Geotherm2 (Tiefensonden zur Wärmevers., Hot-Dry-Rock Syst., geoth. Stromerz., geoth. Heizstationen, therm. Energiesp. in Aquiferen) Flashcards
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
T steigt mit zunehmender Tiefe ?? zum geothermischen Gradienten
proportional
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
T steigt mit zunehmender Tiefe proportional zum geothermischen Gradienten.
Dadurch passiert was?
Wärmeträger heizt sich bis zum Bohrlochgrund auf
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Natürlicher geothermischer Wärmefluss beträgt im Durchschnitt?
65 mW/m^2
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Natürlicher geothermischer Wärmefluss beträgt im Durchschnitt 65 mW/m^2.
Das ist für einen Tiefenbrunnen zu wenig.
-> nur an besonders geeigneten Standorten ist dies nutzbar
…
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Wärmeträger heizt sich bis zum Bohrlochgrund auf
Der Wärmeträger dringt nicht ins Rohrgehäuse.
-> es gibt ?(1)? Stoffaustausch zwischen Bohrloch und Untergrund
-> es liegt ein ?(2)? System vor
(1) keinen
(2) geschlossenes
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Was wird meistens als Wärmeträger eingesetzt?
Meist Wasser, i.d.R. mit Inhibitoren zum Korrisionsschutz
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Um Wärmeverlusten entgegenzuwirken wird was gemacht?
Wärmeisolation des Produktionsrohr
Tiefe Geothermie - Tiefensonden
Skizziere die Konfiguration!
Lösung siehe slide 31!
Tiefe Geothermie - Tiefensonden
Beschreibe die Konfiguration! (kurz)
Senkrechtes Doppelrohr bis zu 1000m tief
Im äußeren Rohr wird Flüssigkeit erwärmt und durch inneres Rohr nach oben gepumpt.
Es liegt ein geschlossenes System. Es gibt also keinen Austausch zws. Wärmeträger und Umgebung.
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Warum sind Tiefensonden nur an besonders geeigneten Standorten nutzbar?
Weil der natürliche geothermische Wärmefluss im Durchschnitt nur 65 mW/m^2 beträgt (in DE)
-> dies ist zu wenig für einen Tiefenbrunnen (benötigt ca. 200 W/m^2)
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Wodurch wird die Wärmekapazität des Systems vor allem beeinflusst? (2)
Geologische Parameter:
- Geothermischer Gradient
- therm. physikalische Eigenschaften der Gesteine
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Wärmeträger ?(1)? die Oberflächentemperatur des zementierten Gehäuses.
Trotz geringer Wärmeleitfähigkeit der Gesteine wird durch die hohe T-Differenz der Wärmeträger ?(2)?.
Das Gestein behält seine ?(3)? nicht bei
-> der Wärmeträger kann nur wesentlich niedrigere Temperaturen erreichen
(1) verringert
(2) erhitzt
(3) Anfangstemperatur
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
i.d.R. am Brunnenausgang T < ??°C
?(2)? ist unverzichtbar
(1) 40
(2) Wärmepumpe
–> Meist elektrisch oder gasmotorbetriebene Kompressionswärmepumpe
Tiefe Geothermie - Wärmeversorgung durch Tiefensonden
Abbildung slide 33 ansehen
…
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme
Skizziere alle 3 möglichen Konfigurationen!
siehe slide 35 (Los Alamos), slide 36 (Camborne) und slide 37 (Soultz)
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme - Los Alamos
Beschreibe die Konfiguration!
Eine Mehrzahl aus abgesenkten Bohrlöchern wird erzeugt und durch parallele Frakturen verbunden.
Dafür wird Technik des “hydraulischen Frakturierens” angewandt:
Brüche entstehen also beim Injizieren von Wassermengen mit hohem Druck in Bohrlöcher mit isolierten Abständen.
(-> Ausrichtung und Ausmaß wird durch Überwachung der Seismizität bestimmt)
Das zweite Bohrloch wird gerichtet gebohrt, um in das im ersten Bohrloch erzeugte Bruchsystem einzudringen.
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme
Welche Konfigurationen können bei Hot-Dry-Rock Systemen unterschieden werden? (3)
Los Alamos
Camborne
Soultz
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme
Beschreibe die Konfiguration! (allg., kurz)
Bohrlöcher werden ins Gestein gebohrt
Werden dann verbunden durch natürliche oder erzeugte Risse im Gestein (je nach Konfiguration)
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme - Camborne
Beschreibe die Konfiguration!
Basis ist ein Netzwerk von natürlichen Frakturen
Durch massive Wasserinjektionen werden diese geöffnet und geweitet.
-> es wird eine ausreichende Strömung zwischen den Vertiefungen erreicht
Da natürliche Frakturen in großer Tiefe meist vertikal zur subvertikalen sind, sind geneigte Bohrlöcher von Vorteil.
Tiefe Geothermie - Tiefensonden
Nenne zwei Nachteile!
Nachteile:
- nur an besonders geeigneten Standorten nutzbar
–> weil natürlicher geothermischer Wärmefluss, welcher im Durchschnitt nur 65 mW/m^2 (in DE) beträgt, für Tiefenbrunnen zu wenig ist (benötigt eher ca. 200 W/m^2) - Wärmepumpe unverzichtbar (i.d.R. am Brunnenausgang nur T < 40°C)
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme - Camborne
Warum sind geneigte Bohrlöcher von Vorteil?
Da natürliche Frakturen in großer Tiefe meist vertikal zur subvertikalen sind.
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme - Soultz
Worin liegt der Unterschied zur Camborne und Los Alamos Konfiguration?
Die Existenz von durchlässigen Störungszonen bildet die Basis
Keine Verbindung über Frakturen wie im Los Almos-Konzept
(Vertikale oder sub-vertikale Diskontinuitäten im großen Maßstab haben eine laterale Ausdehnung von mind. einigen km^2 und eine Dicke von einigen Metern)
Tiefe Geothermie -
Hot-Dry-Rock Systeme - Soultz
Basis ist die Existenz von ?(1)?.
Vertikale oder sub-vertikale Diskontinuitäten im großen Maßstab haben eine laterale Ausdehnung von mind. ?(2)? und eine Dicke von ?(3)?
Das stark gebrochene und veränderte Gesteinsmaterial hat eine viel höhere ?(4)? und ?(5)? als das umliegende Grundgestein.
Beim Hydraulic Fracturing (Technik des hydraulischen Frakturierens) sollen die Bohrlöcher ?(6)? mit diesen Störungen verbunden werden.
-> Keine Verbindung über Frakturen wie im Los Almos-Konzept
?(7)? der Fehler/Bruchzonen kann während der Bruchversuche aufgrund induzierter Scherung erhöht sein.
(1) durchlässigen Störungszonen
(2) einigen km^2
(3) einigen Metern
(4) Durchlässigkeit
(5) Porosität
(6) getrennt
(7) Permeabilität
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Single-Flash-Verfahren
Offene Systeme sind nur wann anwendbar?
Wenn die Untergrundtemperatur > 140°C beträgt.
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Single-Flash-Verfahren
Heißes Wasser oder Dampf kann direkt verwendet werden.
Richtig/Falsch?
Richtig
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Single-Flash-Verfahren
Beschreibe Ablauf!
- Durch den Förderbrunnen wird der heiße Dampf gefördert
- Der heiße Dampf wird in den Flash-Behälter (Entspannungsbehälter) entspannt
- Der Flash-Behälter bewirkt eine Abtrennung von gesättigtem Dampf und siedendem Wasser
(–> bei P < PsubProduktionsbohrloch) wird eine geringe Menge gesättigten Dampfes und eine große Menge siedendes Wasser erzeugt)
4a Das siedende Wasser gelangt über einen Filter in den Injektionsbrunnen
4b der gesättigte Dampf gelangt in die Turbine, welche wiederum über eine Welle den Generator antreibt, der den Strom erzeugt.
5b Der Dampf wird anschließend im Kondensator (der mit Kühlturm rückgekoppelt ist) kondensiert.
-> Kühlparameter des Kondensators bestimmen den minimalen Enddruck des freigesetzten Dampfes
6b Nach dem Kondensator/Kühlturm wird das Wasser ebenfalls über den Filter in den Injektionsbrunnen injiziert.
(Abbildung siehe slide 39)
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Single-Flash-Verfahren
Skizziere das Schema!!
-> siehe slide 39!
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Single-Flash-Verfahren
Nenne Nachteile! (3)
Nachteile:
- mögliche Umweltbelastungen durch die Freisetzung von nicht kondensierbaren Gasen in die Atmosphäre
- Single-Flash-Verfahren haben oft den Nachteil während des Entspannungsvorgangs feste Niederschläge entstehen zu lassen
- Wirkungsgrad des Gesamtsystems relativ niedrig
(–> Hauptenergieanteil der geothermischen Flüssigkeit wird nicht für energetische Zwecke verwendet)
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Double-Flash-Verfahren
Was ist der Vorteil gegenüber dem Single-Flash-Verfahren?
Höhere Leistung und Effizienz als das Single-Flash-Verfahren
Geothermische Stromerzeugung
Welche Verfahren gibt es und wie können diese grundlegend unterteilt werden? (4)
Offene Systeme:
- Single-Flash-Verfahren
- Double-Flash-Verfahren
Geschlossene Systeme:
- Organic-Rankine-Cycle
- Kalina Prozess
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Double-Flash-Verfahren
Welche wesentlichen Ergänzungen gibt es im Vergleich zum Single-Flash-Verfahren?
Das Wasser aus dem ersten Entspannungsbehälter (bzw. Flash-Behälter) wird in einen zweiten Behälter geleitet und erneut entspannt.
Dampf wird in einer weiteren (Niederdruck-) Turbine genutzt und treibt einen weiteren Generator an.
Es gibt zwei Kondensatoren (nach jeder Turbine einen).
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Double-Flash-Verfahren
Die Effizienz der zusätzlichen Druckreduzierung ist abhängig von was?
Temperaturniveau innerhalb des Verflüssigers
Geothermische Stromerzeugung - Offene Systeme: Double-Flash-Verfahren
Skizziere das Schema!!
-> slide 41!
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme
Wie hoch ist die Arbeitstemperatur bei geschlossenen Systemen?
100 - 140°C
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme (Organic-Rankine Cycle oder Kalina Prozess)
Beschreibe das Grundkonzept das beiden Prozessen zugrunde liegt.
Geothermische Energie wird über Wärmetauscher (Verdampfer) auf ein Sekundärmedium übertragen.
Aufgrund der niedrigen Temperatur des geothermischen Fluid-Dampf Gemisches muss das sekundäre Medium eine niedrige Siedetemperatur besitzen
-> bei Rankine-Verfahren: organische Arbeitsflüssigkeit
-> bei Kalina-Verfahren: Wasser-Ammoniak-Gemisch
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme (Organic-Rankine-Cycle, Kalina Prozess)
Wird angewandt wenn? (2)
Primärmedium nicht heiß genug oder sein Druck zu gering für eine thermodynamische Druckreduktion ist
geothermische Fluid durch chemische Eigenschaften (Mineralisierung, Gasgehalt, etc.) nicht gut kontrolliert werden kann, oder zusätzliche, hohe Kosten auftreten
Geothermische Stromerzeugung
Nenne einen Vorteil von geschlossenen Systemen im Vergleich zu offenen Systemen hinsichtlich der Arbeitstemperatur!
Geschlossene Systeme können auch bei einer Arbeitstemperatur unter 140°C betrieben werden. (100 - 140°C)
-> offene Systeme benötigen > 140°C
Zusatz: Achtung die geschlossenen Systeme können auch über 140°C betrieben werden. Es ist aber keine Notwendigkeit mehr
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Organic-Rankine-Cycle
Beschreibe den Prozess grob!
Über Förderbrunnen wird Dampf/Wasser in die Wärmeübertrager (Verdampfer und Vorwärmer) geleitet, wo die geothermische Energie auf ein Sekundärmedium übertragen wird. Anschließend wird es über Injektionsbrunnen wieder zurück ins Grundwasser/Boden geleitet.
Das Sekundäremedium (hier: organisches Arbeitsmedium) mit niedrigem Siedepunkt verdampft und treibt Turbine an, die wiederum über eine Welle einen Generator zur Stromproduktion antreibt.
Entspanntes Medium gelangt dann in den Kondensator, der wieder den Enddruck definiert und zwischen Kondensator und Vorwärmer ist dann noch eine Pumpe.
(Organic-Rankine-Cycle, weil es ein Rankine-Prozess ist und organisches Medium verwendet wird, welches durch niedrige Siedetemperaturen Prozess unter 140°C ermöglicht)
Skizziere (technische Skizze) einen Organic-Rankine Cycle!
siehe slide 43 !!!
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Organic-Rankine-Cycle
Der Wirkungsgrad steigt mit?
höheren Temperaturen (siehe slide 43!!)
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Organic-Rankine-Cycle
Geringer Wirkungsgrad durch?
zusätzliche Wärmetauscher und niedrige Eingangstemperatur an der Turbine
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Kalina Prozess
Beschreibe den Prozess
Arbeitsmedium ist ein Wasser-Ammoniak Gemisch.
Auf dieses wird die geothermische Energie über einen Wärmetauscher (Verdampfer) übertragen.
Nach der Verdampfung gelangt das Gemisch in einen Separator. Ammoniakreiche Dampf gelangt anschließend in eine Turbine, die über eine Welle einen Generator antreibt.
Die ammoniakarme Lösung wird dagegen als Flüssigphase entnommen und wird über den Vorwärmer und eine Drossel zum Kondensator geleitet, wo es kurz davor mit dem ammoniakreichen Dampf, der aus der Turbine kommt vermischt wird.
Nach dem Kondensator wird das gesamte Arbeitsmedium über eine Speisepumpe wieder in den Vorwärmer und anschließend in den Verdampfer geführt. (geschlossener Prozess)
Aufgrund der niedrigen Temperatur des geothermischen Fluid-Dampf Gemisches muss das sekundäre Medium eine niedrige Siedetemperatur besitzen
-> bei Rankine-Verfahren: organische Arbeitsflüssigkeit
-> bei Kalina-Verfahren: Wasser-Ammoniak-Gemisch
Was ist der Vorteil des Kalina-Prozesses gegenüber dem Clausius-Rankine-Prozess (bzw. Organic-Rankine-Cycle)?
höherer Energieoutput (aufgrund nicht-isothermen Verlauf im Nassdampfgebiet)
höherer Wirkungsgrad
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Kalina Prozess
Skizziere den Kreisprozess in einem T-s-Diagramm und benenne die einzelnen Prozessschritte!
Prozessschritte:
1 -> 2: Vorwärmung
2 -> 3: Verdampfung (mit Überhitzung)
-> im Nassdampfgebiet hier NICHT isotherm
3 -> 4: Expansion
-> adiabate
-> in Turbine
4 -> 1: Kondensation
-> im Nassdampfgebiet hier NICHT isotherm
Skizze siehe slide 44!!
Geothermische Stromerzeugung - Geschlossene Systeme: Organic-Rankine-Cycle
Skizziere den Kreisprozess in einem T-s-Diagramm und benenne die einzelnen Prozessschritte!
Prozessschritte:
1 -> 2: Vorwärmung
2 -> 3: Verdampfung (mit Überhitzung)
-> im Nassdampfgebiet hier isotherm
3 -> 4: Expansion
-> adiabate
-> in Turbine
4 -> 1: Kondensation
-> im Nassdampfgebiet hier isotherm
Skizze siehe slide 44!!
Skizziere (technische Skizze) einen Kalina Prozess!
–> siehe slide 44!!
Geothermische Stromerzeugung - Wirkungsgrade im Vergleich
Allgemein eher niedrige Wirkungsgrade bei allen 4 Verfahren
Worin bestehen die Unterschiede?
Der Double Flash-Prozess erreicht höhere Wirkungsgrade als der Single-Flash-Prozess, benötigt aber auch nochmals höhere Temperaturen.
Der Organic-Rankine-Cycle-Prozess und Kalina-Prozess können auch bei Temp. < 140°C gefahren werden. Der Kalina Prozess hat etwas höhere Wirkungsgrade.
Insgesamt befindet sich die Wirkungsgrade der geschlossenen Systeme im gleichen Bereich wie die Wirkungsgrade der offenen Systeme.
-> siehe slide 45!!
Wenn die Austrittstemperatur des Fluids zu gering für die Stromerzeugung ist, kann sie für was verwendet werden?
zum Heizen
Geothermische Wärmeerzeugung - Heizstationen
Wenn die Austrittstemperatur des Fluids zu gering für die Stromerzeugung ist, kann sie zum Heizen verwendet werden.
Nenne drei mögliche Vorgehensweisen!
Direkter Wärmetauscher
Direkter Wärmetausch und zusätzliche Kühlung durch einen weiteren Wärmetauscher
Direkter Wärmetausch und Rückkopplung des Rückflusses durch eine Wärmepumpe
(technische Zeichnungen dazu auf slide 47 (19)!!)
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
Welche Typen von Netzwerken gibt es?
Radiales Netzwerk
Ring-Netzwerk
Vermaschtes Netzwerk
(siehe slide 48!)
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
1) Ring-Netzwerk und Vermaschtes Netzwerk sind teurer als ein Radiales Netzwerk. Warum?
2) Welchen Vorteil bieten diese Netzwerke allerdings gegenüber einem Ring-Netzwerk?
1) Da die Pipeline-Streckenlänge und der Nenndurchmesser der Ringleitungen steigt
2) höhere Versorgungssicherheit und gute Ergänzbarkeit (bei Vermaschten Netzwerk am höchsten)
-> geeignet für große bis sehr große Wärmeverteilungsnetze
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
Welches Netzwerk eignet sich für kleine und mittlere Fernwärmesysteme?
Radiales Netzwerk (bzw. Radialnetze)
-> für große bis sehr große dagegen Ring-Netzwerk oder Vermaschtes Netzwerk, weil Versorgungssicherheit höher
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
Warum sind Radialnetze (bzw. Radiale Netzwerke) der typische Netzwerktyp bei der Geothermienutzung?
Investitionskosten durch geringere Pipeline-Länge geringer!
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
Wie sieht die Versorgung in den einzelnen Häusern aus. Welche Konzepte gibt es? (3)
Individuelle Anbindung jedes Konsumenten ans Netz
Verbindung des Netzes von Haus zu Haus
Hybrid Verbindung (Kombination beider Optionen)
-> Abbildungen slide 49!
Geothermische Wärmeerzeugung - Fernwärmenetze
Abhängig vom Wärmebedarf der Haushalte -> hohe Nachfrage -> direkte ?(1)?
Bodenfeuchtigkeit -> Hauptanforderung: ?(2)?
?(3)? gering halten: Befeuchtung der Isolation muss ausgeschlossen werden
Meist werden Kunststoffmantelrohre mit Stahlmediumrohren eingesetzt; Alternativ: Kunststoffmediumrohre
FÜr die Unterverteilung und Hausanschlüsse sind flexiblere Metall oder Kunstoffmediumrohre geeignet.
(1) Netzanbindung
(2) Korrosionsbeständigkeit
(3) Wärmeverluste
Geothermische Wärmeerzeugung - Geothermieprojekt Unterhaching
-> nicht mehr in Betrieb
-> siehe slide 50+51!!
…
Thermische Energiespeicherung (Wärmeenergiespeicher) in Aquiferen
Erkläre das Grundkonzept!
Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie im Untergrund
Gewinnung und Injektion von Grundwasser aus einem Aquifer durch einen Grundwasserbrunnen
Durchführung saisonal (Kühlbetrieb oder Heizbetrieb)
(Abb. slide 53)
Thermische Energiespeicherung (Wärmeenergiespeicher) in Aquiferen
Zeichne das Schema auf slide 53! (einmal für Kühlbetrieb und einmal für Heizbetrieb)
…
Auf was sollte man bei Wärmeenergiespeichern Aquifer achten?
Das geringe Untergrundfließgeschwindigkeiten vorliegen.
