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1 ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa.

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Präsentation zum Thema: "1 ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa."—  Präsentation transkript:

1 1 ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa

2 2 Agenda Einführung ORC-Prozesse ORC-Anlagen im Vergleich Prozessverlauf Geothermie als Wärmequelle ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

3 3 Was ist eine ORC-Anlage… ORC-Anlage besteht aus Verdampfer Turbine Kondensator Pumpe Arbeitsmedium: organische Arbeitsfluide Wärmequellen zwischen °C nutzbar Modulbauweise Leistungsbereich: ca. 5 kW bis 5 MW Einführung ORC-Prozesse Wärmequelle

4 4 Wofür ist der ORC-Prozess gut bzw. welche Vorteile gibt es… geringe Verdampfungstemperatur der ORC-Medien im Vergleich zu Wasser geringer Wasserverbrauch bei Nutzung von Trockenkühlern technisch ausreichend erprobt (vgl. Kalina Prozess) effiziente Alternative zum CRC-Prozess keine Gefahr der Turbine durch Tropfenschlag sehr gute Teillastfähigkeit Einführung ORC-Prozesse

5 5 Welche Wärmequellen bzw. Temperatur- niveaus können genutzt werden… Wärmequelle Geothermie Niederenthalpielagerstätten Hochenthalpielagetstätten Solarthermie Biomasse Hochtemperaturabwärme Niedertemperaturabwärme Temperaturniveau Niedertemperaturprozesse Temperaturniveau bis 150 °C Hochtemperaturprozesse Temperaturniveau über 150 °C Einführung ORC-Prozesse

6 6 Welche organischen Arbeitsfluide werden eingesetzt… Silikonöle (Polyorganosiloxane) Kohlenwasserstoffe (Alkane, Naphtene, Aromaten: Pentan, Cyclohexan, Benzol, etc.) Kältemittel (fluorierte und halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.B. R264) das Arbeitsmedium muss an die standortbezogenen Bedingungen angepasst werden Einführung ORC-Prozesse

7 7 Agenda Einführung ORC-Prozesse ORC-Anlagen im Vergleich Prozessverlauf Geothermie als Wärmequelle ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

8 8 Teillastfähigkeit von ORC-Modulen Leistung 1 MW el, Temperaturniveau von 300 °C Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008 ORC-Anlagen im Vergleich

9 9 Investitionskostenvergleich verschiedener Arbeitsmaschinen Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008 ORC-Anlagen im Vergleich

10 10 Bekannte Hersteller von ORC-Modulen ORC-Anlagen im Vergleich

11 11 Bekannte Hersteller von ORC-Modulen ORC-Anlagen im Vergleich

12 12 Bekannte Hersteller von ORC-Modulen ORC-Anlagen im Vergleich

13 13 Agenda Einführung ORC-Prozesse ORC-Anlagen im Vergleich Prozessverlauf Geothermie als Wärmequelle ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

14 14 Zustandsänderungen des ORC-Prozesses im T-s-Diagramm 1 2Polytrope Druckerhöhung des Arbeitsmittels 2 3Isobare Vorwärmung durch Rekuperator 3 4Isobare Erwärmung und Verdampfung bis zum Sattdampf 4 5Polytrope Entspannung des Dampfes 5 6Isobare Wärmeabfuhr im Rekuperator 6 1Vollständig isobare Kondensation bis zum Siedebeginn Quelle: Hunstock, B; Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009 Prozessverlauf

15 15 Primärkreislauf (Thermalwasserkreislauf) 1Bohrloch 1: Thermalwasser-Zulauf bei 100 °C bis 250 °C 2Verdampfer 3Bohrloch 2: Thermalwasser-Rücklauf (ca. 80°C) Quelle: Prozessverlauf

16 16 Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/1 2Verdampfer 4Frischdampfleitung 5ORC-Turbine 6Generator Quelle: Prozessverlauf

17 17 Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/2 5ORC-Turbine 7Rekuperator 8Kondensator 9Speisepumpe Quelle: Prozessverlauf

18 18 Agenda Einführung ORC-Prozesse ORC-Anlagen im Vergleich Prozessverlauf Geothermie als Wärmequelle ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

19 19 Hochenthalpielagerstätten Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen Spezifische Enthalpie größer 2000 kJ/kg mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe förderbar LandAnzahl der VulkaneRessource in MW el USA Japan Indonesien Philippinen Mexiko Island Neuseeland Italien (Toskana)3700 Quelle: Geothermie als Wärmequelle

20 20 Niederenthalpielagerstätten Oberflächennahe Geothermie Bohrtiefen bis 400 m Temperaturniveau bis 25 °C nur indirekte Nutzung (Wärmepumpe) Tiefen Geothermie Bohrtiefen von 400 bis m mittlere Temperatursteigerung entspricht 30 Kelvin pro Kilometer Temperaturniveau etwa bis ca. 200 °C direkte Nutzung möglich (ORC) 3 Verfahren zur Wärmeentnahme: (Tiefen-)Erdwärmesonden Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme: HDR (Hot-Dry-Rock) Geothermie als Wärmequelle

21 21 Tiefe Erdwärmesonden Geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung Zirkulation von Wärmeträgerfluid in koaxialen Rohr Bohrtiefen bis ca m Kein Kontakt des Wärmeträgerfluids mit dem Erdreich Wärmeübertragungsfläche gering, daher geringe Wärme- Entzugsleistung Direktverdampfende Systeme möglich (Heat-Pipes) höhere Wärme-Entzugsleistung (Verdampfungsenthalpie) Geothermie als Wärmequelle

22 22 Hydrothermale Geothermie Anzapfung natürlicher Thermalwasservorkommen aus großen Tiefen Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten) Bohrtiefe bis ca m Temperaturen, die eine direkte Nutzung (Stromerzeugung) ermöglichen Thermalwasserzirkulation zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter direkte Nutzung des Thermalwassers möglich Wasseraufbereitung nötig Geothermie als Wärmequelle

23 23 Hot-Dry-Rock-Verfahren Erdwärme aus einer Tiefe zwischen und Metern Verfahren zur Herstellung eines überdimensionalen Wärmeübertragers im Erdreich zwischen zwei Bohrungen Erweiterung von natürlichen Rissen in unterirdischen Gebirgsformationen, durch Einpressen von Wasser unter hohem Druck Erhöhung der Permeabilität Veränderung des Spannungsfeldes im Untergrund, daher Gefahr von leichten Erdstößen (Bsp.: Basel 2007) Geothermie als Wärmequelle

24 24 Nutzung der Tiefen-Geothermie Quelle: Geothermie als Wärmequelle

25 25 Agenda Einführung ORC-Prozesse ORC-Anlagen im Vergleich Prozessverlauf Geothermie als Wärmequelle ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

26 26 Anlagenschema Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004 ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

27 27 Thermalwasserkreislauf Tiefe der Förderbohrung: 2250 m Tiefe der Injektionsbohrung: 2335 m Abstand der Bohrungen: 1780 m Temperatur des Thermalwassers: 98 °C Salzgehalt 227 g/l (Totes Meer: 300 g/l) Volumenstrom Thermalwasser 40 bis 110 m3/h ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

28 Inbetriebnahme Geothermie-Heizwerk Thermische Leistung Heizwerk: MW Gaskessel: 10 MW Mittlere Wärmeabgabe: MWh/a davon 98 % durch Geothermie, 2% durch Gaskessel Technische Daten Heizwerk ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

29 29 Technische Daten ORC-Prozess 2003 Inbetriebnahme ORC-Kraftwerk Elektrische Leistung ORC-Modul: 210 kW ORC-Kraftwerksbetrieb nur im Sommer Stromerzeugung 1500 MWh/a (Jahresstrombedarf von 500 Haushalten) ORC-Turbine Verdampfungstemperatur: 75 °C Verdampfungsdruck: 4 bar Kondensatordruck: 1 bar Arbeitsmedium: Perfluoropentan (C5F12) Gesamtwirkungsgrad ORC-Prozess: 6,5 % ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

30 30 ORC-ModulTrockenkühler Chemische Wasseraufbereitung Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004 ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

31 31 Quellen ( ) Hagmann, J; Kollektoren und Wärmekraftmaschinen – Potenzialstudie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Fraunhofer ISE, Freiburg, 2008; ( ) Hunstock, B.: Auswertung der Messdaten einer an einen Biogasmotor gekoppelten Organic-Rankine-Cycle Anlage, Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009 Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004; ( ) ( ) ( )

32 32 Fazit ORC-Prozess… …ist geeignete Technologie zur Erschließung von Niederenthalpie- Lagerstätten für die Stromerzeugung … ermöglicht die Nutzung von hydrothermalen- oder petrothermalen Verfahren … ist mit vergleichsweise hohen Wirkungsgraden realisierbar … hat ein sehr gutes Teillastverhalten … ermöglicht die Expansion in den überhitzten Bereich kein Tropfenschlag … hat niedrige Wartungs- und Instandhaltungskosten... ist derzeit eher ein Nischenmarkt

33 33 Fazit Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

34 34

35 35 T-s-Diagramme im Vergleich Wasser-Dampf Prozess ORC-Prozess Prozessverlauf

36 36 Hot-Dry-Rock-Verfahren Projekte Max. Gesteinstemp. [°C] Tiefe des Reservoirs [m] Wasser- Verluste [%] Thermische Leistung [MWh th ] Los Alamos (USA) <10~5 Rosemanowes (UK)802000~25~4 Hijiori (Japan) ~25~7 Soultz (F) ~11 Soultz (F) ~50 Quelle: Geothermie als Wärmequelle


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