von 24-30 Zoll verleiht dem Bohrloch und dessen Kopf ?(3)?
Nach weiteren 30-100m wird das ?(4)? einzementiert.
-> Solide Grundlage
-> Schützt Grundwasserleiter vor Verunreinigungen
(1) 15m
(2) zementiert
(3) strukturelle Unterstützung
(4) Leitrohr
Tiefe Geothermie - Hydrothermale Systeme (Zwei-Loch-System)
-> siehe Abb. slide 29 mit Standrohr und Leitrohr
…
