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

Gliederung Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe Heizwerk Neustadt-Glewe Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe Kraftwerkstechnik Prozesstypen KWK Verschaltungsmöglichkeiten ORC ↔ Kalina-Prozess Umsetzung in Neustadt-Glewe Neustadt-Glewe – Fazit

Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe Deutschland: Temperaturen zwischen 40 und 190°C in 1.000 bis 5.000 m Tiefe Neustadt-Glewe: in 2.000 m Tiefe 90-100°C Poren-Sandsteinspeicher mit großem Thermalwasservorkommen hoher Eisen- und Salzgehalt (80 – 350 g/l) Wasser zirkuliert zwischen gesteinsbildenden Körnern, Strömungsquerschnitte: mm² bis cm² Norddeutschland: hoher Salzgehalt, Süddeutschland: Trinkwasserqualität Meerwasser: ~35 g Salz/l

Heizwerk Neustadt-Glewe seit 1994 Heizwerk Förderbohrung: 2250 m Injektionsbohrung: 2335 m Abstand: 1,78 km Temperatur des Thermalwassers: 97°C Pth = 3 MWth Wth = 16.000 MWh/a Fernwärme an: Wohngebiet kleinere Gewerbekunden Lederwerk Thermalwasser steigt auf Grund des Überdrucks in der Erde bis ca. 100m unter die Erdoberfläche; Pumpe in 260m Tiefe fördert das Wasser nach oben Fördermenge: ~110 m³/h T bei Reinjizierung: 50°C 90 – 95% des Wärmebedarfs geothermisch gedeckt, der Rest über Spitzenlast-Gaskessel

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

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: 800.000 € Gesellschafter der Erdwärme-Kraft-GbR: Vattenfall Europe, Berlin (94,26 %) WEMAG AG, Schwerin (5,74 %) Konzept: wärmegeführtes Heizkraftwerk (Vorrang der Wärmeversorgung)

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

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)

Kraftwerkstechnik - Reihenschaltung von KW und HW - Thermalwasser durchfließt zuerst KW und dann HW Bedingungen: THW,in ≥ THeiz,Vorlauf THW,out ≥ THeiz,Rücklauf  THW,in = Tb,in – ΔTKW ≥ THeiz,Vorlauf  Reihenschaltung: Wenn Eintrittstemperatur so hoch ist, dass trotz der Abkühlbegrenzung eine ausreichende Kraftwerks- leistung zur Verfügung steht Beispiel für diese Verschaltung: Husavik / Island: Thermalwasser wird in KW von 121°C auf 80 °C abgekühlt und dann im Nahwärmenetz des Ortes genutzt

Kraftwerkstechnik - Parallelschaltung von KW und HW - Thermalwasser wird auf KW und HW aufgeteilt Auskühlungen ΔTKW und ΔTHW unabhängig voneinander Bedingungen: Tb,in - ΔTHW ≥ THeiz,Rücklauf gleiche Randbedingungen, aber kleinerer Massenstrom: ηth,Parallel < ηth,Reihe Q_punkt=m_punkt*c_p*(T_in-T_out) m sinkt  T_out sinkt  größeres delta_T  sinkende mittlere Temperatur der Wärmezufuhr  sinkender Wirkungsgrad Stellgröße zur Regelung: Massenstrom gut geeignet, um im Sommer überschüssige Wärme zur Stromerzeugung zu nutzen Bereitstellung von el. Energie und Wärme also nicht unbedingt gleichzeitig Beispiel: Altheim / Österreich: 100 l/s Thermalwasser mit 106°C  Parallelschaltung: Wenn Thermalwassertemperatur gerade zur Versorgung des Nahwärmenetzes ausreicht

Kraftwerkstechnik - Verschaltung in Neustadt-Glewe - modifizierte Parallelschaltung (Kostengründe) Teilstrom des gesamten Massenstroms durch KW, anschließend Zusammen- führung  gesamter Massenstrom für HW bei Misch- temperatur Tm Bedingung: Tm ≥ THeiz,Vorlauf Reihenschaltung: wenn Tout,KW = THeiz,Vorlauf echte Parallelschaltung: Abstand Förderbohrung und HW: 500m, KW direkt an der Förderbohrung  zusätzlicher Leitungsaufwand m_punkt_KW durch KW  Abkühlung um delta_T_KW  Zusammenführung mit noch nicht abgekühltem Massenstrom

Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle - Prinzip wie bei Clausius-Rankine Thermalwasser gibt Wärme über Verdampfer und Vorwärmer an Arbeitsmittel ab und wird reinjiziert Vorerwärmung, Verdampfung, Überhitzung des Arbeitsmittels Entspannung in der Turbine  Generator Kondensation Druckerhöhung

Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle - 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 T,s-Diagramm: Wasser: Entspannung an der Turbine über die Taulinie ins Nassdampfgebiet organische Arbeitsmittel: Entspannung außerhalb des Nassdampfgebietes, Überhitzung nimmt zu  Abdampf am Turbinenaustritt überhitzt, muss zunächst isobar abgeführt werden, erst dann Kondensation Erhöhung des th. Wirkungsgrades durch: Anheben des oberen Prozessdrucks Absenken des unteren Prozessdrucks Überhitzung des Frischdampfs regenerative Speisewasservorwärmung Wahl des Arbeitsmittels

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 Turbinen: Arbeitsmittel unterscheiden sich stark von Wasser

Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess - Erdwärme wird auf die in den Rekuperatoren vorerwärmte Grundlösung übertragen Abscheider: ammoniakreicher Dampf und ammoniakarme Lösung werden getrennt a) ammoniakarme Lösung direkt in HT-Rekuperator  Vorwärmung der Grundlösung b) Dampf entspannt in der Turbine Stoffströme in Mischer zusammengeführt  Wärmeabfuhr (Teil in NT-Rekuperator)

Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess - 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 kein fester Siedepunkt

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

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 (C5F12) 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 Siedepunkt C5F12: 31°C hohes Molekülgewicht  hohe Bewegungsenergie der Moleküle

Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe - ORC-Anlage mit zweipoligem Synchrongenerator PN = 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: 1.400 – 1.600 MWh/a (Jahresstrombedarf von ca. 500 Haushalten)

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

Quellen BINE Informationsdienst: Geothermische Stromerzeugung in Neustadt-Glewe. 2003 Broßmann, E. et al.: Technisches Konzept des geothermischen Kraftwerks Neustadt-Glewe. Erdwärme-Kraft GbR: http://www.erdwaerme-kraft.de/ Köhler, S.: Analysis of the Combined Heat and Power Plant Neustadt-Glewe. 2005 Köhler, S.: Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse: Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke. 2005 Köhler, S., Saadat, A.: Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung. 2000 Piacentini, A.: ORC-Prozess vs. Kalina-Prozess – Wirkungsgrad, Aufwand, Kosten, Nutzen. 2005

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