Sicher unterwegs durch Geothermie EarthCache
Sicher unterwegs durch Geothermie
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Difficulty:
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Terrain:
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Size: 
(other)
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Sicher unterwegs durch Geothermie
Liegt die Temperatur unter dem Gefrierpunkt, bildet sich in der Natur aus Wasser Eis. Geschieht diese Abkühlung sehr plötzlich, spricht man von Blitzeis - ein Phänomen, das den meisten Deutschen im Winter glatte Straßen und bisweilen teure Unfälle beschert. Es tritt verstärkt auf Brücken auf, da diese Bauwerke durch die vergrößerte Oberfläche und die gute Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Metalle wesentlich schneller auskühlen. Um einem solchen Blitzeis vorzubeugen gibt es zwei Wege:
a) Den Gefrierpunkt senken (z.B. durch Streusalz).
b) Die Temperatur erhöhen (durch eine Heizung).
Letzterer, auf den ersten Blick energetisch unsinnige Weg, wurde bei dieser Brücke gewählt. Sie ist die erste geothermisch beheizte Brücke Deutschlands und wird so CO2-neutral und kostengünstig beheizt. Unter ihrem Asphalt schlängelt sich ein dünnmaschiges Netz aus Rohrleitungen, die von einer Flüssigkeit durchlaufen werden, die durch Erdwärme temperiert wird.
1) Wie entsteht Erdwärme?
2) Wie viel Energie wird hier “eingespart” im Gegensatz zu einer “herkömmlichen” Beheizung?
1) Wie entsteht Erdwärme?
Mit zunehmender Tiefe erhöht sich die Temperatur der Erde: Im Durchschnitt um 3°C je 100m. Der reale Wert kann aber regional sehr stark schwanken: Von 9°C je Kilometer in Südafrika bis zu 90!°C je Kilometer in jungvulkanischen Gebieten, wie z.B. der schwäbischen Alb oder der Toscana.
Der reale Wert hängt ab von der radioaktiven Aufheizung, chemischen Prozessen in Kohle- und Erdöllagerstätten, vulkanischen Vorgängen und der Wärmeleitfähigkeit der vorliegenden Gesteine. Salze, z.B. sind gute Wärmeleiter, weswegen in Salzstöcken meist eine höhere Temperatur gemessen werden kann, als in der Umgebung. Ursächlich für die Erdwärme ist größtenteils die radioaktive Aufheizung, die beim Zerfallen von instabilen Isotopen entsteht. Dies sind im Erdinneren hauptsächlich die Isotope der Elemente Uran, Radium, Thorium und Kalium. Diese Zerfallen unter Abgabe von Alpha- oder Betastrahlung gemäß ihrer Zerfallsreihen solange, bis ein stabiles Isotop erreicht ist und setzen dabei erhebliche Mengen an Wärmeenergie frei.
2) Wie viel Energie wird hier “eingespart” im Gegensatz zu einer “herkömmlichen” Beheizung?
Die Energie Q, die zum Beheizen eines Körpers nötig ist, berechnet sich nach folgender Formel (unter Vernachlässigung der Abkühlung):
Formel 1: Q = L ⋅ B ⋅ H ⋅ ρ ⋅ c ⋅ Δθ
Ferner wird angenommen, dass die Temperatur des Asphalts durch die geothermische Beheizung um 5°C angehoben wird und dass die Höhe der Asphaltdecke 5cm, also 0,05m beträgt.
| Formelzeichen |
Bedeutung |
Zahlenwert |
Einheit |
| Q |
Wärmeenergie |
zu berechnen |
[J] |
| ρ |
Dichte (von Asphalt) |
2120 |
[kg/m3] |
| c |
spezifische Wärmekapazität von Asphalt |
920 |
[J/(kg⋅°C)] |
| Δθ |
Temperaturänderung |
5 (Annahme) |
[°C] |
| B |
Breite der Asphaltfläche |
auszumessen |
[m] |
| L |
Länge der Asphaltfläche |
auszumessen |
[m] |
| H |
Höhe der Asphaltfläche |
0,05 (Annahme) |
[m] |
Um ein 1m x 1m - großes Stück Asphalt um realistische 5°C zu erwärmen, berechnet sich die benötigte Wärmemenge damit wie folgt:
Q [J] = 1[m] ⋅ 1[m] ⋅ 0,05[m] ⋅ 2120[Kg/m3] ⋅ 920[J/(kg⋅°C)] ⋅ 5[°C]
= 487600 [J]
Um dieses Asphaltstück um 5°C zu erwärmen, werden 487600 Joule benötigt.
Was kann man sich darunter praktisch vorstellen?
Ein Joule ist die Energie, die benötigt wird, um die Leistung von einem Watt eine Sekunde lang zu verrichten. Es gilt folgende Formel:
Formel 2: t = Q / P
| Formelzeichen |
Bedeutung |
Zahlenwert |
Einheit |
| Q |
Wärmeenergie |
im oberen Teil berechnet |
[J] |
| P |
Leistung (z.B. eines Föns) |
steht auf dem Fön |
[W] |
| t |
Zeit |
zu berechnen |
[sek] |
Bei einem Fön mit einer Leistung von 1200W ergibt sich damit:
t[sek] = 487600[J] / 1200[W]
= 406,3[sek]
= 6,77[min]
Um besagtes Asphaltstück mit einem Fön um 5°C zu erwärmen benötigte man also im Idealfall 406 Sekunden, bzw. fast 7 Minuten.
Logaufgaben:
1) Asphaltfläche:
Bestimme die Länge und die Breite der Asphaltfläche zwischen den vier Brückenköpfen. Eine grobe Messung mit GPS ist dabei völlig ausreichend. Ein Zollstock wird nicht benötigt.
2) Berechung der geothermisch erzeugten Wärmeenergie:
Berechne die Wärmeenergie Q, die für eine Temperaturerhöhung dieser Asphaltfläche um 5°C benötigt wird. Setze dazu die gemessene Länge und Breite in die obige Formel 1 ein.
3) Wieviel Energie ist das denn nun oder wie lange muss man für dieselbe Energie “fönen”?:
Suche in deinem Badezimmer (d)einen Fön und seine Leistung in Watt (steht drauf). Berechne damit, wie lange du den Asphalt befönen müsstest, um dieselbe Energie freizusetzen, die auf geothermischem Wege gewonnen wird (Formel 2). Fotos von deinem Fön sind auch willkommen. 
.
4) Foto (optional, aber äußerst willkommen) Mache ein Foto von dir oder deinem GPS mit Brücke / auf der Brücke / unter der Brücke, um deine Anwesenheit an diesem Ort zu belegen und lade es in deinem Log hoch.
Wenn du dabei MIT (d)einem FÖN zu sehen bist, bekommst du einen Ehrenplatz in der “Hall of Fame” dieses Caches!
Sende die Antworten zu den Aufgaben 1-3 an mich über mein Profil und du erhältst so schnell wie möglich eine Logerlaubnis. Wenn du die Bedingungen für die Aufnahme in die Hall of Fame erfüllt hast, erwähne dies in deiner Email an mich, damit ich dich in die Hall of Fame setzen kann.
Viel Spaß wünscht
Miraculix84
Weiterführende Literatur
Richter, Prof. Dr. Dieter: Allgemeine Geologie, Berlin, 1980.
Erbrecht, Prof. Dr. et al (Hrsg.): Das große Tafelwerk, Würzburg, 2007.
Drinving safely by geothermal energy
If the temperature outside is lower than the melting point of water, ice is formated. Often this happens very quickly on bridges, as these buildings cool down much faster because of their large surface and the heat conductivity of metal. To guard against the formation of ice, there are two ways possible:
a) Lowering the melting point (f.e. by road salt).
b) Increasing the temperature (by heating).
The last, at first sight strange way, was choosen for this bridge. It is Germany’s 1st bridge heated by geothermal energy - That is cheap and doesn’t produce any CO2-emissions. Under its asphalt there is a close net of pipelines, filled with a fluid, that is temperatured by geothermal energy.
1) Where does geothermal energy come from?
2) How much energy is “economised” - compared to a “regular” heating-system?
1)Where does geothermal energy come from?
The temperature of the ground is increasing with depth: Ordinary the temperature is increasing about 3°C by each 100m. The real numerical value can differ: From 9°C by each Kilometer in Southafrica to 90!°C by each Kilometer in recent vocanic Arias, f.e. in Swabia or Tuscany.
The numerical value depends on the radioactivity, chemical processes in Coal- and Oil-Deposits, volcanic activities and the thermal conductivity of the stones. Salts, f.e. have a high thermal conductivity. That’s why the temperature in saltdomes is often higher than in the stones nearby. The biggest part of geothermal energy is caused by radioactivity. In the earth’s interior unstable isotopes of uranium, radium, thorium and potassium decay producing alpha and beta radiation and enormous amounts of heat.
2)How much energy is “economised” - compared to a “regular” heating-system?
The energy Q, that is needed for heating a body, can be calculated using the following formula (neglecting the cooling down):
formula 1: Q = L ⋅ B ⋅ H ⋅ ρ ⋅ c ⋅ Δθ
Further is assumed, that using geothermal energy the temperature of asphalt is increased 5°C and that the heights of asphalt is 5cm - 0.05m.
| sign |
meaning |
numerical value |
unit |
| Q |
thermal energy |
has to be calculated |
[J] |
| ρ |
density (of asphalt) |
2120 |
[kg/m3] |
| c |
specific heat of asphalt |
920 |
[J/(kg⋅°C)] |
| Δθ |
change in temperature |
5 (assumption) |
[°C] |
| B |
breadth of the asphalt’s surface |
has to be measured |
[m] |
| L |
length of the asphalt’s surface |
has to be measured |
[m] |
| H |
heigth of the asphalt’s surface |
0,05 (assumption) |
[m] |
For heating a 1m x 1m - piece of asphalt 5°C, the necessary thermal energy can be calculated like this:
Q [J] = 1[m] ⋅ 1[m] ⋅ 0,05[m] ⋅ 2120[Kg/m3] ⋅ 920[J/(kg⋅°C)] ⋅ 5[°C]
= 487600 [J]
A thermal energy of 487600 Joule is needed.
How much is this - compared to “normal” life?
One Joule is the energy, that is needed for the engine power of one Watt for a single second. The following formula can be used:
formula 2: t = Q / P
| sign |
meaningng |
numerical value |
unit |
| Q |
thermal energy |
calculated above |
[J] |
| P |
power (f.e. of a hair blower) |
can be seen on the hair blower |
[W] |
| t |
time |
has to be calculated |
[sek] |
Using a hair blower, which has a power of 1200W:
t[sek] = 487600[J] / 1200[W]
= 406,3[sek]
= 6,77[min]
406 seconds or at about 7 minutes are needed to heat a 1m x 1m piece of asphalt 5°C.
conditions to log:
1) surface of the asphalt:
Define the lenght and the breadth of the asphalt-area inside of the bridge heads. Using just your GPS is adequate. A folding rule is not needed.
2) Calculation of the geothermal extracted energy:
Calculate the thermal energy Q, that is necessary for increasing the asphalt’s temperature 5°C. Therefor put the lenghts and breadth, defined for task 1, into the formula 1.
3) How much energy is this or how much time do you need to produce the same energy with your hair blower?:
Go into your bathroom and have a look at your hair blower. How much power [W] does it have? Calculate for how long you should use you hair blower to set the same amount of energy free, as the geothermal heated bridge does. Use formula 2. Pictures of your hair blower are welcome! .
4) Picture (optional, but very welcome)
Take a photo of you or your GPS-receiver in front of / under / above / besides the bridge, to prove, that you have been there indeed and load it up together with your log.
If this photo is showing you AND your HAIR BLOWER, you will be honoured by being placed into this cache’s Hall of Fame!
Please, send the answers of the tasks 1,2 and 3 to me via my profil. You will get the permission to log as soon as possible. If you are going to fulfil the conditions for the Hall of Fame, please tell me in your email. Thank you!
Have fun
Miraculix84
Further literature
Richter, Prof. Dr. Dieter: Allgemeine Geologie, Berlin, 1980.
Erbrecht, Prof. Dr. et al (Hrsg.): Das große Tafelwerk, Würzburg, 2007.
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HALL OF FAME
Additional Hints
(No hints available.)