SCGS – Supercritical Geothermal System: Die Energie (spezifische Enthalpie), die in ca. einem Liter superkritischen Wassers steckt, beträgt bei einer Temperatur von 374 °C und einem Druck von 22,1 MPa etwa 2,94 MJ/kg (0,82kWh) an der Turbine nutzbar ankommend, also 7% der Benzin-Energie (42MJ/kg). Hat die Welt 2022 180PWh an Primärenergie verbraucht, so sind das beim Primär/Endenergieproporz Deutschlands von 3,4/2,5 PWh=1,36 als Referenz 180/1,36= 132 PWh weltweiten Endenergieverbrauches; mit einem Eta von 1/3 also ca 400PWh Energiegehalt des superkritischen Wassers bzw. 400PWh/0,82e-9PWh/m3, dann 487km3 pro Jahr an benötigtem Wasser, oder 487m3/8Mia Menschen=61000L/Mensch/Jahr=50MWh/Mensch/Jahr oder 7L/h/Mensch, oder 1930L/s für eine Millionenstadt, bei bspw 36L/s/Anlage also 54 Anlagen, oder 4500 Anlagen für Deutschland, bzw bei 54 Anlagen/Mio Menschen dann für die Welt: 432000 Anlagen, inklusive ALLER Verbraucher. Allerdings hat der austretende Dampf auch noch nicht nutzbare Energie, somit ändert sich die Rechnung nochmal.

Andere Rechnung mit anderen Zahlen: Pumpen wir 36L/s durch ein > 1Zoll Rohr mit 10m/s=36kg/s bei superkritischem Wasser, erhalten wir 823GWh/Jahr bzw 94MW Leistung bzw. nach allen Verlusten eher 40MW (350GWh/Jahr und Anlage), Deutschland benötigte also ca 500TWh/0.35TWh/Anlage=1430 Anlagen, bei 80mio Einwohnern = 56000 Einwohner/Anlage, alle Stromverbraucher eingeschlossen.

Deutschland verbrauchte 2022 ca 500TWh, ThyssenKrupp, Arcelor Mittal und BASF mit 30; 27 und 25TWh/J benötigt zwischen 86 und 71 Anlagen, wobei wahrscheinlich viel für Prozesswärme benötigte Energie direkt über Heisswasserzufluss bereitgestellt werden könnte ohne den Umweg über Wassererhitzung mittels Strom im Chemiewerk gehen zu müssen. Dazu kommt weiterer Bedarf aufgrund der E-Autos (ca 100TWh/Jahr) sowie der Produktion des grünen Wasserstoffs für den Flugverkehr, vor allem jedoch für die Metallverarbeitung (zB ThyssenKrupp 1,5Mt in 2030=>75TWh lt Fraunhofer, inkl Mittal schätzen wir 140TWh); es würden also zusätzlich 240TWh oder fast halb so viele Anlagen nochmal benötigt, insgesamt >2100@<50Mio€/Anlage inkl Bohrungen=ca 100 Mia€.

Energie für Wärmepumpen (ca 200TWh/Jahr, dafür würde aber auch der CO2 Ausstoss verhindert, den vom Studio bis zur Villa im Mittel 20MWh Gasverbrennung je Haushalt und Jahr schaffen, ersetzt durch die Wärmepumpe mit ca 4,5MWh Jahresverbrauch je Haushalt x 45Mio Haushalte =200TWh im Jahr), kann man genauso einsparen wie die immensen Kosten für diese Pumpen und Bohrungen und Niedrigtemperatursysteme -sogar für manche teure Dämmung, denn die Fernwärme (zwischen Ausgangsrohr und Turbineneinlass als Zweitkreislauf gebaut) könnte sämtliche Gebäude stadtweit heizen.
Die Ausgaben für Solar- und Windkraftanlagen könnte ebenfalls komplett eingespart werden, eine Windturbine kostet bspw -ganz abgesehen von Wartungs-, Versicherungs-, Stomtransport- und Instandsetzungskosten- ca 1Mio€/MW für Produktion und Installation und wäre damit zwar bezogen auf die Erstellung inkl. Betrieb evtl günstiger, aber als Energiequelle in Flautenzeiten natürlich wesentlich unzuverlässiger, und sie tötet Vögel und stört ggfls den Schiffsverkehr und ist hässlich. Ausserdem beeinflusst sie Windströmungen und sorgt für Bodenerwärmung und geringere Luft/Bodenfeuchte im Lee. Und sie benötigte grundlastfähige Systeme, ist also überhaupt keine Alternative!

der turbinengenerator produziert gleich die mittelspannung von 30kV 1kA vor ort in der stadt, verluste in den übertragungen von offshore bis zb münchen ihv ca 5% (ca 20TWh in deutschland) entfallen hiermit.

gyrotron limits: 1MW, eta=50%, 30-200GHz=10-1.5mm wellenlänge; ca 170GHz (1.76mm) are needed to go 20km deep

power in: ca 15MWh/10m on 100cm2 bore area, taking ca 1min for 17cm or 10m/h on bore dia 11cm, theo=20km in 2000h=83 days=ca 3months.30GWh for 20km@0.05€/kWh=1.5mio€

power in: bei 10MWh/m3 (anstatt 7,2MWh/m3 wie im bild unten): dia5cm= 20cm2 x 20m/h=40dm3/h=400kWh/h; 20km mit 20m/h=1000h=40 days mit 1MW (@40%efficiency=400kWh/h)= 1GWh for 20km@0.05€/kWh=50000€

ca 20m/hr on 2MW beam for 10cm hole=1000h, pulsed maybe >2000h=3 months

ca 30m/hr on 2MW beam for 5cm hole=700h=1 month, that is for vaporization, but melting or spalling takes 2 or 10 times less energy.


hole dia min 5cm if down/upstream share one hole only, which would be ie 20000m x 2e-3 m2=40m3 dense material, to be doubled as powder piles up 120tons, quite manageable numbers.


grabbo, granite etc dont vaporize easily, so pulsed mm-wave spallation drilling (pwsd) is an efficient way done with gyrotrons.

requires a sieve to only uplift a defined part size via the argon stream for particle evacuation, while rayleigh scattering prohibits parts >200µm within the active ray anyway.


the bigger problem is however: would ie sulfur dioxide climb up the hole, how to handle water, pressing out of rock, or lakes, layers, etc, maybe rushing upwards, causing hollow unstable cavities, maybe seeping into gypsum layers, thus  lifting the soil, cracking tubes and buildings? how much co2 or methane would need to be caught? 

so even dry drilling may cause a lot of head aches, and earthquakes in the 20km region are much more common than those reaching our surface, so there s a probability that no day would pass without a broken tube. we would just need to live with it, wait for aftershocks and reestablish what s left of the hole or make another one nearby as daily routine on a world level. on the other hand, once gyrotron drilling becomes a daily routine, deep hole data will set us on a new level of knowledge and expertise, avoiding the faults we learned from yesterday. and as always we should start with the low hanging fruits -which could be the hardest rock in the most stable conditions.

usability/longevity/temp gradient reducing system efficiency of deep holes is less a problem than the one of 50-200°C systems, where the hot rock environment cools down within maybe 10 years causing a 10-20% energy production loss. 


on the other hand, geothermal safe renewable electric baseload power 24/7 in every town will change geostrategies and the geopolitical world. all fossile energy states will receive less interest, the non-energy markets will only need 15% of the current pump rate, air, water and road transport will use e-batteries and hydrogen made with electric power, heating will be served from the byproduct of SCGS: district heating. Those countries that didnt prepare will fall back-behind "forever", like Irak, Kasachstan, Algeria, Kuwait, Nigeria, Iran, UAE, Saudi-Arabia and Russia, but also Dutch-disease-plagued Norway would encounter problems, as its oil export value to GDP ratio surpasses Russia s 73%.


 nadirpower, safe renewable electric baseload power 24/7 in every town!

NAIC: 221119 Other Electric Power Generation (Primary); 237990 Other Heavy and Civil Engineering Construction; 333611 Turbine and Turbine Generator Set Units Manufacturing; 221122 Electric Power Distribution

Anders als alle EGS und die meisten AGS benötigt das System von Nadir Power nur EIN Loch. Die Fläche des 5" (12,7cm) aussendurchmessenden Stahlrohres (zb ST45.8) von ca 100cm2 Nutzfläche wird zu 1/3 für den Wassereinlauf, zu 1/3 für den Auslauf und zu 1/3 für die Heisswasserisolation genutzt. Rechnerisch ergeben sich damit 2 "Rohre" von >6cm Innendurchmesser, durch die bei< 250 bar 36L/s mit 10m/s fliessen. Während der 33 Minuten Fliesszeit durch das angenommen 20km lange Rohr erwärmt sich das Wasser ziemlich linear, bis sich beide offenen Enden im unten geschlossenen Rohr treffen und das Wasser durch das Austrittsrohr hochgedrückt wird. Die 250 bar werden benötigt, um den superkritischen Zustand ab 2km bis zur Turbine zu erhalten. 72m3 je Rohr=<150m3 für eine Anlage.  

gyrotrons create energy in the mm wave area, 170GHz ca 1,76mm.

gt drilling avoids Rayleigh scattering and can couple/transfer energy to a rock surface 1012X more efficiently than laser sources in the presence of a small particle extraction plume. Continuous megawatt power millimeter-waves can also be efficiently (>90 percent) guided to great distances (>10 km) using a variety of modes and waveguide (pipes) systems, including the potential of using smooth bore coiled and jointed/ joined tubing. A penetration rate of 70 meters/hour (230 ft/hour) is possible in 5 cm (1.97 in) bores with a 1-MW gyrotron that couples to the rock with 100 percent efficiency. Quaise expects its gyrotron-enhanced process to take just 100 days. And that's assuming a 1-MW gyrotron. At 20km depth, Quaise expects to find temperatures around 500 °C. At 12,289 m the temperature was 180 °C (Russia). A power plant that uses supercritical water as the working fluid can extract up to 10 times more useful energy from each drop when compared to non-supercritical plants.

gyrotron limits: 1MW, eta=50%, 30-200GHz=10-1.5mm wellenlänge, hersteller zb: cpi (95GHz), san jose; GYCOM, Nizhny Novgorod (170GHz), russia info@gycom.ru

ca 170GHz (1.76mm) are needed to go 20km deep

power in: ca 15MWh/10m on 100cm2 bore area, taking ca 1min for 17cm or 10m/h on bore dia 11cm, theo=20km in 2000h=83 days=ca 3months. 30GWh for 20km@0.05€/kWh=1.5mio€

power in: bei 10MWh/m3 (anstatt 7,2MWh/m3 wie im bild unten): dia13cm= 132cm2 x 20m/h=0,264m3/h=2,64MWh/h; 20km mit 20m/h=1000h=40 days mit 5MW = 5MWh x 24h x 40d=

5GWh for 20km@50€/MWh=250000€

power in: 7.2MWh/m3 x 72m3 (hole volume)=520MWh, but eta on rock=0.5, and eta in gyrotron=0.5, so 2GWh@50$/MWh=100000$ on vaporization, but spallation wont need 13% of that energy? 


cost for 1MW gyrotron ca 2mio$ from cpi


Berechnung Eintrittsrohr (od=6,77cm=36cm2, 20km), 

Eintrittsrohr

Die Formel für die Volumenänderung durch Temperatur und Druck lautet:

ΔV = V0 * (1 + β * ΔT / (T_0 * p_0) + γ * Δp / (p_0^2))

wobei

In diesem Fall sind die folgenden Werte gegeben:

Die thermische Ausdehnungskoeffizient für Luft beträgt 2,07 * 10^-4 K^-1. Der Druckausdehnungskoeffizient für Luft beträgt 4,5 * 10^-5 bar^-1.

Die Berechnung lautet dann wie folgt:

Einlassrohr:

ΔV = 72000 Liter * (1 + 2,07 * 10^-4 * 430 K / (273,15 K * 200 bar) + 4,5 * 10^-5 * 1800 bar / (200 bar * 200 bar))=72000.263 Liter


Austrittsrohr

Die Formel für die Volumenänderung durch Temperatur und Druck lautet die gleiche wie im ersten Fall.

In diesem Fall sind die folgenden Werte gegeben:

Die Berechnung lautet dann wie folgt:

ΔV = 72000 Liter * (1 + 2,07 * 10^-4 * -100 K / (273,15 K * 2000 bar) + 4,5 * 10^-5 * -1800 bar / (2000 bar * 2000 bar)) =71999,99L

Der Eintrittsdruck wird durch Pumpleistung auf 200bar gehoben wird, die 120m3/h-Pumpe entzieht dem System ca 1MW (>1<3%). 

150m3 reichen also für den gesamten Kreislauf bestimmt aus.


Durch eine Turbine fließt nun Dampf bei 230 Bar und 400°C. Der Dampf kommt von superkritischem Wasser bei 230bar und 400°C mit einem Volumenstrom von 36 Litern pro Sekunde. Die Turbine setzt die Energie um, am Ende hat der Dampf noch 50°C und 1 Bar. Wieviel Leistung hat die Turbine umgesetzt?

Berechnungsversuch:

Die Enthalpie des Dampfes bei 230 Bar und 400°C beträgt ca 2950 kJ/kg. Die Enthalpie des Dampfes bei 1 Bar und 50°C beträgt ca 350 kJ/kg. Die Differenz dieser beiden Werte ist die Enthalpie, die der Dampf in der Turbine abgegeben hat.

Enthalpiedifferenz = 2950 kJ/kg - 350 kJ/kg = 2600 kJ/kg

Die Leistung der Turbine = Masse des Dampfes * Enthalpiedifferenz

= 36 kg/s * 2600 kJ/kg = 94MW, abzgl. der Turbinen- und Generator- und Hochdruckpumpenverluste ca 40MW (Eta ca 42%).

1. Schritt: Geothermie nutzen für 100% Raumwärme durch Fernwärmesysteme

Wollten wir uns aber zunächst nur um "die halbe Miete" kümmern, so wäre das System wesentlich einfacher, schneller und preiswerter erstellbar: In ca 2,5km Tiefe wären bereits ca 80°C zu ernten, und über ein Zweikreissystem käme die Wärme (inkl Warmwasser), welche ja bereits einen Grossteil unseres Energiehungers ausmacht, nach  Wärmetauschern ( zB gelöteter Edelstahlplattenwärmetauscher mit 140 Kubikmetern pro Stunde Durchsatz ca 5000€, 5000€ x ca 43000 Wärmetauscher= ca 215Mio€) über Fernwärme bequem ins Haus, Geschäft und Büro. 

Die Kosten für die Erstellung eines Bohrlochs mit 15 cm Durchmesser, 2,5 km Tiefe in weichem Gestein und 80-85°C am tiefsten Punkt schätzen wir auf 1Mio€ pro Bohrloch bei Massenfertigung; werden 1000 Wohnungen zu je einem Fernwärmesystem gebündelt, sind für Deutschland 43000 Löcher und somit ca 43Mia€ nötig, zzgl Wärmetauscher, Pumpen und natürlich der Rohre in den Strassen ( 22Mio Gebäude, Abstand 20m=ca. 22Mio x 20m = 440000km um alle Gebäude in allen Städten zu erreichen, 440000km x 0,1Mio€/km=44Mia€).

Die grossen Kostenblöcke entstehen also durch die Bohrlöcher (ca 43Mia€) und durch die Rohrverlegung in jedes Gebäude (ca44Mia€), nicht durch die Wärmetauscher (ca 200Mio€), und es sieht so aus, als könnte Deutschland für die Raumwärme bei Geothermienutzung und Einsatz von <100Mia€ unabhängig von importierter Energie bei Nullemission von CO2 werden, 24/7, unsichtbar, ohne nennenswerten Platzbedarf, supersauber und fast unerschöpflich.

Ein weiteres Zweikreissystem könnte eine anderes Wärmetransportmedium nutzen um ähnlich des Wärmepumpensystems höhere Temperaturen dort zu erzeugen, wo Prozesswärme dies in der Industrie verlangte, solange dies Sinn macht (Destillation, Trocknung, Reaktionsprozesse, Beschichtung,=ca 1/3 aller Prozesswärme). Stahl bspw. sollte dann mit grünem Wasserstoff aus Offshoreanlagen oder Hochirradiationsgebieten (zB Südspanien >2MWh/m2) erzeugt werden. Theoretisch könnte man nun ein niedrigtemperaturverdampfendes Medium durch Wärmetauscher drücken und den Dampf mittels Turbine und Stromgenerator zur Stromgewinnung nutzen wie Climeon, aber dies sollte eine Nischenanwendung werden, nachdem der Prozess des Tiefenspaltens-schmelzens verstanden wurde und Strom dann durch Dampfturbinen erzeugt wird, die superkritisches Wasser aus ca. 20km Tiefe direkt erhalten, wofür wir nach dem " 2,5km-Standardloch" Gyrotrons zur finalen Tieflochproduktion nutzen wollen.

Moderne Fernwärmesysteme kommen als Niedertemperatursysteme mit 60°C zu 35°C Vor-/Rücklauftemperaturen aus, weshalb die Bohrtiefe auf 2-3km reduzierbar erscheint. 

Bezogen auf den Standardtag mit ca 10°C und 28% von 2,4PWh/Jahr an benötigter Endenergie (siehe Chart) benötigen wir also in Deutschland für die Raumwärme ca. 670TWh und übernehmen diesen Wert unbeschadet allfälliger Effizienzabweichungen der unterschiedlichen Heizsysteme. Bei 43Mio Wohnungen je ca 90m2 sind es ca 4Mia m2 zzgl beheizter Gewerbefläche mit geschätztem 20%igen Anteil zur obig errechneten Wohnfläche= 4,8Mia m2; 670TWh auf 4,8Mia m2 bedeuten eine Wärmeenergie von fast140kWh/m2 im Jahr, was dann folgendem Wärmeübergangskoeffizient entspräche: 140kWh/m2/Jahr/8760h=16W/m² die Stunde > 16W/m2/((20°C Raumwärme-10°C Standardaussentemperatur) x 1m2 x 1h)=U-Wert von 1,6W/m²K. Die Wärmeenergie pro m2 und Stunde bei der deutschen "Aussenstandardtemperatur" von 10°C ist dann:  A x U-Wert x ΔT x t = 1 m² x 1,6 W/m²K x (20°C-10°C=10K) x 1 h = 16 Wh/m2, wohingegen ein kalter Tag mit zb -10°C bereits 30K und somit die dreifache Heizenergie zieht.

Multipliziert mit 90m2 pro Durchschnittswohnung beläuft sich die jährlich zur Verfügung zu stellende Wärmeenergie in Deutschland auf 140kWh/m2 x 90m2=12,5MWh je Wohnung inkl beheizter Gewerbeflächen.

Nun wollen wir ein geothermales Fernwärmesystem pro 1000 Wohnungen berechnen, es müssten hier 43000 Löcher gebohrt werden. 1000 Wohnungen benötigen 12,5GWh/8760h/Jahr=ca 1,4MW Ausgangsleistung am Standardtag, der jedoch vom Ausnahmetag (zB -10°C) stark abweicht, denn der benötigt anstatt der 1,4kWh/m2 nun das Dreifache, sodass das lokale (natürlich mit allen Fernwärmeanlagen vernetzte) 1000-Wohnungen-System dann 4MW bereitstellen muss.

Wärmeenergie = Durchflussmenge x Temperaturdifferenz x spezifische Wärmekapazität. 

Die Durchflussmenge ist an jenem kalten Tag -bei bereits ökonomischen Niedertemperatursystemen von 60°C zu 35°C Vor/Rück-lauftemperaturen- inkl Prozesswärme (geschätztes 1/3 von 22,6% gem. Bild = 7% von 2407TWh=168TWh/8760h/Jahr=19GWh/43000 Durchschnitts-Anlagen= gute 440 kW je Stunde, was an jenem besonders kalten Tag relativ zu den 4 benötigten MW fast keinen Unterschied mehr macht), zzgl Warmwasser 5% von 2407TWh=120TWh/8760h/Jahr=14GWh/43000 Durchschnitts-Anlagen= ca 320 kW je Stunde, sagen wir zusammen bei 5MWh je Stunde an abgenommener Wärme, weshalb die  Durchflussmenge auf 5MW/ (25 K * 4,186 kJ/kgK) ≈  48L/s Wasserdurchfluss mit 60/35°C Vor-/Rücklauftemperaturen im Sekundärkreislauf des Wärmetauschers ausgelegt wird.


Wie gross muss die Differenz zwischen T1 und T3 sein, damit die gesamte Wärmeenergie übertragen wird?

Q = h * A * ΔT

Q = Wärmeenergie (5 MW = 5000000 W)

h = Wärmeübergangskoeffizient (3000 W/m²K)

A = Wärmeübertragungsfläche (80 m²)

ΔT =Temperaturdifferenz (T1 - T3)

ΔT = Q / (h *A)= 5000000 W / (3000 W/m²K * 80 m²) ≈ 21 °C

Berechnung der minimalen Temperatur T1:

T1_min = T3 + ΔT_min = 60 °C +21 °C = 81 °C

T2 wird dann um 60°C liegen, kann aber auch problemlos tiefer gehen

Daraus ergeben sich T1 T2 T3 T4 und Durchflussraten wie im Bild gezeigt.