geologie -grundlage zu erschließung des geothermischen energien-

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

06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 27

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

06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 32

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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• DRadio-2013 Internet: DRadio Wissen: „Geothermie“, Die Wärme aus der Erde, Betrag vom 11.05.2011. http://wissen.dradio.de/geothermie-die-waerme-aus-der-erde.33.de.html?dram:article_id=10035#, zuletzt Besucht am 05.08.2013.

06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 37

Quellen• Energiewelten-2013 a Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente

Energieanwendung e.V.,Lexikon Energiewelten: „Geothermische Systeme“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013.

• Energiewelten-2013 b Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V.,

Lexikon Energiewelten: „Geothermie-allgemein“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013.

• Energiewelten-2013 c Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V.,

Lexikon Energiewelten: „Geothermie-Aufbau der Erde“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013.

06.08.2013 B.-Ing. Christian Petri 38

Quellen• Energiewelten-2013 d Energiewelten-2013 c Internet: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente

Energieanwendung e.V.,Lexikon Energiewelten: „Geothermie-Deutschland“. http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm, zuletzt besucht am 05.08.2013.

• LBGR-2013 a Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Geothermie“. http://www.lbgr.brandenburg.de/cms/detail.php/lbm1.c.361609.de#, zuletzt besucht am 05.08.2013.

• LBGR-2013 b Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Hydrothermale Geothermie“.http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?id=lbm1.c.361733.de, zuletzt besucht am 05.08.2013.

• LBGR-2013 c Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR) Brandenburg: „Hot Dry Rock Technologie“.http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?id=lbm1.c.361739.de, zuletzt besucht am 05.08.2013.

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Quellen• LBGR-2013 d Internet: Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR)

Brandenburg: „Tiefe Erdwärmesonde“.http://www.lbgr.brandenburg.de/sixcms/detail.php?

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• Stuth-2009 Fachhochschule Nordhausen: Vorlesungs-Skript Geowissenschaftliche Grundlagen, Studiengang Umwelt-und Recyclingtechnik,

Sommersemester 2009; unv.

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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.

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit.