Potenziale der Geothermie im Raum Darmstadt

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1 Potenziale der Geothermie im Raum Darmstadt Symposium Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt 21. Februar 2013 Maschinenhaus der TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Eine Stiftungsprofessur des Fachgebiet Angewandte Geothermie Institut für Angewandte Geowissenschaften Technische Universität Darmstadt

2 In eigener Sache (1) Aus dem Programm der Großherzoglich-Hessischen Technischen Hochschule zu Darmstadt 1917/1918: 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 1.

3 In eigener Sache (2) 1882 Gründung des weltweit ersten Lehrstuhls für Elektrotechnik und Berufung von Erasmus Kittler an die TU Darmstadt Die TUD richtet als erste Hochschule eine Fakultät für Elektrotechnik ein Gründung des TU Darmstadt Energy Center 2009 Gründung des Fachgebietes Angewandte Geothermie als Stiftungsprofessur des NaturPur Institut der HSE AG. 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 2.

4 Fachgebiet Angewandte Geothermie Angewandte Geothermie besteht sowohl in der ingenieurtechnischen Beschäftigung mit der Erdwärme und ihrer Nutzung als auch in der geowissenschaftlichen Untersuchung der thermischen Situation der Erde und der globalen Reservoirsysteme. Die wissenschaftliche Profilierung des Fachgebietes ist stark auf numerischexperimentelle Kopplung ausgerichtet: gekoppelte Experimente in Feld- und Labor führe zu gekoppelten Modellierungen (thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch) 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 3.

5 Spüren Sie die Energie in Darmstadt? Darmstadt Graduate School of Energy Science and Engineering: 4 Multidisziplinäre Integrationsplattformen Gebäudeintegration und energieautarke Siedlungsräume Solare Brennstoffe Intelligente Energienetze Flexible Energiewandler mit reduzierter CO2-Emission 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 4.

6 Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2011 Gesamt: 300,9 TWh biogene Brennstoffe, Wärme: 43,7 % biogene Kraftstoffe: 11,4 % Geothermie: 2,1 % Wasserkraft: 6,0 % Solarthermie: 1,9 % Photovoltaik: 6,4 % biogene Brennstoffe, Strom: 12,3 % Windenergie: 16,2 % gesamte Biomasse *), einschl. biogene Kraftstoffe: 67 % *) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; 1 TWh = 1 Mrd. kwh; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Stand: Juli 2012; Angaben vorläufig 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 5.

7 Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2011 Gesamt: 143,5 TWh biogene Festbrennstoffe (Haushalte): 47,0 % biogene Festbrennstoffe (Industrie): 16,4 % oberflächennahe Geothermie: 4,2 % tiefe Geothermie: 0,2 % biogener Anteil des Abfalls: Klärgas: Solarthermie: 5,3 % 0,8 % 3,9 % Deponiegas: 0,2 % Biogas: 11,8 % biogene flüssige 1) Brennstoffe : 5,4 % biogene Festbrennstoffe (HW/HKW): 4,7 % Biomasseanteil 2): 92 % 1) Inklusive Pflanzenöl; 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; 1 TWh = 1 Mrd. kwh; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Juli 2012; Angaben vorläufig 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 6.

8 Entwicklung der Wärmebereitstellung aus solarthermischen Anlagen in Deutschland Wärmebereitstellung [GWh] installierte Fläche, kumuliert [m²] [GWh] [1.000 m 2 ] Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Hintergrundbild: ZSW / Ulrike Zimmer; Stand: Juli 2012; Angaben vorläufig 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 7.

9 Oberflächennahe Geothermie und Umweltwärmenutzung in D: [GWh] * Inkl. Luft/Wasser-, Wasser/Wasser- und Sole/Wasser-Wärmepumpen; 1 GWh = 1 Mio. kwh; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW; Hintergrundbild: ZSW / Ulrike Zimmer; Stand: Juli 2012; Angaben vorläufig 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 8.

10 Geothermie Geothermie (oder Erdwärme) ist die gesamte unterhalb der Erdoberfläche vorhandene Wärme Woher kommt diese Wärme? Restwärme aus den Zeiten der Erdentstehung vor 4,7 Mrd. Jahren (30-50%) Zerfall radioaktiver Elemente (Uran, Thorium, Kalium) in den Gesteinen (50-70%) Klimaeinfluss (geringer Einfluss, nur in den obersten Metern) 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 9.

11 Geothermischer Gradient Die Temperatur in der Erdkruste (0-40 km Tiefe) nimmt im Durchschnitt alle 100 m um etwa 3 C zu. Dies wird als geothermischer Gradient bezeichnet. 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 10.

12 Geothermischer Gradient Technisch nutzbar (d.h. durch Bohrungen erreichbar) sind nur die obersten Kilometer bis in eine Tiefe von etwa 5 bis 7 km. 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 11.

13 Wie lässt sich Geothermie nutzen? Geothermie kann als Energiequelle zur Stromerzeugung und/oder Wärmegewinnung genutzt werden. Oberflächennahe Geothermie wird im Allgemeinen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden genutzt und umfasst alle Systeme bis zu einer Tiefe von 400 m. Tiefe Geothermie wird zur Stromerzeugung und/oder zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt. Tiefe Systeme beginnen bei einer Tiefe von 1000 m. Dabei wird zwischen Hydrothermalen und Petrothermalen System unterschieden. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 12.

14 Tiefe Geothermie Hydrothermale Systeme Hydrothermale Systeme nutzen natürliche heiße Fluide (Wasser, Dampf) aus dem Untergrund. Die Fluide werden mittels Tiefbohrungen erschlossen und in Abhängigkeit von der Temperatur zur Stromerzeugung (>100 C) oder Wärmegewinnung genutzt. Geothermie- Kraftwerk 0 m 3000 m Geothermie-Kraftwerk Wairakei, Neuseeland Heißwasser-Reservoir 4000 m 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 13.

15 Tiefe Geothermie Petrothermale Systeme (EGS) Petrothermale Über Injektionsbohrungen Systeme werden wird auch als anschließend Hot Dry Rock-Systeme Wasser durch bezeichnet. die 0 m Die erzeugten Technik Fließwege beruht auf gepumpt, der Nutzung von welches heißen, dem aber umgebenden schlecht Gestein durchlässigen Wärme entzieht. Gesteinen, aus denen keinen Über Produktionsbohrungen natürlichen heißen Fluide wird gefördert das erhitzte werden Wasser können. wieder an die Das Oberfläche Gestein gepumpt muss daher und künstlich in ein aufgebrochen Geothermiekraftwerk werden, um geleitet. Fließwege Hier zu wird erzeugen. mit Hilfe von Turbinen aus dem Dies heißen wird Wasser mit Hilfe Strom von erzeugt, Tiefbohrungen erreicht, während über das wieder die Wasser abgekühlte in das Gestein Wasser wieder eingepresst über die wird. Injektionsbohrungen Durch den 3000 m hohen hydraulischen in den Untergrund Druck bricht das Gestein reinjektiert auf ( hydraulisches wird fracen ) und es der entstehen Kreislauf neue beginnt Fließwege. von Neuem m Heißes, schlecht durchlässiges Gestein 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 14.

16 Potenzialdefinition Ohne Berücksichtigung geologischer Kennwerte oder der Tiefenabhängigkeit thermophysikalischer oder hydraulischer Reservoireigenschaften 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 15.

17 Tiefe Geothermie Potenziale in Deutschland hydrothermal petrothermal TAB Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 16.

18 Geologie des Oberrheingrabens 3 km mächtige Sedimentfüllung im Norden keine Buntsandstein- und Muschelkalkreservoire Saar-Nahe-Becken mit 6 km mächtigen Sedimenten des Permokarbons Röhr (2006) 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 17.

19 KW-Bohrungen Rotliegend im nördlichen Oberrheingraben Andesit, Latit ( Melaphyr ) Rhyolith ( Quarzporphyr ) Sandstein (z.t. Arkose), Silt- und Tonstein Konglomerat, Sandstein (z.t. Arkose), Siltstein unter geringer Überdeckung Bohrungen in denen Rotliegend angetroffen wurde Verbreitungsgrenze 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 18.

20 Stark generalisiertes Normalprofil des nördlichen Oberrheingrabens Quartär und Tertiär liegen meist zu flach oder scheiden zur tiefengeothermischen Nutzung aus anderen Gründen aus. Gesteine der Trias (Buntsandstein) und des Permokarbons (Rotliegend) stellen potenzielle Reservoirgesteine dar. Das Kristallin ist überall vorhanden, und an der Oberfläche stark verwittert. Über 4000 m Mächtigkeitsunterschiede Obere Nahe-Subgruppe Untere Nahe-Subgruppe Glan-Subgruppe 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 19. (Sass & Bär, 2008)

21 Schematischer Schnitt durch den nördlichen Oberrheingraben (Sass & Bär, 2008) 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 20.

22 Hydrothermales Potenzial des Rotliegend

23 Wärmeinhalt von Gesteinen 1 km³ eines 200 C heißen Granits, der um 20 C abgekühlt wird......liefert circa 10 MW elektrischen Strom......für eine Periode von 20 Jahren. 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 22.

24 Berechnung des Wärmeinhaltes von Reservoirsystemen E th = c ρ G G V nach Muffler & Cataldi (1978) ( T T ) O G Mächtigkeit des Rotliegend [m] E th Wärmeinhalt [J] c G spezifische Wärmekapazität des Gesteins [J/(kg K)] ρ G Dichte des Gesteins [kg/m³] V Gesteinsvolumen [m³] T G Temperatur des Gesteins [ C] T O Temperatur an der Erdoberfläche [ C] Mittlere Temperatur des Rotliegend [ C] 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 23.

25 Hydrothermales Stromerzeugungspotenzial im nördlichen Oberrheingraben Reservoirformation Mittlere Temperatur [ C] Volumen [km³] Therm. Energie [EJ] Verstrombarer Anteil [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [EJ] Stromerzeugungspotenzial unter Einbeziehung technischer Wirkungsgrade [TWh] Buntsandstein 112 1,61 0,32 0,036 0,003 0, ,14 0,56 0,103 0,011 3, ,9 12,19 2,510 0,301 83,61 Σ (Buntsandst.) 40,7 13,1 2,65 0,32 87,5 Rotliegend ,16 2,59 0,26 72, ,73 11,31 1,27 352, ,6 15,90 3,12 0,38 105,56 Σ (Rotliegend) ,8 17,01 1,92 530,56 Muschelkalk ORG (Jung et al. 2002) Buntsandstein ORG (Jung et al. 2002) 43,3 12 2,1 0, , Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 24.

26 Entwicklungspotenziale von Gebäuden Unsanierter Altbau EnEV 2009 Plusenergiehaus Heizwärmebedarf: Primärenergiebedarf: 200 kwh/m²a 300 kwh/m²a Heizwärmebedarf: Primärenergiebedarf: 60 kwh/m²a 100 kwh/m²a Heizwärmebedarf: Primärenergiebedarf: 15 kwh/m²a - 75 kwh/m²a Primärenergiebedarf im Betrieb Primärenergieerzeugung im Betrieb Bild: Einfamilienhäuser in Feldkirch, Walter Unterrainer 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 25. Bild: PEH des BMVBS

27 Zukunft im Neubau: EnergiePlus Häuser und Speicherung Siegerhaus des Solardecathlon 2009 Studenten des FG eebau, Leitung Prof. Hegger, TU Darmstadt 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 26.

28 Energetische Potenziale von Gebäuden im urbanen Kontext Energieverbrauch Temporärer Energieüberschuss Energieerzeugung Speicher Wohnhäuser Gewerbe Industrie Verwaltungsbauten Versammlungsstätten 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 27.

29 Konkurrierender Entzug von Erdwärme Beispiel Geothermische Brunnenanlage Schicht 1 Beispiele Erdwärmesondenfeld, Energiepfähle Schicht 2 Beispiel Tiefe Erdwärmesonde 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 28.

30 Beispiel: Abkühlung durch Wärmeentzug 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 29.

31 Ausbreitung von Kältefeldern 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 30.

32 Überbewirtschaftung der Ressource beginnt Verschiedene Optionen müssen an unterschiedlichen Standorten zeitgleich oder zeitversetzt berücksichtigt werden: z. B. Erdwärmesonden vertiefen, Brunnen versetzen (Planung) oder sommerliche Abwärme einspeichern (Betrieb) 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 31.

33 Totale Überbewirtschaftung ohne systematische Integration der Geothermie 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 32.

34 Geothermischer Speicher Sommer: Solarthermische Aufladung und/oder Aufladung durch Gebäudekühlung 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 33.

35 Geothermischer Wärmespeicher Herbst: Teilentladung des Wärmespeichers Bestimmte Gebäude verbrauchen bereits Heizwärme, andere sind autark 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 34.

36 Geothermische Resource Winter: Wärmeentzug dominiert Bilanz: eingespeicherte Sommerwärme wird verbraucht; zusätzlicher Bedarf wird aus der Resource Erdwärme gedeckt. 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 35.

37 Ziele

38 1. Gestalten der klimagerechten Stadt Vermeidung von Überhitzung Urbane Belüftungssysteme Verringerung von Mikroinversion Verbesserung der Tageslichtausbeute Verbesserter Schutz vor Wetterextremen 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 37.

39 2. Analysieren des Umweltkapitals Energiepotenziale ermitteln (Effizienz, Produktion, Speicherung ) Analysewerkzeuge einsetzen (GIS, Energiekartierung, ) Flora und Fauna schützen Ethische Grundsätze beachten 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 38.

40 3. Einsetzen technischer Potenziale Erneuerbare Energietechnologien sind vorhanden Anwendung deutlich verstärken Forschung setzt Impulse für lokale Wirtschaftsentwicklung Academy Mont-Cenis Herne, Jourda Architectes/HHS Planer + Architekten 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 39.

41 4. Nutzen gesellschaftlichen Reichtums Paradigmenwechsel wahrnehmen Kosten der Anpassung früh angehen Wachstumsmotor Klimaschutz nutzen Anreizsysteme einführen Das Geld in der Stadt lassen 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 40. Bild: Berlin Marathon

42 5. Anpassen von Arbeitsstrukturen Politik Gesetzgebung Verwaltung Organisationsformen Berufe Bildung/Ausbildung 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 41.

43 6. Fördern positiven Denkens Apathie bestehender Strukturen überwinden gegenläufige Einflüsse beherrschen lernen Green Washing entlarven Meinungsführer mobilisieren Impuls gebende Initiativen einleiten Glaubwürdigkeit einfordern Visionäre integrieren 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 42.

44 7. Verbessern der Kommunikation Vermittlung leisten Sichtbarkeit herstellen Studien publizieren Beispiele kommunizieren und freier Zugang zu Information Qualität auf allen Ebenen beachten 21. Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 43. Quelle: BMVBS

45 8. Stärken der Unabhängigkeit Dezentralisierung fördern Zukunft selbst sichern Verletzlichkeit reduzieren Selbstbewusstsein stärken Masdar City, Abu Dhabi, Planungen für eine Null-Energie-Stadt Quelle: Februar 2013 Symposion Stadtleben der HEAG AG & TU Darmstadt Prof. Dr. Ingo Sass Geothermische Potenziale 44.

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen?