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Geothermie

„Geothermie“ oder „Erdwärme“ ist die unterhalb der Oberfläche der festen Erde gespeicherte Energie in Form von Wärme und zählt zu den regenerativen Energien. Diese beruht im Wesentlichen auf der von der Sonne eingestrahlten Wärmeenergie und dem nach oben gerichteten, terrestrischen Wärmestrom. Die von der Sonne eingestrahlte und von der Erdoberfläche an die Atmosphäre wieder abgegebene Wärmeenergie beeinflusst hierbei maßgeblich die Temperaturen im oberflächennahen Bereich bis etwa 15 bis 20 Metern Tiefe. Hier finden jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen statt. In größerer Tiefe ist nur noch der terrestrische Wärmestrom maßgebend. Ursache ist die bei der Erdentstehung freigewordene Energie und der Zerfall radioaktiver Isotope. Mit der Tiefe nehmen die Temperaturen hier um durchschnittlich etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu. Man spricht auch von der „geothermischen Tiefenstufe“ oder dem „geothermischen Gradienten“. In einer Tiefe von etwa 20 m ist eine unbeeinflusste Temperatur von ca. 9 °C zu erwarten, in 100 m 12 °C und in 1.000 m etwa 40 °C. Der Transport der Wärme erfolgt durch Wärmeleitung von Teilchen zu Teilchen (Konduktion), aber auch durch bewegte Teilchen, also durch Grundwasserfluss (Konvektion). Berlin hat sich vorgenommen, bis spätestens im Jahr 2045 klimaneutral zu werden. Um dies zu erreichen, gilt es, gerade auch die Wärmeversorgung in der Stadt auf erneuerbare Energiequellen umzustellen. Denn fast die Hälfte des gesamten Berliner Endenergiebedarfs entfällt auf die Raumwärme und Warmwasserversorgung von Gebäuden. Bereitgestellt wird diese Wärme derzeit noch zu mehr als 90 Prozent über fossile Energieträger, also Kohle, Erdgas und Öl. Dies muss sich schnellstmöglich ändern. Dabei kann die Tiefe Geothermie – die emissionsfreie Förderung und Nutzung heißen Wassers aus tiefen Bodenschichten – eine wichtige Rolle spielen. Das genaue Potenzial im Berliner Untergrund ist noch unklar und muss erst präzise erkundet werden. Doch schon jetzt schätzen Geologen auf Grundlage bisheriger Erkenntnisse, dass bis zu einem Fünftel der benötigten Wärme mit Hilfe Tiefer Geothermie zur Verfügung gestellt werden könnte, etwa in Nah- und Fernwärmenetzen, über die Berliner Haushalte versorgt werden. Die Technik dazu ist bewährt und wird deutschlandweit in Dutzenden von Anlagen erfolgreich angewandt. Bild: SenMVKU Tiefe Geothermie. Erdwärme für Berlin Tiefe Geothermie, also Wärme, die in den Tiefen der Erde verfügbar ist, soll ein essenzieller Teil der Berliner Wärmeversorgung werden. Wir haben die wichtigsten Details für Sie zusammengestellt. Weitere Informationen Um das geothermische Potenzial von Berlin zu ermitteln, wurde in den Jahren 2009 bis 2012 die „Potenzialstudie zur Nutzung der geothermischen Ressourcen des Landes Berlin“ aufgeteilt in drei Module erarbeitet. Die Ergebnisse zu Modul 1, Grundlagenermittlung , und zu Modul 2, Ermittlung des geothermischen Potenzials und dessen Darstellung, bildeten Grundlagen für die Darstellung der Potenzialkarten . Die Arbeiten zu Modul 3, Thermisch-hydraulische Modellierung, sind in der Zusammenfassung der Berichte (Modul 1 bis 3) enthalten, die nachfolgend als Download zur Verfügung steht. Im Jahr 2023 wurde eine aktualisierte Potenzialstudie zur Mitteltiefen Geothermie in Berlin erstellt, welche die Ergebnisse aus verschiedenen Forschungsprojekten der vorangegangenen 10 Jahren berücksichtigt. Aus dem Verbundprojekt „TUNB – Potenziale des unterirdischen Speicher- und Wirtschaftsraumes im Norddeutschen Becken“ ist ein dreidimensionales Modell des Norddeutschen Beckens verfügbar, welches für den Raum Berlin mittels zusätzlicher Daten aus 2D/3D-Seismik und Bohrungen verfeinert wurde. Anschließend erfolgte eine geothermische Parametrisierung der potenziellen Nutzhorizonte, wobei vor allem auf die Ergebnisse der Verbundprojekte Sandsteinfazies, GeoPoNDD und MesoTherm zurückgegriffen wurde. Die aktualisierte Potenzialstudie und die Daten des 3D-Untergrundmodells stehen nachfolgend als Download zur Verfügung. Im Ballungsraum von Berlin ist die Temperatur des Untergrundes durch den Menschen tiefgreifend erwärmt. Der Anstieg der durchschnittlichen Oberflächentemperatur durch die globale Klimaerwärmung hat diesen Prozess zusätzlich noch verstärkt. Dies zeigen langjährige Temperaturmessungen in Grundwassermessstellen unter einer Tiefe von 20 m unter Gelände, unterhalb der jahreszeitliche Temperatureinflüsse durch die Sonne ausgeschlossen sind. In einigen Innenstadtgebieten sind Temperaturbeeinflussungen bis in über 80 m nachgewiesen. Die flächenhaft im Untergrund des Landes Berlin durchgeführten Temperaturmessungen zeigen deutlich, dass im zentralen Innenstadtbereich die Durchschnittstemperatur des Untergrundes und damit auch des Grundwassers zum Teil um mehr als 4 °C gegenüber den dünner besiedelten Randbereichen anthropogen bedingt erhöht ist. Die Temperaturmessungen belegen auch, dass sich dieser Temperaturanstieg zunehmend auch flächenhaft in größeren Tiefen bemerkbar macht. Dies zeigt die Karte für den Bezugshorizont 0 m NHN (Normalhöhennull), das entspricht je nach Lage im Stadtgebiet einer Tiefen von 35 bis 55 m Tiefe. Näheres zu dieser Thematik kann dem Umweltatlas Berlin und der Veröffentlichung zur Veränderung des Temperaturfeldes von Berlin ( BRB Henning & Limberg ) entnommen werden. Grundsätzlich ist die Art und Weise der Nutzung geothermischer Energie von der Temperatur des Vorkommens abhängig. Die oberflächennahe Erdwärme (z.B. bis 100 m) lässt sich derzeit wegen ihrer geringen Temperatur von 8 bis 12 °C nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe nutzen, die die erforderliche Wärme für die Raumheizung und die Wassererwärmung erzeugt. Da mit zunehmender Tiefe die Temperatur des Untergrundes ansteigt, kann ab einer bestimmten Tiefe (ab etwa 1.000 m) die Untergrundwärme auch direkt (ohne Wärmepumpe) genutzt werden. Ist eine Stromerzeugung mit Dampfturbinen beabsichtigt, sind in der Regel Temperaturen von über 100 °C notwendig. Die dafür geeigneten Nutzungshorizonte liegen in unserer Region in der Regel drei bis fünf Kilometer unter der Erdoberfläche. In Berlin wird fast ausschließlich die oberflächennahe Geothermie genutzt, d. h. bis zu einer maximalen Tiefe von 100 m. Dafür steht ein ganzes Spektrum von technischen Möglichkeiten zur Verfügung. Alle diese Verfahren benötigen eine Wärmepumpe, die in der Lage ist, die relativ niedrige Temperatur des Untergrundes bzw. des Grundwassers in diesen Tiefen von 8– 2 °C mit Hilfe von elektrischer Energie auf ein für Heizzwecke geeignetes höheres Temperaturniveau zu bringen. Weitere Informationen zur Erdwärmenutzung Zur Erhöhung der Planungssicherheit dieser Erdwärmesondenanlagen werden im Umweltatlas Berlin Potenzialkarten zur spezifischen Wärmeleitfähigkeit und speziell für Einfamilienhäuser zur spezifischen Entzugsleistung dargestellt. Hierin sind die dafür maßgeblichen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse subsummiert. Da der Einbau von Erdwärmesondenanlagen in den Untergrund potenziell mit einem Risiko der Grundwassergefährdung verknüpft ist, werden zum Schutz des Grundwassers bei der Errichtung einer solchen Anlage hohe wasserrechtliche Anforderungen an das Bohrverfahren, die anschließende Bohrlochabdichtung, Drucktests, Dokumentation etc. gestellt. Neuere Forschungsergebnisse, Schadensfälle sowie die stark gestiegene Anzahl der Erdwärmesondenanlagen bestätigen diese Gefährdung immer wieder. Weitere Informationen zur Anzeigepflicht für Bohrungen Da Berlin sein Trinkwasser zu 100 % aus dem Grundwasser und fast ausschließlich aus dem eigenen Stadtgebiet bezieht, werden deshalb bei der Errichtung einer Erdwärmesondenanlage in dem dafür erforderlichen wasserbehördlichen Erlaubnisverfahren zum Schutz des Grundwassers besonders hohe Anforderungen gestellt. Näheres kann dem “Merkblatt für Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren mit einer Heizleistung bis 30 kW” entnommen werden. Pflichtenheft zur Methodik und Dokumentation thermohydrodynamischer Modellierungen im Rahmen des wasserrechtlichen Erlaubnisverfahrens zum Betrieb von Erdwärmesondenanlagen mit einer Heizleistung von >30 kW Kartenwerke zur Grundwassertemperatur Kartenwerke zum Geothermischen Potenzial Geothermisches Potenzial – Karten aktualisiert im Geoportal verfügbar Auf der Basis von ca. 14.950 Bohrungen der Bohrungs­datenbank der AG Landesgeologie der Senatsverwaltung für Mobilität, Verkehr, Klimaschutz und Umwelt wurden zwölf Karten neu berechnet. Die verfeinerten Planungshilfen für die Auslegung von Erdwärme­sonden­anlagen stehen für die Tiefenklassen 0–40 m, 0–60 m, 0–80 m und 0–100 m zur Verfügung. Weitere Informationen Karten im Umweltatlas Berlin

Weiterentwicklung der Rueckstandsschwelung in der Drehtrommel

Mit dem Vorhaben sollen die Arbeiten zur Entwicklung des Verfahrens zur Schwelung von Hydrierrueckstaenden in der Drehtrommel abgeschlossen werden. Hierzu werden Versuche in der vorhandenen Pilotanlage mit Schweroelhydrierrueckstand aus der umgeruesteten Kohleoelanlage Bottrop durchgefuehrt. Es sollen schwerpunktmaessig folgende Punkte bearbeitet werden: - Steigerung der Durchsatzleistung durch Erhoehung der Wandtemperatur der Drehtrommel von 720 Grad Celsius auf 850 Grad Celsius. - Verringerung der Russbildung in der Schwelzone durch Erhoehung der Kreisgasmenge. - Erhoehung der Vorwaermtemperatur des Hydrierrueckstandes ueber 400 Grad Celsius durch Einspeisung von Wasserstoff vor den Rueckstandsaufheizern. - Langzeitversuche zur Feststellung von Langzeiteffekten. Des weiteren sind technische Massnahmen zur Verbesserung - der Gleitringdichtung der Drehtrommel, - des Schweroeldaempfeabzuges aus der Drehtrommel und der Schweroeldaempfekondensation vorgesehen.

KMU-innovativ - Klimaschutz: Direktverflüssigung von Biomasse mit fossilen Rohstoffen unter Verwendung des Bergius-Pier Verfahrens^Teilvorhaben 2, Teilvorhaben 1

Im Rahmen dieses Förderprojekts sollen die Nachteile der bisherigen Verfahren zur Herstellung biogener Kraftstoffe oder Kraftstoffe mit biogenen Anteilen durch die Verwendung des für großtechnische Anwendungen besonders geeigneten Hydrierverfahrens nach Bergius-Pier vermieden werden. Der wesentliche Unterschied ist, dass die biogenen Kraftstoffe nicht separat hergestellt werden und dann fossilen Kraftstoffen beigemischt werden, sondern es soll eine Mischung der Biomassen mit konventionellen fossilen Materialien in dem Verfahren eingesetzt werden, was so noch nicht versucht wurde. Die Innovationen im Vorhaben sind die Herstellung von Kraftstoffen unter Einbeziehung von Lignin bei voller Kompatibilität und damit Marktgängigkeit der Produkte (Kraftstoffe und chemische Grundstoffe). Der vorhandene Versuchsstand soll im Rahmen des beantragten Projekts auf kontinuierliche Prozesse erweitert werden, um eine effektive und ökonomisch verwertbare Prozesstauglichkeit nachzuweisen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, Basisdaten für großtechnische Anwendungen zu erarbeiten und die entwickelten Prozesse kommerziell zu vermarkten. Die folgenden Aufgaben liegen schwerpunktmäßig bei h-tec: Umbau des vorhandenen Autoklaven -Versuchstandes, Versuchsreihen Kohle und Abgleich der Ergebnisse mit vorhandenen Ergebnissen aus betriebenen Anlagen (Grundvoraussetzung für die Ermittlung von Basisdaten für großtechnische Anwendungen), Evaluation von Ligninen, Prozessoptimierung Lignin, Prozessoptimierung Co-Processing Kohle/Lignin.

Entwicklung eines Verfahrens zur Direktverflüssigung von Biomasse bzw. Lignin basierend auf dem Verfahren der Braunkohle-Verflüssigung, Entwicklung eines Verfahrens zur Direktverflüssigung von Biomasse bzw. Lignin basierend auf dem Verfahren der Braunkohle-Verflüssigung

Die Kohleverflüssigung ist seit langer Zeit bekannt. Dieses Verfahren soll nun auf Lignin übertragen werden. Dabei soll geprüft werden, ob sich das Produkt als Kraftstoff eignet. Die Direktverflüssigung von Biomasse, d.h. die direkte Kraftstoffherstellung gilt im Vergleich zur Kohleverflüssigung als schwierig bis unmöglich. In dem vorgeschlagenen Projekt sollen daher nicht nur Lignine sondern auch ligninreiche Biomasse untersucht werden. Dies sind beispielsweise Gärreste, Waldrest-Holz, Schnittmaterial aus Kurzumtriebsplantagen und andere holz- oder halmartige Biomassen. Auf diese Weise soll geklärt werden, was die enthaltenden Kohlehydrate für einen Einfluss haben, und warum es so schwierig ist, flüssige Produkte hoher Qualität zu erzeugen. Zunächst erfolgt die Übertragung von Erkenntnissen der Kohle-Verflüssigung auf Biomasse. Dazu wird ein kleiner, gerührter Laborreaktor aufgebaut. Hier werden zunächst Experimente zur Parameteroptimierung mit Braunkohle, dann mit Lignin und Biomasse durchgeführt. Begleitend erfolgt ein Katalysatorscreening in Mikroautoklaven und eine Systembewertung zur Bereitstellung des benötigten Wasserstoffs. Am Schluss werden die Erkenntnisse, speziell zum Verhalten der unterschiedlichen Ausgangsmaterialien, wissenschaftlich ausgewertet und das Verfahren hinsichtlich Kosten und Umweltaspekten bewertet.

Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für ausgewählte sächsische Rohstoffe (Braunkohlenlagerstätten) mit besonderer Berücksichtigung ihrer stofflichen und energetischen Eigenschaften

'-Erarbeitung von Kriterien für die Bewertung der derzeit nicht in Abbau befindlichen sächsischen Braunkohlenlagerstätten, dabei sollen stoffliche Eigenschaften des Rohstoffes für eine chemische Veredelung (z. B. Vergasung, Verflüssigung) besonders berücksichtigt werden -Erarbeitung eines Instrumentes zur Bewertung, in dem die qualitativen und quantitativen Kriterien mit ihren Schwankungsbreiten und ihrer Wichtung für die Lagerstätten festgelegt werden -Neubewertung der Braunkohlenlagerstätten (z. B. rohstoffwirtschaftlich nach Kohlevorräten, Abraumverhältnissen sowie Kohlequalitäten und damit Nutzungsmöglichkeiten), Digitale Darstellung der Ergebnisse u. a. als Grundlage für die Rohstoffsicherung

Entwicklung einer Low-NOx-Feuerung zur Verbrennung von Getreide und halmgutartigen Bioenergieträgern nach dem FLOX-Prinzip

Pyrolyse mit Begrenzung der Prozesstemperatur (Ascheschmelzpunkt) zur Vermeidung von Betriebsstörungen durch Schlackebildung bei problematischen Biomassen. Automatische Austragung des verbleibenden Kohlenstoffs zur externen Nutzung (z.B. Kohleverflüssigung). Vermeidung von thermischen NOx-Emissionen durch Begrenzung der Brennertemperatur mittels Abgasrezirkulation trotz hoher Luftvorwärmung (FLOX-Brenner). Vollständiger Ausbrand des Pyrolysegases durch starke Verwirbelung in der Brennkammer. Die zu entwickelnde Feuerung besteht aus zwei wesentlichen Baugruppen, dem Biomasse Pyrolysator und der Floxfeuerung. Beide Baugruppen werden mit Hilfe der Firmen Mothermik bzw. WS-Feuerungstechnik parallel entwickelt, erprobt und dann zusammengeführt. Der Biomassereaktor wird mit verschiedenen Brennstoffen betrieben, und die Emissionswerte ermittelt. In dem angestrebten Leistungsbereich kleiner als 150 kWth besteht ein großer Bedarf an Biomassefeuerungen zum Betrieb mit problematischen Biomassen. Deshalb besteht seitens der Projektpartner ein starkes Interesse daran, den in diesem Projekt zu entwickelnden Prototyp in ein marktfähiges Produkt zu überführen und wirtschaftlich zu verwerten.

Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Kohle mit Hilfe von atomarem Wasserstoff (Literaturstudie)

Mit der Studie soll fuer das Forschungsvorhaben der Umsetzung von atomarem Wasserstoff mit Kohle, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd ein ausreichendes Fundament geschaffen werden.

PRE-ENVPROT 3C, Balancing of Heavy Metals, Organic Chemicals and Noxious Micromaterials in Coal Gasification and Liquefaction Plants

Objective: To fill in gaps existing in the knowledge about the fate of trace elements during coal gasification and liquefaction. By listing the most important trace elements in a gasification plant as a function of operating conditions, this project is intended to provide the bases for devising abatement technologies. General Information: The study of trace elements is initially limited to six metals: lead, cadmium, arsenic, nickel, vanadium and mercury, together with the elements chlorine and fluorine. Sampling methods are developed to find any trace elements contained in the crude gas. The knowledge of the mass distribution of the input and output substances is needed in order to determine trace element residues. The maximum possible abatement of releases of trace elements and of the effects on the environment of trace elements has to be considered.

Ermittlung der Umweltbeeintraechtigung durch moderne Verfahren der Kohleverfluessigung

Der angestrebte Ersatz von Erdoel durch Kohle als Rohstoff fuer hoch- und niedrigsiedende Oele sowie Benzin hat neben dem versorgungspolitischen auch einen umweltpolitischen Aspekt. Zur exakten Beschreibung der Auswirkung von Kohleverfluessigungsverfahren auf die Umwelt fehlen Daten und Erfahrungen. Anhand der im Bau befindlichen Kohleoelanlage in Bottrop koennten diese Daten gesammelt und ausgewertet werden. Als Rueckkopplung dieser Untersuchung koennen Vorschlaege zur Verbesserung der Umweltvertraeglichkeit von Kohleverfluessigungs-Techniken gemacht werden. Ein Vergleich zwischen Erdoelverarbeitung und Kohleveredelung im Hinblick auf deren Umweltvertraeglichkeit ist anzustellen.

Folgen eines verstaerkten Kohleeinsatzes in der Bundesrepublik Deutschland

Im Rahmen dieser Studie werden neben oekonomischen und sozialen Auswirkungen auch die Umweltauswirkungen eines verstaerkten Kohleeinsatzes untersucht. Es werden Analysen zu ausgewaehlten Kohleeinsatzstrategien durchgefuehrt. Diese sind die Verheizung (Einzelfeuerungsanlagen, dezentrale Kraft-Waermekopplung), die Verstromung (Grosskraftwerke, Grossheizkraftwerke) und die Veredelung (Vergasung und Verfluessigung). Fuer einige Schadstoffe (SO2, Staub, NO) und einige Auswirkungsbereiche (Exposition des Menschen und gefaehrdeter Oekosysteme) werden die o.g. Strategien auf der Basis quantitativer Ergebnisse bewertet. Neben den Auswirkungen im lokalen Bereich (bis 100 km) werden auch die Effekte im regionalen Bereich (bis 1000 km) untersucht, hierzu wird das Modell MESOS zur Berechnung der weitraeumigen Ausbreitung und Ablagerung von Schadstoffen , das am Imperial College London entwickelt wurde, zusammen mit einer umfangreichen Datenbasis implementiert. Fuer einige Schadstoffe, wie z.B. fuer die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, sowie fuer die Auswirkungen erhoehter Kohlendioxidemissionen auf das Klima, sind entsprechend dem heutigen Kenntnisstand keine oder nur sehr pauschale quantitative Aussagen moeglich.

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