Vorlesung: Physikalisch-chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien
Geothermie – Grundlagen und Verfahren
Michael Garbowski
Technische Universität Braunschweig | Institut für physikalische und theoretische Chemie
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Warum ist die Erde heiß?
Nutzung der
Erdwärme global
■ Entstehung der Erde vor 4,6 Mrd. Jahren
■ Zusammenballen der Materie (Ekin  Einnere)
■ Zerfall der radioaktiven Elemente (Eatom  Einnere)
■ Differenzierung nach Dichte und Verdichtung (G  Einnere)
■ Gezeitenkräfte Sonne und Mond (Ekin  Einnere)
■ Aufbau der Erde
■ Kugelähnliche Form (sehr kleines A/V - Verhältnis)
■ Schalenmodell
 Kern, T = 6000 °C (innen fest, Fe+Ni, außen flüssig, Fe)
 Erdmantel T = 3.000 – 1.500 °C (flüssig, Silikate)
 Kruste T = -50 – 1000 °C, gradT = 30 °C/km
(besteht zu 50 Ma.-% und zu 95 Vol.-% aus Sauerstoff
in Form von z.B. Silikaten, feste Kruste wirkt als Dämmung)
(Nutzung der Erdwärme, global Quelle: BGR, Energierohstoffe, 2009)
■ Wärmebereitstellung gesamt: ca. 28 GW
■ Stromerzeugung gesamt: ca. 11 GW
(Schalenaufbau der Erde, Quelle: gepdz.com, 2013)
Oberflächengeothermie
■ Tiefe: bis 400 m
■ Tnutz = 10 – 20 °C
■ gradT = 2,5 – 3,0 °C/100m
■ Meist Wärmepumpenheizung
■ Gebäudekühlung möglich
(Temperaturverlauf im Erdreich,
Quelle: Umweltministerium Bayern,
2013)
Tiefengeothermie
Tiefengeothermie
 Petrothermale Systeme
 Tiefe Erdwärmesonden
■ Heißes, wenig permeables Gestein wird
angeschlossen
■ Erzeugung/Aufweitung
von Fließwegen im Gestein
(hydraulic fracturing)
■ Tiefe: > 4.000 m
■ Tnutz > 150 °C
■ Überwiegend
Stromerzeugung
■ 95 % des gesamten
geothermischen
Potentials in
Deutschland
■ Geschlossene Systeme
zur Wärmegewinnung
■ Tiefe: 2.000 – 3.000 m
■ Tnutz = 90 – 120 °C
■ Direkte Wärmenutzung
(evtl. mit Wärmepumpe)
■ Nutzung der alten
Bohrungen vorteilhaft
(z.B. Erdgasförderbohrung)
(Enhanced-Geothermal-System,
Quelle: wikipedia.org, 2013)
(TEWS in Luzern, Schweiz, Quelle: stadt-zuerich.ch, 2013)
(Nutzungsmöglichkeiten der Oberflächengeothermie, Quelle: FP-Werbung, F. Flade GmbH & Co. KG)
Tiefengeothermie
 Hydrothermale Systeme
■ Wasserführende Gesteinsschicht wird angeschlossen
■ Niederenthalphielagerstätten
• Tiefe: 1.000 – 4.500 m
• Tnutz = 40 -150 °C  Geothermische Heizzentrale (GHZ)
• Tnutz > 80 °C  Stromerzeugung mit
Organic-Rancine-Cycle (ORC)
• Tnutz = 40 -150 °C  Stromerzeugung direkt mit
Heiß- und Trockendampfvorkommen
• Niedrige elektrischen Wirkungsgrade
■ Hochenthalpielagerstätten
• Geologische Wärmeanomalien werden angeschlossen
• Tiefe: < 2.000 m
• Tnutz > 200 °C
• Hohe elektrischen Wirkungsgrade sind möglich
(Hydrothermale Wärmenutzung am Beispiel Neustadt-Gleve, ɳel = 0,2 MW
mit ORC, ɳth = 5,5 MW, Quelle: Erdwärme-Kraft GbR)
Pro & Contra
Positiv
Negativ
Kaum THG Ausstoß
Wirtschaftlichkeit bis max.
3.000 m Tiefe gegeben
(heute)
Unbegrenzte
Energievorkommen
Ineffiziente Stromgewinnung
in NiederenthalpieLagerstätten
Keine Fluktuationen wie bei
Sonnen- und Windkraftwerken
Mineralhaltiges,
starkkorrosives
Thermalwasser
Effizienter Ansatz mit
Wärmepumpen für
Gebäudeheizung
Abkühlung des Erdreichs
Anschluss alter Erdgas- und
Ölbohrungen, sowie verlassene
Bergbaustollen möglich
Erzeugung Mikroerdbeben
(bei hydraulic fracturing)
Quellen:
• Erneuerbare Energien: Innovationen für nachhaltige Energiezukunft; Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit; 8. Auflage, Oktober 2011.
• Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirschaftlichkeit, Umweltaspekte; M. Kaltschmitt, W.
Streicher, A. Wiese (Hrsg.), 4. Auflage, 2006, Springer.
• GeoDataZone, Das Lexikon der Erde, www.geodz.com.

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