Dietrich Bonhoeffer Gymnasium Wiehl. Geothermie. Facharbeit im Physik Projektkurs Abiturjahrgang vorgelegt von.

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1 Dietrich Bonhoeffer Gymnasium Wiehl Geothermie Facharbeit im Physik Projektkurs Abiturjahrgang 203 vorgelegt von Robert Kessel Abgabetermin: Note: Punktzahl: Kursleiter: Herr Geck (Unterschrift)

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Grundlagen über die Geothermie Geschichte Aufbau der Erde als Motor der Geothermie Geothermische Quellen Aquifere Hot-Dry-Rock Verfahren Geothermische Heizwerke Aus Wärme wird Strom Flash- Prozesse Kalina- Prozess Wärmepumpen Kompressions- Wärmepumpe Absoptions- Wärmepumpe Adsoroptions- Wärmepumpe Bedingungen zur Nutzung der Geothermie Vor- und Nachteile der Geothermie Fazit...4 2

3 Einleitung In der folgenden Arbeit möchte ich die Geothermie näher untersuchen, und dabei insbesondere auf die Funktionsweise, die Wärmepumpen, und auf die Vor- und Nachteile eingehen. Die meisten Menschen wissen nicht über die Möglichkeiten der erneuerbaren Energien, welche uns heutzutage zur Verfügung stehen, Bescheid. Deshalb geraten sie oft in Vergessenheit. Mit dieser Arbeit möchte ich viele aufkommende Fragen zur Geothermie als erneuerbare Energie beantworten und die Notwendigkeit der Geothermie in naher Zukunft untersuchen. Hierzu werde ich zunächst erläutern, was Geothermie allgemein bedeutet. Anschließend werde ich die verschiedenen geothermischen Quellen untersuchen und darstellen. Des weiteren werde ich mich mit dem Aufbau geothermischer Heizwerke beschäftigen und auf die geothermische Stromerzeugung eingehen. Es folgt eine Erläuterung zu den verschiedenen Wärmepumpen, welche zur Nutzung der Geothermie benötigt werden, und deren Funktionsweisen. Letztlich gehe ich auf die Nutzung der Geothermie ein und stelle die Vor- und Nachteile dar. 2 Grundlagen über die Geothermie 2. Geschichte Die Geothermie ist neben anderen regenerativen Energien ebenfalls eine Global gesehen langfristig nutzbare Energiequelle, welche die Menschheit bis zu Jahre lang mit Energie versorgen könnte. Dabei wird die Geothermie schon seit Jahrtausenden gezielt verwendet. Archäologische Funde beweisen, dass amerikanische Ureinwohner geothermische Quellen schon seit mehr als Jahren zum Kochen, Baden 3

4 und als Schutz gegen Kälte benutzen.2 Ein weiteres geschichtliches Beispiel sind die Römer, dessen Volk für ihre Thermalbäder bekannt war und somit auch geothermische Quellen nutze. Die ersten industrielle Anwendungen gab es jedoch erst um das Jahr 777 in der Region Larderello, Italien. Aus den dort auftretenden Quellen wurde Borsäure aus dem Dampf und der Ablagerungen der Quellen extrahiert. Fortlaufend entdeckte Alexander von Humboldt 79 die geothermische Tiefenstufe, welche 3,8 C/00m beträgt, und somit auch den geothermischen Gradienten, welcher 3K/00m beträgt. 827 entsteht in Larderello die erste Anlage zur Nutzung der Erdwärme. 45 Jahre später, im Jahre 93, wurde der erste natürlich beheizte Niederdruckdampfkessel entwickelt. Durch dessen Innovation gelang es im Jahre 93 das erste mal Erdwärme in Elektrizität umzuwandeln Aufbau der Erde als Motor der Geothermie Dieses Nutzen verdanken wir allerdings nur dem Schalenförmigen Aufbau unserer Erde. Dank ihm bemerken wir an der Oberfläche nichts davon, dass ca. 99% der Erde eine Temperatur von über 000 C hat. 3 Die meiste Wärme findet sich in dem Erdkern. So muss die Wärme sich durch die verschiedenen Erdschichten ca. 40km weit hocharbeiten. Das ist der Grund dafür, warum es zur Nutzung der Geothermie erforderlich ist, kilometertiefe Tiefenbohrungen durchzuführen Buch der Synergie Buch der Synergie, 4..2 Planet Wissen, 4..2 Regenerative Energiesysteme 4

5 Desto schneller die Temperatur an Tiefenmetern zunimmt, desto besser ist eine Gegend für die Nutzung der Geothermie geeignet. So herrschen in Deutschland allgemein beste Bedingungen. Dank der Rheintiefenebene herrscht in einer Tiefe von 3000m schon eine Temperatur von ca. 50 C. Dieser Wert macht es möglich, dass das technische Potenzial in Deutschland rund TWh beträgt, was dem 600fachen des deutschen Jahrenstrombedarfes entspricht. Nach dem durchschnittlichen Tiefengradienten, welcher C/33m beträgt, hat man bei einer Tiefe von 3000m nur eine Temperatur von ca. 00 C. Ein normaler Wert für Tiefenbohrungen sind m. 3 Geothermische Quellen Die Wärme aus dem inneren der Erde kann uns auf der Erdoberfläche auf verschiedenste Weisen deutlich werden. Das beste Beispiel für die enorme Hitze und die damit verbunden Kräfte durch entstehende Gase, sind Vulkane. Immer wieder verursachen sie Naturkatastrophen durch das ausspeien von geschmolzenem Gestein, also Magma, bzw. auf der Erdoberfläche Lava. Hier sieht man in einem Negativbeispiel, was die Erdwärme anrichten kann. So ist selbst bei der Geothermie nicht viel von der Energiegewinnung sichtbar. Meist sieht man Oberirdisch nur einen Bohrturm, dessen mit Diamant besetzte Meißel sich in die Tiefe bohrt. Um bei bestimmten Untergründen ein Einstürzen der Wand des Bohrlochs zu verhindern, wird in größeren Abschnitten ein Stahlrohr hinab gelassen und mit speziellem Zement im Loch befestigt. Regenerative Energien S. 34 Regenerative Energiesysteme S.36 Regenerative Energiesysteme S.37 5

6 3. Aquifere Die bekannteste geothermische Quelle sind die Heißwasser Aquiferen, die sogenannten Thermalquellen. Diese können auch als Geysire vorkommen, jedoch erfordert dies ausgesprochen selten vorkommende Bedingungen. Es sind Wasservorkommen welche unterirdisch beheizt werden. Diese Art sich einen Vorteil durch die Erdwärme zu verschaffen, wurde schon seit mehreren tausend Jahren ausgeübt. Thermalquellen bieten die Möglichkeit, Energie aus der Erdwärme zu gewinnen, ohne sie in Strom umzuwandeln. So werden in Reykjavik, der Hauptstadt Islands, ca. 89% aller Haushalte durch geothermische Energie geheizt. 4 Thermalwasser hat den entscheidenden Vorteil anderen geothermischen Quellen gegenüber, dass es direkt für die technische Nutzung verwendet werden kann. Jedoch sind Thermalquellen relativ selten, und die Kosten zur Nutzung der Energie recht hoch. So kostet alleine das Bohren ca. Mio. /km. Ein weiteres Problem dabei stellt die Ungewissheit, ob das Vorkommen für eine langfristige Nutzung ausreichend ist, und die Frage wie hoch der Salzgehalt ist, dar. Zu dem Prinzip der Gewinnung der Erdwärme bei Aquiferen, später mehr. 3.2 Hot-Dry-Rock Verfahren Erdenergie kann aber auch unabhängig von Aquiferen gewonnen werden, nämlich durch das Hot-Dry-Rock Verfahren. Es werden 3 5km Tiefe Bohrungen angesenkt. Es bilden sich in der Tiefe Hohlräume, in welche nun kaltes Wasser gepresst wird. Durch die dortige Erwärmung dehnt es sich aus und sprengt weitere Hohlräume in das Gestein. In diese neu entstandenen Hohlräume wird nun kaltes Wasser injiziert und nach Erwärmung wieder nach oben befördert. Wegen den nicht allzu häufig vorkommenden Heißwasserqullen in Deutschland, ist dieses Verfahren in Deutschland das meist verwendete. 4 Erneuerbare Energiequellen, 4..2 Regenerative Energiesysteme S.36 Regenerative Energiesysteme S.37 6

7 4 Geothermische Heizwerke Geothermische Heizwerke finden ihren Einsatz in Thermalwassergebieten. Da eine Tiefenbohrung in Thermalwassergebieten mit erheblichen Kosten verbunden ist, ist es für den wirtschaftlichen Betrieb erforderlich eine relativ große Heizleistung zu erbringen. Ein Vorteil hierfür ist die Verteilung der Wärme über ein Nah- oder Fernwärmenetz. Wie in der Abbildung zu sehen ist, befördert eine Förderpumpe heißes Thermalwasser an die Oberfläche. Durch den relativ hohen Salzgehalt und eine gewisse natürliche Radioaktivität kann das Thermalwasser jedoch nicht direkt zur Wärmeversorgung genutzt werden. So ist ein sogenannter Wärmetauscher erforderlich, welcher dem Wasser seine Wärme entzieht und ein Fernwärmenetz abgibt. Durch das Loch einer zweiten, zuvor angelegten Bohrung, gelangt das abgekühlte Wasser wieder in die Erde und wird dort wieder aufgeheizt. Geothermisches Heizwerk Dieser Kreislauf wiederholt sich nun so lange, bis die Erde an diesem Punkt durch die technischen Verfahren so weit abgekühlt ist, dass eine technische Energiegewinnung nicht mehr lohnt. Dies dauert ca. 30 Jahre. Regenerative Energiesysteme S. 39 Regenerative Energiesysteme S. 38 7

8 5 Aus Wärme wird Strom Es genügt jedoch nicht nur ein Wärmenetz als Endenergie aus der Geothermie zu gewinnen, denn Dieses ist nur lokal wirklich sinnvoll und effektiv. Also ist es nötig aus der gewonnen Wärme Strom zu erzeugen. Jedoch ist die geothermische Stromerzeugung komplexer als die Bereitstellung von einfacher Heizwärme. So sind einige Prozesse erforderlich, um aus geothermischer Wärme Strom zu erzeugen. Durch die für die Kraftwerktechnik relativ gering herrschenden Temperaturen waren neue Konzepte gefordert. So entstanden die: Direktdampfnutzung Flash- Kraftwerke ORC- Kraftwerk Kalina- Kraftwerke Prinzip des geothermischen ORC-Kraftwerks 5. Flash- Prozesse Steht das Thermalwasser bereits als Dampf zur Verfügung, so kann es direkt in einer Dampfturbine genutzt werden. Ist dies jedoch nicht der Fall, werden Flash Prozesse verwendet. Heißes, unter Druck stehendes Thermalwasser wird teilentspannt, wodurch sich bei sinkender Temperatur der Dampfanteil erhöht. Durch einen Separator und Tropfenabscheider wird der Dampf vom Restwasser getrennt. Regenerative Energiesysteme S. 320 Regenerative Energiesysteme S. 39 Regenerative Energiesysteme S. 320 Regenerative Energiesysteme S. 32 Regenerative Energiesysteme S

9 Dieser Dampf lässt sich nun in der Dampfturbine nutzen, und wird danach wieder in die Tiefe gepresst. Dieser Vorgang kann auch mit 2 Entspannungsstufen stattfinden, mit dem Unterschied, dass das Verfahren dann Double-Flash-Prozess genannt wird. Dieses Verfahren erhöht den Wirkungsgrad geringfügig. Um nun Elektrizität aus den Wasserdampfturbinen zu gewinnen sind Temperaturen über 50 C notwendig. Jedoch sind diese nicht immer durch die Erdwärme gegeben. Dennoch gibt es für Temperaturen ab 80 C die sogenannten ORC-Prozesse (Organic Rankine Cycles), zu sehen in der vorangehenden Abbildung. Im Dampfturbinenprozess wird anstelle des Wassers ein anderer Stoff verwendet, zum Beispiel Isopentan oder PF5050. Dieser verdampft bereits bei geringeren Temperaturen. Diese Stoffe haben eine Verdampfungstemperatur von 30 C bei Umgebungsdruck. 5.2 Kalina- Prozess Bei dem Kalina- Prozess wird als Arbeitsmittel ein Zweistoffgemisch verwendet, zum Beispiel Wasser und Ammoniak. Zusammen ergeben die beiden Stoffe ein Zweiphasengemisch. Beim verdampfen dieses Gemisches bleibt die Temperatur nicht konstant, was die thermodynamischen Prozesseigenschaften, im Gegensatz zu den anderen beiden bereits vorgestellten Prozessen, enorm verbessert. Hierdurch wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht, was zu einer höheren Energiegewinnung führt. Wie in der folgenden Abbildung zu erkennen ist, wird die Flüssigkeit in einem Separator abgetrennt. Die Turbine wird durch den stark ammoniakhaltigen Dampf angetrieben. Wie bei den anderen Prozessen, verflüssigt der Kondensator wieder den Dampf. Anschließend bringt eine Speisepumpe die Flüssigkeit wieder auf Betriebsdruck. Über einen Wärmetauscher gibt die zuvor im Separator abgetrennte Flüssigkeit ihre Wärme an den Kreislauf ab. Schließlich wird Sie vor dem Kondensator wieder in den Kreislauf hinzugefügt. Regenerative Energiesysteme S. 320 Regenerative Energiesysteme S. 32 9

10 6 Wärmepumpen Unter einer Wärmepumpe wird vereinfacht eine, elektrisch oder mechanisch, angetriebene Pumpe, welche Heizwärme aus einer Niedertemperaturwärmequelle erzeugt, verstanden. Sie lassen sich in drei verschiedene Wärmepumpen unterteilen: Die Kompressions-, Absorption-, und Adsorptionswärmepumpe. Sie unterscheiden sich durch ihre verschiedenen Funktionsprinzipien, welche sie für verschiedene Bereiche optimal nutzbar machen. 6. Kompressions- Wärmepumpe Das Funktionsprinzip der Kompressions- Wärmepumpe ist dem des Kühlschrankes relativ verwandt: Durch das zuführen von Niedertemperaturwärme (Wärme in einem Bereich bis ca. 30 C) wird in einem Verdampfer ein Kältemittel (meist FKW) verdampft. Ein Verdichter, welcher mit einer externen Arbeitsernergie betrieben wird, verdichtet das dampfförmige Kältemittel. Dies kommt hierdurch auf einen hohen Betriebsdruck, sodass es sich stark erwärmt. Durch ein Expansionsventil kann der Druck reguliert, bzw. so vermindert werden, dass das Kühlmittel wieder abkühlt und erneut zum Verdampfer gelangt, wo es dann erneut genutzt werden kann. Regenerative Energiesysteme S

11 Diese Wärme lässt sich nun als Nutzwärme, also zum Bespiel zum Betrieb einer Raumheizung oder zur Wassererwärmung, nutzen. Dieses Kältemittel weißt jedoch nicht nur Vorteile auf. Treten nämlich nur 2 kg des Kältemittels R23a aus, so entspricht dies dem Treibhauspotenzial von 2600 kg CO2, was der Menge der Verbrennung von 30000kWh Erdgas entspricht. Also ist bei dem Umgang mit diesem Stoff höchste Vorsicht geboten und damit verbunden sind hohe Sicherheitsmaßnahmen, was wiederum höhere Kosten bedeutet. 6.2 Absoptions- Wärmepumpe Die Absorptions- Wärmepumpe funktioniert, wie ihr Name bereits besagt, durch Absorption. Unter Absorption versteht man die Aufnahme eines Gases oder einer Flüssigkeit durch eine andere Flüssigkeit, ähnlich wie beim lösen von CO2 in Mineralwasser. In der folgenden Abbildung ist zu erkennen, dass anstelle des mechanischen Verdichters der Kompressions- Wärmepumpe, ein thermischer Verdichter (baut Druck durch Temperaturen auf) vorhanden ist. Damit dies funktioniert, wird die Absorption genutzt. Ein sorbierbares Kältemittel ( also ein Kältemittel, welches absorbiert werden kann) mit niedriegem Siedepunkt wird gewählt. Bei der sorbierung, von zum Beispiel Ammoniak, entstehen hohe Temperaturen. Mit Hilfe von Niedertemperaturwärme wird das Ammoniak wie bei der Kompressions- Wärmepumpe verdampft. Der entstandene Dampf wird nun von einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel Wasser, im Absorber absorbiert. Die dabei entstehenden Temperaturen lassen sich nun über einen Wärmetauscher als Nutzwärme wieder abführen. Regenerative Energiesysteme S. 324 Regenerative Energiesysteme S

12 Funktionsprinzip einer Absorptions- Wärmepumpe 6.3 Adsoroptions- Wärmepumpe Ähnlich wie bei der Absorptions- Wärmepumpe, funktioniert die AdsorptionsWärmepumpe durch die Eigenschaft verschiedener Stoffe, andere Stoffe zu adsorbieren. Stoffe die diese Eigenschaft besitzen sind zum Beispiel Aktivkohle, Silicagel oder Zeolithe. Es wird sich der Effekt der Adsorption zu Nutze gemacht, um Wasserdampf zu adsorbieren, ihn also zu binden. Durch die Adsoption startet eine stark exotherme Reaktion. Hierbei wird viel Energie freigesetzt und es werden Temperaturen von bis zu 300 C erreicht. Um unter diesen Bedingungen Wasser als Arbeitsmedium zu nutzen, muss ein Vakuum erzeugt werden. Im Gegensatz zu den anderen beiden Wärmepumpen wird die AdsorptionsWärmepumpe in 2 Phasen betrieben:.: Ein Gasbrenner treibt in einem Wärmetauscher das im Feststoff (zum Beispiel Zeolith) gebundene Wasser aus. Um dieses wieder zu kondensieren, gelangt es in einen zweiten Wärmetauscher. Dieser führt die Nutzwärme bei hohen Temperaturen ab. Wenn nun das Wasser verdampft ist, kann der Brenner ausgeschaltet werden und der 2. Schritt beginnen. Regenerative Energiesysteme S. 326 Regenerative Energiesysteme S

13 2.: Die Niedertemperaturwärme wird über den zweiten Wärmetauscher hinzugefügt. Das hierdurch verdampfende Wasser gelangt an den mit Zeolith beschichteten Wärmetauscher. Das Zeolith adsorbiert den Wasserdampf. Hierdurch entstehen hohe Temperaturen, welche über den Wärmetauscher als Nutzwärme abgeführt werden kann. Ein Vorteil der Adsorptions- Wärmepumpe gegenüber der Kompressions- und Absorptions- Wrämepumpe ist, dass sie ganz ohne giftige Materialien auskommt. 7 Bedingungen zur Nutzung der Geothermie Geothermie kann nur da betrieben werden, wo Wärmepumpen durch eine Niedertemperaturwärmequelle angetrieben werden können. Also beschränkt sich das Einsatzgebiet auf folgende Wärmequellen: - Grundwasser (Heißwasser) - Oberflächenwasser (Heißwasser) - Erdreich ( Sonde/Kollektor) - Abwärme (z.b. von Industrie) - Umgebungsluft 8 Vor- und Nachteile der Geothermie Als größter Vorteil der Geothermie ist zu erwähnen, dass sie eine unerschöpfliche Energiequelle ist. Hinzu kommt, dass durch sie Strom erzeugt werden kann, ohne das Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, somit gilt sie auch als sehr umweltfreundlich. Ebenfalls ist zu erwähnen, dass der Wirkungsgrad durch die zahlreichen modernen Prozessen sehr hoch ist. Jedoch hat auch diese regenerative Energie Nachteile. Ihre Wirtschaftlichkeit wird in Frage gestellt, und das nicht ohne Grund. Denn ohne Kunden überwiegen die Bohrkosten bei den Unternehmen. Um diese wieder auszugleichen wären die Kosten des Verbrauchers umso höher.5 Regenerative Energiesysteme S. 327 Regenerative Energiesysteme S Daldrup,

14 9 Fazit Abschließend bleibt zu sagen, dass Aufgrund der Energiewende die Geothermie in Zukunft eine immer wichtigere Rolle für uns spielen wird, und eine echte alternative für Atomkraft werden könnte. Sie hat den Vorteil anderen regenerativen Energien gegenüber, dass sie nahezu überall, wenn auch nicht gleich Effektiv, genutzt werden kann. Geothermie ist ein Fortschritt in eine saubere Zukunft. Dieser Fortschritt macht es schon heute in vielen Ländern leicht, sauber Energie zu gewinnen. Auch wenn es nicht immer leicht fiel, habe ich durch das anfertigen dieser Arbeit viele neue Erkenntnisse gewonnen und konnte so mein Wissen in einigen Bereichen der regenerativen Energien erweitern. Außerdem hat mir das bearbeiten des Themas, dass Beschaffen der Informationen, sowie dass anschließende Verfassen dieser Arbeit viel Spaß gemacht. 4

15 Literaturverzeichnis : Regenerative Energiesysteme Technologie Berechnung Simulation Volker Quaschning 20 Kapitel: Geothermie Seten : Buch der Synergie, : Planet Wissen, : Erneuerbare Energiequellen, Der Gebrauch der geothermischen Energie für andere Zwecke 5.: Daldrup,

16 Erklärung über die selbständige Anfertigung der Arbeit Ich versichere, dass ich die Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen Quellen und Hilfsmittel als die angegebenen benutzt zu haben. Die Stellen der Arbeit, die anderen Werken entnommen sind, sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht. Wiehl, den Unterschrift 6