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Geothermische Stromerzeugung - Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe - Vortrag in der Vorlesung Geophysik/Geothermie Katharina Steffes 4. September 2008.

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1 Geothermische Stromerzeugung - Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe - Vortrag in der Vorlesung Geophysik/Geothermie Katharina Steffes 4. September 2008

2 Gliederung 1.Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe 2.Heizwerk Neustadt-Glewe 3.Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe 4.Kraftwerkstechnik Prozesstypen KWK Verschaltungsmöglichkeiten ORC Kalina-Prozess Umsetzung in Neustadt-Glewe 5.Neustadt-Glewe – Fazit

3 Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe Deutschland: Temperaturen zwischen 40 und 190°C in bis m Tiefe Neustadt-Glewe: in m Tiefe °C Poren-Sandsteinspeicher mit großem Thermalwasservorkommen hoher Eisen- und Salzgehalt (80 – 350 g/l)

4 Heizwerk Neustadt-Glewe seit 1994 Heizwerk Förderbohrung: 2250 m Injektionsbohrung: 2335 m Abstand: 1,78 km Temperatur des Thermalwassers: 97°C P th = 3 MW th W th = MWh/a Fernwärme an: Wohngebiet kleinere Gewerbekunden Lederwerk

5 Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe außerhalb der Heizzeit liegt Heizwärmebedarf deutlich unter der ver- fügbaren Wärmeleistung bis 2003: Absenkung der Förderrate ABER: ungenutzte thermische Leistung durch Absinken der Förderrate Druckminderung Ausgasen von Stickstoff, Kohlendioxid, Methan Ergänzung des Heizwerks um einen Kraftwerksblock

6 Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe schon früher Pläne für Erweiterung aber Realisierung durch hohe Anlagenkosten unwirtschaftlich ab 2000: Aufnahme der Geothermie in das EEG: Einspeisevergütung: 8,95 ct/kWh Förderung als Pilotprojekt durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Budget insgesamt: Gesellschafter der Erdwärme-Kraft-GbR: Vattenfall Europe, Berlin (94,26 %) WEMAG AG, Schwerin (5,74 %) Konzept: wärmegeführtes Heizkraftwerk (Vorrang der Wärmeversorgung)

7 Kraftwerkstechnik - Prozesstypen - Direkte Nutzung des Fluides Anwendung bei hydrothermalen Heiß- und Trockendampfvorkommen > 150°C (Hochenthalpie-Lagerstätten) direkte Nutzung des Dampfes aus dem Erdinnern, der an der Turbine entspannt wird offener Prozess (vgl. offener Gasturbinenprozess) Beispiel Larderello, Italien Binary Systems Anlagen mit Sekundärkreislauf, Übertragung über Wärmetauscher Anwendung bei: keine ausreichende Temperatur oder Druck zur Dampferzeugung hohe Menge nichtkondensierbarer Gase (komplexe technische Lösungen erforderlich) aggressives Thermalfluid (Minerale, Schwefelwasserstoff) Kreisprozess (vgl. Clausius-Rankine-Prozess) ORC, Kalina

8 Kraftwerkstechnik - KWK - Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in der Geothermie Konventionelle KWK: Nutzwärme für Heiznetz aus Abwärmestrom einer Wärmekraftmaschine (Kondensator) damit immer gleichzeitige Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme Geothermische KWK: Gleichzeitigkeit nicht immer gegeben Abwärme am Kondensator bei vergleichsweise niedriger Temperatur höheres Temperaturniveau des Thermalwassers am Kraftwerksaustritt Nutzung des Thermalwassers zur Wärmeversorgung Kombination von Kraftwerk und Heizwerk, die dieselbe Primär- energiequelle nutzen Verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten (Vorrang Wärmeversorgung)

9 Kraftwerkstechnik - Reihenschaltung von KW und HW - Thermalwasser durchfließt zuerst KW und dann HW Bedingungen:T HW,in T Heiz,Vorlauf T HW,out T Heiz,Rücklauf T HW,in = T b,in – ΔT KW T Heiz,Vorlauf Reihenschaltung: Wenn Eintrittstemperatur so hoch ist, dass trotz der Abkühlbegrenzung eine ausreichende Kraftwerks- leistung zur Verfügung steht

10 Kraftwerkstechnik - Parallelschaltung von KW und HW - Thermalwasser wird auf KW und HW aufgeteilt Auskühlungen ΔT KW und ΔT HW unabhängig voneinander Bedingungen: T b,in - ΔT HW T Heiz,Rücklauf gleiche Randbedingungen, aber kleinerer Massenstrom: η th,Parallel < η th,Reihe Parallelschaltung: Wenn Thermalwassertemperatur gerade zur Versorgung des Nahwärmenetzes ausreicht

11 Kraftwerkstechnik - Verschaltung in Neustadt-Glewe - modifizierte Parallelschaltung (Kostengründe) Teilstrom des gesamten Massenstroms durch KW, anschließend Zusammen- führung gesamter Massenstrom für HW bei Misch- temperatur T m Bedingung: T m T Heiz,Vorlauf Reihenschaltung: wenn T out,KW = T Heiz,Vorlauf

12 Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -

13 Entscheidender Unterschied zum klassischen Dampfkraftprozess: Druck und Temperatur Nutzung von Wasser als Sekundärfluid nicht möglich Organische Arbeitsmittel Optimale Anpassung der thermo- dynamischen Eigenschaften an die vorhandene Wärmequelle kurzkettige Kohlenwasserstoffe Perfluorpentan synthetische Arbeitsmittel auf Silikonbasis

14 Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle - Technische Besonderheiten: Turbinen meist als Sonderanfertigungen (Unterschiede zu Wasser: Molekulargewicht, spezifische Wärmekapazität) oft aggressive Arbeitsmittel, daher Beschichtung/Korrosionsschutz von Turbine, Leitungen und Wärmeübertragern aufwendige Dichtung der Kreisläufe, teilweise schwer realisierbar durch vergleichsweise hohe Volumina sind größere Querschnittsflächen an allen Anlagenteilen erforderlich Anwendungen: bei geringem Gefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke Geothermie, KWK, solarthermische Kraftwerke, Meereswärmekraftwerke Installationen weltweit seit mehr als 25 Jahren Leistungsbereiche: kW-Bereich bis > 5 MW

15 Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -

16 Unterschied zum ORC: Verwendung eines Zweistoffgemischs (Ammoniak-Wasser) über das Verhältnis Ammoniak – Wasser optimale Anpassung des Arbeitsmediums an die thermodynamischen Eigenschaften der Wärmequelle Vorteile des Kalina-Prozesses: nicht-isotherme Verdampfung bzw. Kondensation, dadurch Annäherung an die Ideallinie der Wärmequelle und -senke geringere Verluste Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der mittleren Temperatur der Kondensation Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades

17 Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess - Technische Vor- und Nachteile: kostengünstiges und umweltfreundliches Arbeitsmedium große Wärmeübertragerflächen notwendig Zersetzung des Ammoniaks erfordert erheblichen Aufwand zum Ausschleusen der Zersetzungsprodukte Korrosion durch Ammoniak Separator und Absorber bedeuten zusätzliche Komplexität des Kreisprozesses Anwendungen: weltweit sehr wenige Anwendungen in Kalifornien, Japan, Island Leistungsbereich: 2 bis 6 MW Projekte in Deutschland: Unterhaching Offenbach

18 Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe - Wahl des Kraftwerksprozesses: strikte Begrenzung der Investitionskosten Technik, die bei akzeptablem Investitionsaufwand optimale Stromausbeute garantiert preiswerte einstufige Turbine ohne Getriebe Thermalwassertemperatur von max. 98°C Arbeitsmedium mit Siedepunkt weit unter dieser Temperatur: Perfluorpentan (C 5 F 12 ) durch hohes Molekülgewicht günstig für zweipoligen Generator bzw. 50 Hz Netzfrequenz (Drehzahl begrenzt auf 3000 U/min) deutlich günstiger als Zweistoffgemisch für Kalina-Prozess niedriger Gefrierpunkt, daher keine Einfrierproblematik

19 Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe - ORC-Anlage mit zweipoligem Synchrongenerator P N = 230 kW Einspeisung ins 20-kV-Netz zwei Kühltürme zur Kondensation Förderung des Kühlwassers aus einem 100 m tiefen Brunnen (4-5 m³/h) Stromerzeugung pro Jahr: – MWh/a (Jahresstrombedarf von ca. 500 Haushalten)

20 Neustadt-Glewe - Fazit - als Pilotanlage wichtiger Meilenstein in der geothermischen Technologieentwicklung in Deutschland erstmals Belegung theoretischer Berechnungen mit realen Kraftwerksdaten kein Prototyp für geothermische Grundlasterzeugung in Großkraftwerken aber Demonstration, dass auch Erdwärme mit geringem Energiegehalt für die Stromerzeugung nutzbar ist

21 Quellen BINE Informationsdienst: Geothermische Stromerzeugung in Neustadt- Glewe Broßmann, E. et al.: Technisches Konzept des geothermischen Kraftwerks Neustadt-Glewe. Erdwärme-Kraft GbR: Köhler, S.: Analysis of the Combined Heat and Power Plant Neustadt- Glewe Köhler, S.: Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse: Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke Köhler, S., Saadat, A.: Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung Piacentini, A.: ORC-Prozess vs. Kalina-Prozess – Wirkungsgrad, Aufwand, Kosten, Nutzen. 2005

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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