VL 11 - Geothermie Flashcards
Wie unterscheiden sich die Schalen der Erde?
in chemischer Zusammensetzung und Dichte.
- Dichte und Temperatur nehmen von außen nach innen zu.
Aufbau der Erde
Erdkruste 0 - 35 km
oberer Mantel 35 - 660 km (300-3500°C)
unterer Mantel 660 - 2900 km
Erdkern 2900-6371 km (3000 - 5000°C)
Temperaturgradient in der Erdkruste
3K / 100m
in vulkanischen Gebieten 10-20K / 100m
Geothermische Lagerstättenarten
Hochenthalpie Lagerstätten
Niederenthalpie Lagerstätten
Oberflächennahe Geothermie
Hochenthalpie Lagerstätten
Wärmeanomalie in vulkanischen Gebieten.
–> Kennzeichnung: Heißwasser und Dampf in niedrigen Tiefen
- wichtigsten Nutzungsart bei der geothermischen Stromerzeugung
- abgekühlte Fluide werden wieder in die Lagerstätte zurückinjiziert.
Warum werden bei Hochenthalpie-Lagerstätten die Fluide in die Lagerstätte zurückinjiziert?
- Vermeidung von Umwelteinwirkungen von schwefelhaltigen Fluiden
- Aufrechterhalten des Druckniveaus in der Lagerstätte
- Arten von Hochenthalpie-Lagerstätten
- dampf- oder wasserdominiert
Entnahmenarten bei Hochenthalpie-Lagerstätten
- Direktentspannung: direkte Entnahme von Wasserdampf.
- Entspannungsverdampfung (Flash Verdampfung): Entnahme von flüssigem Wasser unter hohem Druck, Verdampfung durch Druckabsenkung vor der Turbine; auch mit 2 Entspannungsstufen (Double-Flash-Prozess)
Skizzen Folie 7
Niederenthalpie-Lagerstätten
- Hot-Dry-Rock-Verfahren: bis 10 MW Wärme, bis 5 MW Strom, bis 5000 Tiefe, 150-200°C
- hydrothermale Systeme: bis 5 MW Wärme, bis 0,25 MW Strom, bis 4000 m Tiefe, Temperaturen 40-150°C
- tiefe Erdwärmesonden: bis 300 kW Wärme, Tiefe bis 3000 m, Temperaturen 40-100°C
Tiefe Erdwärmesonden
Geschlossener Wärmeträger-Kreislauf
- Wärmeträgerfluid: Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole), in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten nur Wasser
- technische Anbindung: Wärmepumpe
Sondensysteme bei tiefen Erdwärmesonden
- U-Rohr / Doppel-U-Rohr (Kunststoff)
- Koaxialsonden (Rücklauf innerhalb des Vorlaufs)
- CO2-Sonden (CO2 als Wärmeträgerfluid, Metallrohr notwendig)
Thermal Response Test
heißes Wasser zirkuliert bis zu 72 Stunden im Sondenkreislauf.
Vor-/Rücklauftemperatur gibt Information über Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, Wärmeübergangswiderstand des Bohrlochs
Hydrothermale Systeme
Nutzung von heißem Wasser aus Grundwasserleitern (Aquifer)
Förder- und Injektionsbohrung (Dublette)
- Bohrungen errichen bis 4000 m und laufen in zunehmender Tiefe auseinander.
Tauchpumpe fördert das heiße Wasser nach oben.
Förderkreislauf steht unter Druck, um Ausfällungen von Mineralien zu vermeiden
- technische Anbindung: Wärmeübertrager oder Wärmepumpe in eine Kraftwerksprozess oder in ein Fernwärmenetz
Hot-Dry-Rock-Verfahren
Grundprinzip: Erdreich als großer Wärmeübertrager (offener Wasserkreislauf)
Bis 6000 m Tiefe
- Einpressen von Wasser unter hohem Druck (Stimulation)
- Gesteinsrisse weiten sich, neue bilden sich.
- Einpressen von Wasser verändert Spannungszustand im Gestein.
Unabhängig von Wasser- oder Dampfvorkommen
Risiken bei Hot-Dry-Rock-Verfahren
- Entstehung von Mikro-Erdbeben während Stimulationsphase
- Durchstoßung von abdichtenden Gesteinsschichten mit der Folge, dass Grundwasser sich in andere Schichten ausbreitet
Ökonomische Risiken der Geothermie
- Umsetzungsrisiko: Nichtrealisierung des Bohrlochs oder der technischen Installation unter Tage
- Fündigkeitsrisiko: Thermalwasser hat nicht das erwartete Temperaturniveau oder liegt in nicht ausreichender Menge vor
- politische Risiken: Reservierung von Standorten für bspw. nukleares Endlager
Prozesse zur Verstromung
- Organik-Rankine-Cycle: etablierte und zuverlässige Technik
- Kalina-Prozess: großes Potential
Organic-Rankine-Cycle
- Arbeitsmedium
- Vor- und Nachteile
- Prozess-Schema
Kohlenwasserstoffe (organische Flüssigkeit) als Arbeitsmedium (Wahl des Arbeitsmediums abhängig von Prozesstemperatur)
–> Ammoniak, Ethanol, Benzol, R134a
+ hohe Verfügbarkeit
+ geringere spezifische Kosten im Vergleich zu Kalina-Anlage
- niedriger Wirkungsgrad
- Arbeitsmedien teilweise korrosiv
- speziell ausgelegte Turbinen notwendig, da Stoffeigenschaften sich unterscheiden
Skizze Folie 28
Kalina-Prozess
- Arbeitsmedium
- Vor- und Nachteile
- Anlage-Schema
Zweistoffgemisch (H2O und NH3, Ammoniak) als Arbeitsmedium (Mischungsverhältnis abhängig von Prozesstemperatur)
+ theoretisch höherer Wirkungsgrad als bei ORC-Anlagen
- bestehende Anlagen mit vielen Problemen
- höhere spezifische Kosten im Vergleich zu ORC-Anlagen
Skizze Folie 31
Kalina-Prozess
Funktionsprinzip
Wärmeaufnahme und -abgabe erfolgt nicht isotherm:
- Gemisch verdampft bei stetig steigender Temperatur und kondensiert bei stetig sinkenden Temperatur.
- geringe Temperaturdifferenzen bei Wärmeübertragung
- Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der Kondensationstemperatur –> höherer Wirkungsgrad
Oberflächennahe Geothermie
Nutzung der konstanten Temperatur im Erdboden.
Tiefe: bis 100 m
Nutztemperatur: bis 25°C
Technologien der oberflächennahen Geothermie
Erdkollektoren
Erdwärmesonde
Zweibrunnensystem
Erdkollektoren
Flache, oberflächennahe Erdwärmenutzungssysteme
Tiefe: bis 5 m
Rohrlänge: bis zu einigen 100 m
Auslegungsvarianten:
- Flächenkollektor; bis 2 m Tiefe, hoher Flächenbedarf
- Erdwärmekorb: bis 5 m Tiefe, kegelförmig gewickelte Sondenrohre
Erdwärmesonde
Tiefe bis zu 100 m
Füllung der Bohrung mit speziellem Mörtel (Hinterfüllung)
Ausführungen: einfaches oder Doppel-U-Rohr, Koaxialsonden, CO2-Sonden
CO2-Sonden
CO2 steht unter Druck und verdampft im Rohr, gasförmiges CO2 steigt auf.
keine Umwälzpumpe notwendig
Zweibrunnensystem
Prinzip: Grundwassertemperatur über Jahresverlauf weitgehend konstant.
- Saugbrunnen: Förderung von warmem Wasser
- Sickerbrunnen: Rückeinspeisung des abgekühlten Wassers
hohe Leistungszahl der Wärmepumpe
- teure und aufwendige Bohrung/Installation
- es kann zu Ausfällungen im Grundwasser kommen
- genehmigungspflichtige Anlage
