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Nutzungspotenziale geothermischer EnergieVortrag anlässlich der Eröffnung des Zentrums für Geothermie und Zukunftsenergien
an der Fachhochschule Bochum, 12. 3. 2004
Christoph Clauser Angewandte Geophysik, RWTH Aachen
(http://www.geophysik.rwth-aachen.de)
Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands
Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme
und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000
Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand
technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland
Ausblick und Zusammenfassung
Inhalt
7300 °C
0 1000 2000 3000 4000 5000
T (K)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
De
pth
(k
m)
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Ra
diu
s (k
m)
0 1000 2000 3000 4000 5000
T (°C)
L: Lithosphere (0-80 km)A: Asthenosphere (80-220 km)TZ: Transition Zone (220-670 km)D'': D'' layer (2741-2891 km)400 km: Phase transition olivine-spinel670 km: Phase transition spinel-perovskite
D''
Inner
Core
Outer
Core
Lower
Mantle
TZ
A
Solidus
L
6371
5150
2891
670
80
Temperature
Upper
Mantle
8000 °C
220
Temperaturprofil der Erde
Temperatur im Untergrund Deutschlands
Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands
Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme
und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000
Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand
technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland
Ausblick und Zusammenfassung
Inhalt
Erdwärme und ihre Nutzungsmöglichkeiten
Geothermische Energie: „In Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Oberfläche der festen Erde“ (VDI Richtlinie 4640, Blatt 1, 2000)
Systeme: (1) natürliche; (2) stimulierte (Frac- bzw. HDR-Technologie) Gewinnungsarten:
1. Wärmeabbau über Wärmeleitung (ohne stoffliche Förderung)mit Wärmetauschersystemen:1.nahe der Oberfläche2.bis in große Tiefe
2. Wärmeabbau durch stoffliche Förderung von Wasser oder Dampf1. Heißdampflagerstätten (T>120 °C) 2. Warme Tiefenwässer (T<120 °C)
Erdwärme als Bodenschatz
Erdwärme: Bodenschatz nach Bundesbergrecht Konzessionen, Genehmigungen
mögliche Nutzungs- bzw. Interessenkonflikte: 1. Wärmeabbau durch stoffliche Förderung:
i. Gewinnung anderer Bodenschätze (v. a. Kohlenwasserstoffe)ii. Grundwassergewinnungiii. Grundwasserschutz (Salzwasseraufstieg, hydraul. Kurzschlüsse)iv. Luftreinhaltung
2. Wärmeabbau über WärmeleitungGrundwasserschutz (Austritt von Wärmetauscherflüssigkeit)
3. stimulierte Systemei. wie unter Punkt 1ii. Erdbebensicherheit
Vorteile der Erdwärmenutzung
Alle Anlagen 1. sehr geringer CO2-Ausstoß
2. Nahezu unerschöpflicher Vorrat3. heimische Ressource Kosten weitgehend unabhängig von
Schwankung der Rohstoffpreise und Währungen Dezentrale Anlagen
1. Bereits heute fast kostenneutral2. Technisch erprobt und zuverlässig
Stimulierte SystemeStromerzeugung durch Schaffung künstlicher Dampflagerstätten
ermöglicht Stromerzeugung in Ländern ohne natürliche Dampflagerstätten
Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands
Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme
und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000
Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand
technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland
Ausblick und Zusammenfassung
Inhalt
Joule (J): Energie, Wärmemenge Watt (W): Leistung, Wärmestrom
1 kW h = 3,6 MJ 278 kW h = 1,0 GJ
1000 GWh = 3,6 TJ
Abkürzungen und Präfixe:Kilo k 103 TausendMega M 106 MillionGiga G 109 MilliardeTera T 1012 BillionPeta P 1015 BilliardeExa E 1018 Trillion
Einheiten für Energie und Leistung
weltweite geothermische Stromerzeugungnach: H
uttrer, 2000
Installierte Erdwärme und Nutzungsgrad
32%5%
22%
39%
2%
Endenergieverbrauch in Deutschland 1999 (Total: 9310 PJ)
32%5%
22%
39%
2%Beleuchtung
Prozesswärme
(Qu
elle
n: B
MW
i, 2
00
2 &
VD
EW
, 1
99
5)
Endenergieverbrauch
32%5%
22%
39%
2%
38%
13%
11%22%
13%
1%2%
(Qu
elle
: B
MW
i, 20
00)
Primärenergieverbrauch in Deutschland 2001 (Total: 14501 PJ)
Kernenergie
(Qu
elle
n: B
MW
i, 2
00
2)
Primärenergieverbrauch
Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands
Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme
und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000
Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand
technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland
Ausblick und Zusammenfassung
Inhalt
Erdregister Erdwärmesonde
Techniken zum konduktiven Wärmeabbau
Energiepfahl (Quelle: Bilfinger & Berger, 2002) Erdwärmesonde (Quelle: Stadtwerke Prenzlau, 2002)
Techniken zum konduktiven Wärmeabbau
z. B. Wärmeleitfähigkeit: Werte von ca. 1 – 6 W m-1 K-1
korreliert aber sehr ungenau mit Gesteinsart!
kostenoptimierte Auslegung von Erdwärmesonden erfordert daher Erstellung einer statistisch fundierten Datenbank, in der sich die Variabilität innerhalb jeder Gesteinsart in einer entsprechenden Standardabweichung um den Mittelwert ausdrückt.
das Fehlen einer solchen Datenbasis behindert moderne Auslegungs-rechnungen für Erdwärmesonden,wie sie längst Standard bei anderen Ingenieurleistungen sind. Dies ist ein massives Investitionshemmnis, insbesondere für tiefe Erdwärmesonden. Aber: niemand scheint willens diese Messungen zu finanzieren...!
Bedeutung der Gesteinseigenschaften
...ermöglicht viele, genaue Messungen in kurzer Zeit...!
Berührungslose Wärmeleitfähigkeitsmessu
ng
an großen Gesteinsvolumina
Moderne Messtechnik
Stimulation zur Schaffung eines Hot-Dry-Rock Systems bzw. Verbesserung der hydraulischen
Eigenschaften
Soultz-sous-Forêts
BGR, 2001
Chemische Bohrlochstimulation ....durch Verpressen kalter Sole
Simulation einer Bohrlochstimulation eines Bereichs von 5 m um die Bohrung (rote Linie, links), dessen Porenraum mit Anhydrit ausgefüllt ist.Porosität nach 1 Tag Porosität nach 13
Tagen
Bohrlochstimulation ....Film des zeitlichen Verlaufs zwischen 3767-3264 m Tiefe
Erdwärmenutzung in Deutschland
Installierte Leistung: 397 MWt , hiervon:
(1) 55 MWt in 27 zentralen Anlagen
(2) 342 MWt in mehr als 18000 dezentralen, kleinen Anlagen
existierendes technisches Potenzial von 2125 PJ a-1, entspricht 22 % des jährlichen deutschen Endenergiever-brauchs bzw. 37 % des Wärmebedarfs
Völlige Umsetzung dieses Potenzials würde Einsparung von ca. 100 Mt CO2 bedeuten, 10 % des deutschen Ausstoßes von 1998
Existierende Anlagen zur Erdwärmenutzung
Schellschm
idt et al., 2000
Temperaturverteilung im Untergrund Deutschlands
Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme
und weltweite geothermische Strom- und Wärmeerzeugung im Jahr 2000
Erdwärmenutzung in Deutschland: Konzepte und gegenwärtiger Stand
technisches Potential für die Nutzung von Erdwärme in Deutschland und Auswirkung der Erdwärmenutzung auf den CO2-Ausstoß in Deutschland
Ausblick und Zusammenfassung
Inhalt
Potentiale zur Nutzung regenerativer Energien und Kosten einer CO2-Reduktion
nach: BM
Wi-D
okumentation 361, 1994
Zusammenfassung und Ausblick
60 % des deutschen Endenergiebedarfs ist in Form von WärmeErdwärme kann einen Großteil dieses Bedarfs decken und kann mit Erdwärmesonden praktisch überall gewonnen werdenJedoch stammen weniger als 1 % der deutschen Primärenergieaus Erdwärme..... wirtschaftliche Stromerzeugung erfordert Schaffung künstlicher
Dampflagerstätten – die Technologie hierzu wird bereits erprobtStärkere Erdwärmenutzung erfordert u. a. eine verbesserte,
kostenoptimierte Auslegung von Anlagen sowie die verstärkteWechselwirkung zwischen Geophysik, Bauphysik Gebäudetechnik und Bauplanung.
Das Geothermiezentrum der FH Bochum kann hierfür eine wertvolle Schnittstellen sein. Hierzu viel Erfolg und Glück auf!