geologie -grundlage zu erschließung des geothermischen energien-
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Geologie
-Grundlage zu Erschließung des geothermischen Energien-
Gliederung
1. Geologie1.1 Definition Geologie
1.2 Erdentstehung1.3 Erdaufbau und Platentektonik1.4 Mineralien und Gesteine
06.08.2013 2B.-Ing. Christian Petri
Gliederung
2. Geothermie2.1 Geothermische Energie2.2 Geothermische Systeme/Verfahren
3. Geologie und Einsatzmöglichkeiten von Geothermie in Deutschland
06.08.2013 3B.-Ing. Christian Petri
1. Geologie
Abb. 1: Gipstagebau06.08.2013 4B.-Ing. Christian Petri
1.1 Definition Geologie
„Geologie: (griechisch) „Erde“ und „Lehre“, ist die Wissenschaft vom Aufbau, von der Zusammensetzung und Struktur der Erde, ihren physikalischen Eigenschaften und ihrer Entwicklungsgeschichte, sowieder Prozesse, die sie formten und auch heute noch formen. Abweichend von der eigentlichen Bedeutung verwendet man das Wort auch für geologischen Aufbau.“ (Quelle: GtV-2013 a)
06.08.2013 5B.-Ing. Christian Petri
1.2 Erdentstehung
Abb. 2: Erdentstehung (Quelle: Stuth-2009, verändert)06.08.2013 6B.-Ing. Christian Petri
1.3 Erdaufbau und Plattentektonik
06.08.2013 7B.-Ing. Christian PetriAbb. 3: Schalenaufbau der Erde (Quelle: GtV-2013 b und Energiewelten-2013 c, verändert)
1.3 Erdaufbau und Plattentektonik
06.08.2013 8B.-Ing. Christian Petri
Abb. 4: Konvektionsströme als Grundlage für die Plattentektonik (Quelle: Tarbuk,Lutgens-2009, S. 402)
9
1 Eurasische Platte 2 Philippinische Platte 3 Juan-de-Fuca-Platte 4 Pazifische Platte 5 Cocos-Platte
6 Indisch-Australische-Platte 7 Nazca-Platte 8 Nordamerikanische Platte 9 Anatolische (Ägäische) Platte 10 Antarktische Platte
11 Karibische Platte 12 Südamerikanische Platte 13 Afrikanische Platte 14 Somalische Platte 15 Arabische Platte
1
2
3
4 5
6 7
8
10
9
11
12
1314
15
Abb. 5: Kontinentalplatten (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri
10
a) divergierende Plattengrenzen
3
7
11Seafloor-Spreading Riftvorgang
1
23
1 Mittelatlantischer
Rücken
2 Ostpazifischer
Rücken
3 Ostafrikanisches
Rift-Valley
4 Golf von Kalifornien
ozeanische Kruste kontinentale Kruste
4
b
Abb. 6: Divergierte Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri
11
b) konvergierende Plattengrenzen
3
11Gebirgsbildung Tiefseerinne/-graben Inselbogen
1 Himalaya (a)
2 zirkumpazifischer
Feuerring (b)
3 japanischer Inselbogen (c)123
Abb. 7: konvergierende Plattengrenzen (Quelle: Stuth-2009, verändert) 06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri
12
c) Transformstörungen
3
11
Abb. 8: Transformationsstörung (Quelle: Stuth-2009, verändert)06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri
1.4 Minerale und Gesteinegesteinsbildende Minerale sind:- Silikate/Silicate
Bsp. Quarz, Tonminerale
- Oxide Bsp. Hämatit, Korund
- Karbonate/CarbonateBsp. Calcit, Dolomit
- SulfideBsp. Pyrit
- Sulfate Bsp. Schwerspat, Gips, Anhydrit
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 13
1.4 Minerale und Gesteine
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 14
Abb. 9: Kreislauf der Gesteine (Quelle: Stuth-2009, verändert)
1.4 Minerale und GesteineMagmatite Sedimente Metamorphite
Vulkanite (Ergussgestein)-Bimsstein-Basalt-Trachyt-Tuffe
klastische Sedimente (phy.)-Sandstein-Konglomerate-Sand, Ton, Schotter, Kies, Schluff
Paragestein (aus Sedimenten)
-Schiefer (aus Ton)-Marmor (aus Kalkstein)
biogene Sedimente-Kohle-Kalkstein/Kreide-Dolomit
Subvulkanite (Ganggestein) Orthogestein (aus Magmatiten)
-GneisPlutonite (Tiefengestein)
-Granit-Diorit-Gabbro
Chemische Sedimente-Gips, Anhydrit-Steinsalz
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 15
Tabelle 1: Gesteinsherkunft (Quelle: Schuhmann-1977, verändert)
1.4 Minerale und Gesteine
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 16
Abb. 10: Aquifere und deren Trägergestein (Quelle: Stuth-2011, verändert)
1.4 Minerale und Gesteine
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 17Abb. 11: Aquifere (Quelle: BMU-2011, unv.)
2. Geothermie
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 18
2.1 Geothermische Energie- ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde
gespeicherte Wärmeenergie- 30% der Energien stammten direkt aus dem heißen
Erdkern und 70% durch den ständigen radioaktiven Zerfall im Erdmantel und Erdkruste
- nimmt mit zunehmender Erdtiefe zu- in Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C
pro 100 m Tiefe zu (regionalen Unterschieden)
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 19
2.1 Geothermische Energie- im Erdkern Temperaturen von etwa 5.000 - 7.000 °C- die in der Erde gespeicherte Wärme ist nach
menschlichen Existenz unerschöpflich- Nutzdauer einer tiefengeothermischen Lagerstätte ist
auf etwa 20-30 Jahre begrenzt und benötigt mehreren hundert Jahren zur Regeneration (somit bedingt regenerative Energie)
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 20
2.1 Geothermische Energie- Wärmemenge resultiert aus:
• aus der Erdentstehung• aus dem radioaktiven Zerfall (Uran-,Thorium-,
u. Kalium-Isotopen) in der Erdkruste und Erdmantel• Wärmestrom durch Magmabewegung
(Konvektionsströme) und Wasserreservoir- Synonyme für Geothermische Energie lauten
Erdwärme bzw. Geothermie
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 21
2.1 Geothermische Energie
- Unterscheidung der Geothermie in Oberflächennahe und Tiefe Geothermie
- weiter Unterscheidung der Tiefe Geothermie in Hydrothermale (Wärme aus Wasser) und Petrothermale (Wärme aus Gestein) Systeme
06.08.2013 22B.-Ing. Christian Petri
2.3 Geothermische Systeme/Verfahren
OberflächennaheGeothermie(≤ 400 m Tiefe)(8-15°C)(siehe VDI 4640)
vertikale Erdwärmesonde-ca. 50 m Tiefe-wassergesättigte Lockergestein erforderlich-geschlossenes System mit Kältemittel-Einspeisung von Überschusswärme möglich-für Wärme- u. Kältegewinnung/-speicherung
Brunnen-ca. 50 m Tiefe-fließendes Wasser in Porenräumen von Lockergestein erforderlich-direkte Wärmeaustausch mit Grundwasser mittels Duplette-Duplette besteht aus Förder- und Infiltrationsbrunnen-für Wärme- und Warmwassergewinnung
horizontale Erdkollektor -ca. 1-2m Tiefe-Erschließung der solaren Wärme aus oberen BodenschichtGeschlossenes System mit Kältemittel-für Wärmegewinnung
Tabelle 2: Verfahren der oberflächennahen Geothermie
06.08.2013 23B.-Ing. Christian Petri
Abbildung 13: Erdwärmesonden (Quelle: GtV-2013 b, unv.)06.08.2013 24B.-Ing. Christian Petri
2.3 Geothermische Systeme/Verfahren
Tiefe Geothermie(> 400 bzw. >1.000 m bis ca. 5.000 m Tiefe)(>20 bzw. >60°C)
(Hydrothermale Systeme)-ca. 2.000 m Tiefe (Temperaturbereich von 0-100°C ggf. bis 245°C)->20m mächtiges poröse permeables Gestein mit Zuflussraten >50m³/h erforderlich-Thermalfelder (>20°C), Nassdampffelder (>100°C), Heißdampffelder (125-245°C)-für thermale Bäder, Fernwärme, Stromerzeugung (>100°C)
Tiefenwärmesonden (Petrothermale System)->2.500 m Tiefe (>100°C)-für beliebe Gesteinsabfolge-geschlossenes System mit Trägermedium in den Sonden-Fehlbohrung aus Erdöl- u- Erdgasförderung verwendbar
HDR-Hot-Dry-Rock-System (Petrothermale System)Überbegriff: EGS-Enhanced Geothermal Systems
-ca. 5.000 m Tiefe (>150°C)-mächtiges Gestein mit künstliche. Fließwegen mit Zuflussraten >200m³/h erforderlich (Wasser-/Säureeinpressung)
Tabelle 3: Verfahren der Tiefe Geothermie
06.08.2013 25B.-Ing. Christian Petri
Abb. 14: Nutzungsformen der Geothermie (Quelle: LBGR-2013 f, unv.) 06.08.2013 26B.-Ing. Christian Petri
3. Geologie und Einsatzmöglichkeit von Geothermie in Deutschland
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Abb. 15: Geothermiebohrung in Unterhachingen (Quelle: BMU-2011, S. 36, unv.)
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 28Abb. 16: vereinfachte geologische Übersichtskarte von Deutschland u. geologische Zeitskala
(Quelle: Henningsen, Katzung-2002, Einband, verändert)
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 30Abb. 17: Tertiär-Senken und junge Vulkangebiete (Quelle: Henningsen, Katzung-2002, S. 135,
unv.)
Erläuterung
HB: Heidelburgel GangscharKb: KatzenbuckelKs: KaiserstuhlNh: Nordhessische Basalt-GebietSg: SiebengebiergeUr: Uracher VulkangebietWw: Westerwald
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Abb. 18: Hydrothermale Reservoir in Deutschland (Quelle: BMU-2011, S. 59, unv.)
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 33Abb. 19: Verteilung der Untergrundtemperatur in Deutschland (Quelle: BMU-2011, S. 58, unv.)
Graue Felder sind nicht ausreichend erkundet
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 34
Abb. 21: Hydrothermale Reservoir in Deutschland mit bereits errichteten Anlagen (Quelle: BMU-2011, S. 59 und Energiewelten-2013 d, verändert.)
Tiefe Geothermie (Bohrtiefe > 400 m)-21 Anlagen (Heizwerke u. Heizkraftwerke) in Betrieb, mit 193 MW installierte Wärmeleistung-davon 6 Anlagen, mit 12,11 MW elektrische Leistung-92 Anlagen in Planung bzw. Bau
Oberflächennahe Geothermie (Bohrtiefe < 400 m)-290.000 Anlagen (z.B. Erdwärmesonden bzw. –Kollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen)-pro Jahr 22.200 Anlagen, mit 235 MW, neu installiert (Stand 2012)
Leistung-3.200 MW installierte geothermische Wärmeleistung (Tiefe und Oberflächennahe Geothermie)-12,11 MW installierte geothermische Stromleistung (nur Tiefe Geothermie)
Bereitgestellte Energiemengen-0,019 TWh Strom (Stand 2011) → Bedarf von 6.3000 Zweipersonen-Haushalten-5,8 TWh Wärme (Stand 2012) → Bedarf von 390.000 Zweipersonen-Haushalten
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Tabelle: Nutzung von Geothermie in Deutschland (Quelle: GtV-2013 b, verändert)
Fazit
Eine Erschließung der, in der Erde vorhandene,
geothermische Energie erfordern geologischen sowie hydrologischen
Kenntnisse des Untergrundes!
06.08.2013 36B.-Ing. Christian Petri
Quellen• GtV-2013 a Internet: GtV-Bundesverband Geothermie e.V.: „Geologie“.
http://www.geothermie.de/wissenswelt/glossar-lexikon/g/geologie.html, zuletzt besucht am 05.08.2013.
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import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/broschuere_geothermie_tief_bf.pdf, zuletzt besucht am 05.08.2013.
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06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 37
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06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 38
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• Stuth-2009 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Geowissenschaftliche Grundlagen, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik,
Sommersemester 2009; unv.
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 40
Quellen• Stuth-2011 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript
Angewandte Hydrogeologie, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik, Wintersemester 2010-2011; unv.
• Tarbuk,Lutgens-2009 Lutgen, F.;Tarbuck, E.: Allgemeine Geologie, 9. Aktualisierte Auflage. Pearson Studium, München, 2009.
• Henningsen, Katzung-2002 Henningsen, D.; Katzung, G.: „Einführung in die Geologie Deutschlands“, 6. überarbeitet Auflage. Spektrum
Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, 2002.• Schuhmann-1977 Schuhmann, W. „Steine+Mineralien“, BLV Bestimmungsbuch
7, 5. Auflage. BLV Verlagsgesellschaft, München, 1977.
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 41
06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 42
Danke für Ihre Aufmerksamkeit.