Nutzung geothermischer Energie für:

Transkript

1 Definition Tiefe Geothermie : Quelle: STOBER, I., FRITZER, T., OBST, K. & SCHULZ, R. (2009): Nutzungsmöglichkeiten der Tiefen Geothermie in Deutschland Seiten; Bonn (BMU). Die tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen die geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird und deren Energie direkt (d.h. ohne Niveauanhebung) genutzt werden kann. Nutzung geothermischer Energie für: Balneologie / Thermalbad (thermal spa) Quelle: wikipedia Die Balneologie oder Bäderkunde ist die Lehre von der therapeutischen Anwendung natürlicher Heilquellen, Heilgase und Peloide in Form von Bädern, Trinkkuren und Inhalationen. Ein Thermalbad ist eine Einrichtung zur therapeutischen Nutzung einer Thermalquelle. Offen zutage tretende Thermalquellen werden schon seit Alters her für Bade- und Heilzwecke genutzt. Seit dem 5. Jahrhundert v. Chr. sind antike Badeeinrichtungen zur Nutzung von Thermalquellen nachweisbar. Thermalwasser ist Grundwasser, das aus natürlichen Quellen austritt oder durch Bohrungen erschlossen wurde und bei Erreichen der Erdoberfläche eine Temperatur von mindestens 20 C haben muss (Quelle: Deutscher Heilbäderverband). CO 2 -Gewinnung Gewinnung von CO 2 aus Grundwasser z. B. für die Getränkeindustrie Fernwärme (district heating) Quelle: wikipedia Als Fernwärme bezeichnet man den Transport von thermischer Energie vom Erzeuger zum Verbraucher, meist zur Heizung von Gebäuden. Unter Fernheizung wird die Erschließung ganzer Städte oder ganzer Stadtteile verstanden. Bei der örtlichen Erschließung einzelner Gebäude, Gebäudeteile oder kleiner Wohnsiedlungen mit eigener Wärmeerzeugung spricht man von Nahwärme. Gebäudeheizung (space heating) im Sinne von Nahwärme Quelle: wikipedia Mit dem Schlagwort Nahwärme wird die Übertragung und/oder Speicherung von Wärme zwischen Gebäuden zu Heizzwecken umschrieben, wenn sie im Vergleich zur klassischen Fernwärme nur über verhältnismäßig kurze Strecken führt. Nahwärme wird im Unterschied zur Fernwärme in kleinen, dezentralen Einheiten installiert und bei relativ niedrigen Temperaturen übertragen. Daher lässt sich auch verhältnismäßig niederwertige Abwärme aus Blockheizkraftwerken, aber zum Beispiel auch aus größeren Sonnenkollektoranlagen oder niedertemperaturigen Erdwärmeanlagen, verwerten. Dies steigert die Effizienz bei der Ausnutzung der Primärenergie stark. Im Zuge der Hinwendung zu erneuerbaren Energiequellen spielt der

2 Ausbau von Nahwärme darum eine große Rolle, um den Anteil des Gesamtenergieverbrauchs, der in Form hochwertiger Energien wie Elektrizität oder Wasserstoff verteilt werden muss, niedrig zu halten. Typische Nahwärmeanlagen haben thermische Leistungen im Bereich zwischen 100 Kilowatt und einigen MW und bedienen den Bereich eines Wohngebietes oder einer Gemeinde. In Nahwärmeinstallationen lassen sich auch Langzeit- Wärmespeicher einsetzen, was auf dem Maßstab einer einzelnen Gebäudeheizung nicht sinnvoll möglich ist. Gewächshaus (greenhouse) Beheizung von Gewächshäusern mit Erdwärme für eine geschützte und kontrollierte Anzucht von Pflanzen Stromerzeugung (power generation) Quelle: wikipedia Unter Stromerzeugung versteht man die Gewinnung von elektrischer Energie. Für die Stromerzeugung werden im hydrothermalen Nutzungsbereich Thermalwässer mit Temperaturen über 100 C benötigt. Trinkwasser / Brauchwasser (potable water) Quelle: wikipedia Trinkwasser ist Süßwasser mit einem so hohen Reinheitsgrad, dass es für den menschlichen Gebrauch, insbesondere zum Trinken und zur Zubereitung von Speisen, geeignet ist. Trinkwasser darf keine krankheitserregenden Mikroorganismen enthalten und sollte eine Mindestkonzentration an Mineralstoffen enthalten. Die häufig in Trinkwasser gelösten Mineralstoffe sind Calcium-, Magnesium-, Carbonat-, Hydrogencarbonat- und Sulfat-Ionen, deren Konzentrationen summarisch als Wasserhärte angegeben wird. Die Güteanforderungen an Trinkwasser sind in Deutschland in der DIN 2000 und der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) festgelegt. Betriebswasser (oft auch als Brauch- oder als Nutzwasser bezeichnet), ist Wasser, das für spezifische technische, gewerbliche, landwirtschaftliche oder hauswirtschaftliche Anwendungen dient. Betriebswasser ist nicht für den menschlichen Genuss (siehe Trinkwasser) vorgesehen, sollte jedoch einer gewissen Mindesthygiene entsprechen. In jedem Fall muss es den technologischen Anforderungen des jeweiligen Prozesses genügen. Beispielsweise muss Kühlwasser so beschaffen sein, dass die Kühlaggregate sich nicht mit Algen oder Kalk zusetzen. Teilweise muss das Wasser sehr weit aufgereinigt werden (z. B. voll-entsalztes Wasser für den Betrieb von Dampfturbinen). Sonstiges (Others) Nutzungsarten, die in keine andere Kategorie eingeordnet werden können. Ungenutzt Keine Nutzungsart bekannt

3 Erschließungskonzept Dublette (doublet) Quelle: STOBER, I., FRITZER, T., OBST, K. & SCHULZ, R. (2009): Nutzungsmöglichkeiten der Tiefen Geothermie in Deutschland Seiten; Bonn (BMU). Bei der hydrothermalen Nutzung wird Wasser aus tiefen wasserführenden Gesteinsschichten (Aquifere) gefördert; über einen Wärmetauscher wird diesem die Wärme entzogen. Das abgekühlte Wasser könnte im Prinzip bei geringer Mineralisation übertage (Abwassersystem, Vorfluter) abgeleitet werden. Meistens muss aber das abgekühlte Wasser zur Erneuerung (Recharge) oder aus entsorgungstechnischen Gründen in denselben Aquifer in einer bestimmten Entfernung zur Entnahmebohrung zurückgegeben (injiziert) werden. Ein derartiges System besteht aus einer Förder- und einer Injektionsbohrung (Dublette). Grundsätzlich ist eine Kombination von mehreren Förder- und Injektionsbohrungen möglich. Das klassische System einer Dublette besteht aus zwei Vertikalbohrungen in entsprechender Entfernung. Heute werden die Förder- und Injektionsbohrung häufig von einem Bohrplatz aus abgeteuft, wobei der Nutzhorizont durch abgelenkte Bohrungen erschlossen wird. Die hydraulische Anbindung an den Aquifer ist dabei günstiger als bei Vertikalbohrungen. Die übertägige Anlage benötigt zudem weniger Platz. Alle technischen Einrichtungen können an einem Ort installiert werden, lange übertägige Verbindungsleitungen werden vermieden. Einbohrlochsystem (singlet) Im Falle eines Einbohrlochsystems erfolgt die hydrothermale Nutzung nur über eine Produktionsbohrung. Das geförderte Wasser wird nicht in den Untergrund reinjiziert. Dies ist zum Beispiel bei balneologischer Nutzung der Fall. Tiefe Erdwärmesonde (deep vertical heat exchanger) Quelle: STOBER, I., FRITZER, T., OBST, K. & SCHULZ, R. (2009): Nutzungsmöglichkeiten der Tiefen Geothermie in Deutschland Seiten; Bonn (BMU). Tiefe Erdwärmesonden sind vertikal geschlossene Wärmetauscher, installiert in Bohrungen von mehr als 400 m Tiefe. Sie verwenden eine den flachen Erdwärmesonden vergleichbare Technik. In einer tiefen Erdwärmesonde zirkuliert ein Wärmeträgermedium in einem geschlossenen System bis zu Tiefen von ca m. Durch Wärmeleitung aus dem Gestein über die Verrohrung und das Hinterfüllmaterial der Sonde erfolgt die Wärmeübertragung auf das in der Sonde zirkulierende Fluid. Im Ringraum eines Doppelrohrsystems (Koaxialrohr) wird das kalte Fluid mengengeregelt nach unten geleitet. Bei seiner langsamen Bewegung (5 65 m/min) erwärmt es sich konvektiv und steigt aufgeheizt im isoliert ausgeführten Innenrohr nach oben. Vom Sondenaustritt gelangt das warme Fluid in die oberirdische Nutzungsanlage, wo es auf ca. 15 C ausgekühlt und mit einer Sondenkreispumpe wieder in den Ringraum zurückgeführt wird. Als Fluid wird häufig Ammoniak eingesetzt. Durch den Wärmeentzug kühlt sich das Umgebungsgestein etwas ab; es entsteht ein horizontaler Temperaturgradient, der das Nachfließen von Wärme aus der weiteren Umgebung zur Folge hat.

4 Tiefe Erdwärmesonden sind nicht auf gut durchlässige Grundwasserleiter angewiesen und können daher theoretisch nahezu überall installiert werden. Für das Verfahren bieten sich wegen der hohen Investitionskosten bereits vorhandene Tiefbohrungen an. Da tiefe Erdwärmesonden einen geschlossenen Kreislauf besitzen, erfolgt kein Eingriff in Stoffgleichgewichte des Gebirges. Lösungs- oder Fällungsreaktionen, wie sie bei hydrothermalen Systemen oder bei Hot-Dry-Rock-Systemen auftreten können, sind ausgeschlossen. Geothermische Nutzung von Bergwerken (mine) Quelle: wikipedia Bergwerke und ausgeförderte Erdgaslagerstätten, die wegen der Erschöpfung der Vorräte stillgelegt werden, sind denkbare Projekte für Tiefengeothermie. Dies gilt eingeschränkt auch für tiefe Tunnelbauwerke. Die dortigen Formationswasser sind je nach Tiefe der Lagerstätte 60 bis 120 C heiß, die Bohrungen oder Schächte sind oft noch vorhanden und könnten nachgenutzt werden, um die warmen Lagerstättenwässer einer geothermischen Nutzung zuzuführen. Derartige Anlagen zur Gewinnung der geothermischen Energie müssen so in die Einrichtungen zur Verwahrung des Bergwerks integriert werden, dass die öffentlich rechtlich normierten Verwahrungsziele, das stillgelegte Bergwerk ( 55 Absatz 2 Bundesberggesetz und 69 Abs. 2 Bundesberggesetz) gefahrenfrei zu halten, auch mit den zusätzlichen Einrichtungen erfüllt werden. Bergrecht Bewilligungsfeld /Erlaubnisfeld Wer bergfreie Erdwärme erkunden will, bedarf der Erlaubnis; wer Erdwärme nutzen will, bedarf der Bewilligung oder was wohl in der Praxis nicht vorkommen wird des Bergwerkseigentums ( 6ff BBergG). Die Abgrenzung dieser Bergbauberechtigungen erweist sich für die Erdwärme als nicht trivial, denn im Gegensatz zu den anderen bergfreien Bodenschätzen kann man bei der Erdwärme aus bekannten Gründen nicht den klassischen Lagerstättenbegriff verwenden. Für die Bemessung von Bergbauberechtigungen auf Erdwärme sind daher besondere Kriterien heranzuziehen, die die praktische Umsetzung bergrechtlicher Vorgaben durch die Länder-Bergbehörden unter Berücksichtigung der Interessen potenzieller Erdwärmenutzer sowie der angewandten Techniken der Erdwärmeerschließung ermöglichen. Mit der Erarbeitung dieser Kriterien wurde vom Bund-Länder- Ausschuss Bergbau ein Ad-hoc-Arbeitskreis "Bemessung von Erdwärmefeldern" beauftragt. Der Abschlussbericht des Ad-hoc- Arbeitskreises ist als Anhang (mit Anlage) diesem Artikel beigefügt. Der Bericht ist mittlerweile vom Bund-Länder- Ausschuss Bergbau verabschiedet und gilt als Empfehlung für alle Bergbehörden; damit ist auch eine weitgehende bundeseinheitliche Vorgehensweise gewährleiste.

5 Produktionsdaten Quelle: PESTER, S., SCHELLSCHMIDT, R. & SCHULZ, R. (2007): Verzeichnis geothermischer Standorte Geothermische Anlagen in Deutschland auf einen Blick. Geothermische Energie 56/57: 4-8. Von besonderem Interesse für die Öffentlichkeit sind Angaben zur geothermisch installierten Leistung und zur genutzten Energie. Diese Angaben werden auch international benötigt und alle 5 Jahre von der International Geothermal Association anlässlich des World Geothermal Congress veröffentlicht. Leider werden nicht von allen Betreibern geothermischer Anlagen entsprechende Angaben gemacht, so dass sie in vielen Fällen berechnet werden müssen. Grundlage ist zunächst die installierte geothermische Leistung: (1) P = ρ c Q ( T T ) F F i o mit P installierte geothermische Leistung [W] ρ F Dichte des Fluids [kg m -3 ] c F (isobare) spezifische Wärmekapazität [J kg -1 K -1 ] Q Fließrate im Betrieb [m 3 s -1 ] T i, T o (Input- bzw. Output-) Temperatur [ C]. Mit ρ F = 998 kg m -3 und c F = 4181 J kg -1 K -1 ergibt sich als Berechnungsformel 3 (2) = 4,18 10 Q ( 20) P in MW t. T i Dabei ist Q (in l s -1 ) die Fließrate im Betrieb (ersatzweise die zulässige Förderrate nach Wasserrecht oder die maximal erzielbare Förderrate) und T i die Temperatur am Bohrlochkopf (oder in der Lagerstätte). Steht einer dieser beiden Werte nicht zur Verfügung, ist einen Berechnung der installierten Leistung nicht möglich. Als Output- (Rücklauf-) Temperatur wurden 20 C angesetzt, das entspricht definitionsgemäß der Mindesttemperatur für Thermalwasser. Erst oberhalb dieser Temperatur findet in einem Thermalbad eine geothermische Nutzung statt, ansonsten müsste entsprechend aufgeheizt werden. Die Anwendung der Formal (2) ist deshalb nur für die Nutzungsart Thermalbad/Balneologie zulässig; man kann sie aber auch für Gewächshäuser, Brauchwasser und sonstige Nutzung anwenden. Bei all diesen Nutzungsarten kann man von einer ganzjährigen Nutzung (8760 h) ausgehen und somit die Jahresproduktion E berechnen: (3) E = 8, 76 P in GWh/a mit P (berechnete) installierte Leistung [MW t ]. Für die geothermische Nutzung im Bereich der Fernwärme und Gebäudeheizung ist eine Berechnung der installierten Leistung nach Formel (2) nicht möglich, da keine allgemeingültigen Angaben über die Output- (Rücklauf-) Temperaturen gemacht werden können. Mit der vom Betreiber angegebenen geothermisch installierten Leistung lässt sich die geothermische Jahresproduktion der Anlage abschätzen. Dabei nimmt man an, dass eine solche Fernwärme- oder Heizanlage mit 2190 Volllaststunden pro Jahr betrieben wird; das entspricht einem load factor von 0,25. Analog zu Formel (3) ergibt sich (4) E = 2, 19 P in GWh/a mit P geothermisch installierte Leistung [MW t ].

6 Zu beachten ist, dass bei geothermischen Heizzentralen in der Regel eine weitere Energiequelle eingebunden ist, um Ausfälle und Spitzenlasten abzudecken. Es muss deshalb zwischen der installierten Leistung (geothermisch) und der installierten Leistung (gesamt) unterschieden werden; beide Werte sind in dem Verzeichnis aufgenommen.