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Wandlung zwischen Wärme und elektrische Energie Geothermie SS10, Prof. Dr. M. Koch 1 Geothermie Amir Babazadeh27 Juli 2010.

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1 Wandlung zwischen Wärme und elektrische Energie Geothermie SS10, Prof. Dr. M. Koch 1 Geothermie Amir Babazadeh27 Juli 2010

2 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 2 o Erdwärme ist die vierte Energiequelle nach solaren Strahlung, Planetengravitation und -bewegung und chemischer Energie o Speist sich aus dem Zerfall radioaktiver Isotope (60% der abgegebenen Energie) in der Erdkruste sowie der im Erdinneren gespeicherten Energie (Erdentstehung) o Ein Beitrag zur Energiebilanz von 0,02 % mit einem gesamten Wärmestrom, der auf etwa J pro Jahr geschätzt wird o Mit steigender Tiefe nimmt die Wärme im Durchschnitt etwa 30°C/km zu [Quelle:www.klett.de] Energie aus der Tiefe

3 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 3 o Schon die alten Kelten, Germanen und Römern nutzten die Geothermie in Thermalquellen o Im Jahr 1913 gelang Piero Ginori Conti in der Toskana das Wasser aus dem Erdinneren für die Stromerzeugung zu nutzen (220 KW mit Wasserdampfturbinen) o Erster Kraftwerk zur Stromerzeugung in Deutschland 2004 in Mecklenburg-Vorpommern (210 KW Strom) o Weltweit 526 geothermischen Kraftwerke MW installierte Leistung GWh Strom/a (1 er Quartal 2010) [Quelle: J. Bertani: Geothermal Power Generation in the world Update Report] Nutzung der Geothermie Land In neu installierte elektrische Leistung (MWe) USA529 Indonesien400 Island373 Neuseeland193 Türkei62 El Salvador53 Italien52 Kenia38 Guatemala19 Deutschland6

4 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 4 o Direkte Nutzbarmachung der Wärmeenergie von in den Aquiferen (wasserführende Gesteinsschicht) gespeichertem Thermalwasser o Heiße Reservoirs ( °C) findet man in Gebieten mit besonders tektonischen Aktivitäten schon ab 3000 m o Bohrungen: 1 Förder und 1 Reinjektionsbohrung Technologie aus Erdöl- und Erdgasgewinnung Kosten: 1 Mio./km Minimaler Abstand der Bohrungen: 1000m Hydrothermale Geothermie [Quelle:www.green-energy.de]

5 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 5 o Künstlich geschaffenes unterirdisches Zirkulationssystem mit hoch gepresstes kaltes Wasser Aufreißen des Gesteins parallel zum Bohrloch ( 5000 m Tiefe) Risse mit Längen von 100 m bei Breiten von weniger als 10 mm o Erste Anwendung in den USA in den 70 er Jahren (Los Alamos) o Erster Aufbau eines dauerhaften verlustfreien Zirkulationssystem 1987 im Elsass 1,5 MWel m 3 /h Hot-Dry-Rock Verfahren (HDR) [Quelle:www.geothermie.emerging- trails.de]

6 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 6 o Theoretisch erreichbares Maximum (Umwandlung Wärme – mechanische Arbeit) Carnot Wirkungsgrad Bei 130°C heißem Wasser, das auf 20°C zurückgeführt wird beträgt er 27% o Offene Systeme (direkte Nutzung des heißen Thermalwasser) Wasserdampfturbinen Kommt nur selten im Einsatz: - Korrosion Probleme durch hochmineralisiertes Wasser - Hohe Temperaturen und hohen Dampfanteil notwendig Stromerzeugungsverfahren, offene Systeme

7 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 7 o Übertragung des Thermalfluids auf einen zweiten Stoff: Wasser Stoffe, die über einen deutlich niedrigen Siedepunkt verfügen (η ): - Organic Rankine Cycle (ORC) : Prozesse die mit Isopentan oder Fluorkohlenstoffe arbeiten - Kalina Verfahren : Arbeitsfluid ist ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak Stromerzeugungsverfahren, geschlossene Systeme

8 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 8 o Bedingungen: - Geothermische Gradienten höher als 50°C/km - Gute Durchlässigkeit des Gesteins (kleinere Pumpen notwendig) - Gute Wärmeleitfähigkeit des Gesteins (Granit, Gneis) - Fließraten von l/s o Vorteile: - Zuverlässiges und lang erforschtes Verfahren Hot-Dry-Rock Verfahren mit Organic Rankine Cycle [Quelle:www.scienzz.de]

9 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 9 Organic Rankine Cycle o 1-4 : Isobare Wärmezufuhr Das Arbeitsmedium wird dank eines Wärmetauchers auf die Siedetemperatur erwärmt, dann verdampft und wird schließlich überhitzt o 4-5 : Isentrope Expansion Der Frischdampf wird in einer Dampfturbine entspannt. Die dabei geleistete Arbeit wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt o 5-0 : Isobare Kondensation Die Wärmeabfuhr erfolgt im Kondensator nahezu bei Umgebungstemperatur o 0-1 : Isentrope Druckerhöhung Der Druck wird in der Speisepumpe durch Aufwand von Arbeit aufgebracht [Quelle:Universität Bayreuth]

10 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 10 Wahl des Arbeitsfluids o Aufgrund des flachen Verlaufs der Taulinie im T-s Diagramm sind mit Wasser hohe Überhitzungtemperaturen erforderlich o Bei organischen Arbeitsmedien wie Isopentan verlauft die Taulinie steiler Das hohe Gefälle der Taulinie erlaubt es die Turbine kavitationsfrei (keine Bildung von Wasser) auch bei geringer Überhitzung zu fahren o Organische Arbeitsmedien führen zu einen geringen Wartungsaufwand [Quelle:Universität Bayreuth]

11 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 11 Wirkungsgrad des Kreisprozesses

12 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 12 Berechnung der Enthalpie

13 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 13 Berechnung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses NummerFluidPhase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom [kg/s] 0IsopentanFlüssig26,91,14-345,72-1,67621,92 1IsopentanFlüssig27,26,97-344,56-1,67521,92 2IsopentanFlüssig93,26,97-180,35-1,18321,92 4IsopentanÜberhitzter Dampf98,76,97108,48-0,40521,92 5IsopentanÜberhitzter Dampf64,61,1464,5-0,33821,92 o Man erreicht einen Wirkungsgrad von 9,45%, für ein geothermisches Wasser, das von 130,7°C auf 64,5°C abgekühlt wird (Carnot: 16,3%) NummerFluidPhase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom [kg/s] 11WasserFlüssig130,7-549,41,64248,42 12WasserFlüssig99,9-418,641,30624,21 13WasserFlüssig64,5-269,980,88724,21 21LuftGasförmig12,80,84286,295,703666,53 22LuftGasförmig26,20,84299,785,749666,53

14 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 14 Berechnung der Leistung der Anlage NummerFluidPhase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom [kg/s] 0IsopentanFlüssig26,91,14-345,72-1,67621,92 1IsopentanFlüssig27,26,97-344,56-1,67521,92 2IsopentanFlüssig93,26,97-180,35-1,18321,92 4IsopentanÜberhitzter Dampf98,76,97108,48-0,40521,92 5IsopentanÜberhitzter Dampf64,61,1464,5-0,33821,92 o Die elektrische Leistung die durch diese ORC-Anlage produziert wird, beträgt 0,9 MW. NummerFluidPhase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom [kg/s] 11WasserFlüssig130,7-549,41,64248,42 12WasserFlüssig99,9-418,641,30624,21 13WasserFlüssig64,5-269,980,88724,21 21LuftGasförmig12,80,84286,295,703666,53 22LuftGasförmig26,20,84299,785,749666,53

15 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 15 o Wenn wir davon ausgehen, dass unsere Anlage eine Leistung von 0,9 MW hat, und dass der jährliche Stromverbrauch pro Person 1800 KWh/a beträgt, wie viele Personen könnten durch unsere geothermische Anlage versorgt werden? (Übertragungsverluste werden vernachlässigt) Eine kleine…..

16 BeschreibungStates of Art Gewählte Technologie ThermodynamikVersorgungFazit 16 Kernaussagen o Bau ist mit einem erheblichen finanziellen Aufwand und großen Flächenbedarf verbunden (besser dank EEG) Erdbebenrisiko o Erdwärme bedeutet stabile, gesicherte Grundversorgung an Strom aus erneuerbarem Rohstoff Zu jeder Zeit und bei jedem Wetter verfügbar Unerschöpflicher Vorrat (ggü fossile Energieträger) o Das unterirdische Zirkulationssystem kann künstlich geschaffen werden ( Potential) Hot-Dry-Rock Verfahren o Großes Optimierungspotential bei Wahl des Arbeitsfluids und der Betriebstemperaturen (ORC, Kalina Verfahren)

17 17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?...


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