ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa

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

Was ist eine ORC-Anlage… ORC-Anlage besteht aus Verdampfer Turbine Kondensator Pumpe Arbeitsmedium: organische Arbeitsfluide Wärmequellen zwischen 80 - 400 °C nutzbar Modulbauweise Leistungsbereich: ca. 5 kW bis 5 MW Wärmequelle Einführung ORC-Prozesse

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

Welche Wärmequellen bzw. Temperatur-niveaus können genutzt werden… Geothermie Niederenthalpielagerstätten Hochenthalpielagetstätten Solarthermie Biomasse Hochtemperaturabwärme Niedertemperaturabwärme Temperaturniveau Niedertemperaturprozesse Temperaturniveau bis 150 °C Hochtemperaturprozesse Temperaturniveau über 150 °C Generell werden im Bereich der tiefen Geothermie drei Arten der Wärmeentnahme aus dem Untergrund unterschieden: Hydrothermale Systeme: im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere). Petrothermale Systeme, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, in welchen künstlich eingebrachtes Wasser oder CO2 zwischen zwei tiefen Brunnen zirkuliert. Tatsächlich ist die Annahme, bei diesen Temperaturen und Tiefen trockene Gesteinsformationen vorzufinden, nicht korrekt. Aus diesem Grund existieren auch verschiedene andere Bezeichnungen für dieses Verfahren: u. a. Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) oder Enhanced Geothermal System (EGS). Eine neutrale Bezeichnung ist Petrothermale Systeme. Tiefe Erdwärmesonden: das Wärmeträgermedium zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb einer Bohrung in einem U-Rohr oder einer Koaxialsonde. Einführung ORC-Prozesse

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

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

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

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

Bekannte Hersteller von ORC-Modulen 75 - AYSOLAR sunenergy systems GmbH 10 10 - 200 Sun Power Energy GmbH ≈ 8,5 - 17 180 -225 6 - 120 Freepower bis 50 Eneftech Inc. 25 - 1000 Electratherm Inc. 8 225 UTC Power 18 270 30 - 60 Adaturb GmbH 85 20 - 50 300 30 - 240 Fraunhofer UMSICHT 6 - 25 30 - 480 Trans Pacific Energy 265 10 - 2.700 Barber Nichols 20 275 500 - 2.000 GMK mbH 270 – 320 315 - 1.500 Adoratec/Maxxtec 20,7 240 200 – 4.500 Ormat Technologies Inc. 200 - 2.000 Turboden S.r.l in % in °C in kWel NT HT Volllast-Wirkungsgrad Maximale Prozesstemperatur Netto Leistung Firma  ORC-Anlagen im Vergleich

Bekannte Hersteller von ORC-Modulen 75 - AYSOLAR sunenergy systems GmbH 10 10 - 200 Sun Power Energy GmbH ≈ 8,5 - 17 180 -225 6 - 120 Freepower bis 50 Eneftech Inc. 25 - 1000 Electratherm Inc. 8 225 UTC Power 18 270 30 - 60 Adaturb GmbH 85 20 - 50 300 30 - 240 Fraunhofer UMSICHT 6 - 25 30 - 480 Trans Pacific Energy 265 10 - 2.700 Barber Nichols 20 275 500 - 2.000 GMK mbH 270 – 320 315 - 1.500 Adoratec/Maxxtec 20,7 240 200 – 4.500 Ormat Technologies Inc. 200 - 2.000 Turboden S.r.l in % in °C in kWel NT HT Volllast-Wirkungsgrad Maximale Prozesstemperatur Netto Leistung Firma  ORC-Anlagen im Vergleich

Bekannte Hersteller von ORC-Modulen 75 - AYSOLAR sunenergy systems GmbH 10 10 - 200 Sun Power Energy GmbH ≈ 8,5 - 17 180 -225 6 - 120 Freepower bis 50 Eneftech Inc. 25 - 1000 Electratherm Inc. 8 225 UTC Power 18 270 30 - 60 Adaturb GmbH 85 20 - 50 300 30 - 240 Fraunhofer UMSICHT 6 - 25 30 - 480 Trans Pacific Energy 265 10 - 2.700 Barber Nichols 20 275 500 - 2.000 GMK mbH 270 – 320 315 - 1.500 Adoratec/Maxxtec 20,7 240 200 – 4.500 Ormat Technologies Inc. 200 - 2.000 Turboden S.r.l in % in °C in kWel NT HT Volllast-Wirkungsgrad Maximale Prozesstemperatur Netto Leistung Firma  ORC-Anlagen im Vergleich

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

Zustandsänderungen des ORC-Prozesses im T-s-Diagramm 12 Polytrope Druckerhöhung des Arbeitsmittels 23 Isobare Vorwärmung durch Rekuperator 34 Isobare Erwärmung und Verdampfung bis zum Sattdampf 45 Polytrope Entspannung des Dampfes 56 Isobare Wärmeabfuhr im Rekuperator 61 Vollständig isobare Kondensation bis zum Siedebeginn Polytrop bezeichnet die allgemeine Form einer thermodynamischen Zustandsänderung eines idealen Gases, für die gilt. Dabei wird auch Polytropenexponent genannt. Quelle: Hunstock, B; Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009 Prozessverlauf

Primärkreislauf (Thermalwasserkreislauf) Bohrloch 1: Thermalwasser-Zulauf bei 100 °C bis 250 °C Verdampfer Bohrloch 2: Thermalwasser-Rücklauf (ca. 80°C) Thermalwässer (1), die mit einer Temperatur von 100ºC bis 250ºC aus Heißwasseraquiferen (Aquifer = Grund- oder Mineralwasser enthaltende Erdschicht) oder nach dem Hot-Dry-Rock Verfahren zur Erdoberfläche gelangen, durchströmen einen Verdampfer (2), der aufgrund der hohen Salzfracht und der gelösten Gase aus speziell legierten, salzbeständigen Stählen besteht. Das auf rund 80ºC abgekühlte Thermalwasser kann direkt in das Bohrloch (3) reinjiziert werden oder zur Wärmeversorgung von Fernwärmenetzen dienen. Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/1 2 Verdampfer 4 Frischdampfleitung 5 ORC-Turbine 6 Generator Im Verdampfer (2) wird die Wärmeenergie des Thermalwassers an ein organisches Arbeitsmedium übertragen, das sich im im Sekundärkreis des Verdampfers (2) befindet. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um ein speziell entwickeltes und von GMK patentiertes Arbeitsfluid. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften expandiert es bei Beaufschlagung mit dem energiereichen Thermalwasser und gelangt über die Frischdampfleitung (4) zum ORC-Turbogenerator (5&6), wo es durch Entspannung Expansionsarbeit leistet. Der Turbine 5) ist ein Generator (6) zur Erzeugung von Elektroenergie nachgeschaltet. Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/2 5 ORC-Turbine 7 Rekuperator 8 Kondensator 9 Speisepumpe Der nach dem Durchlaufen der ORC-Turbine (5) entspannte Dampf gelangt nach dem Austritt in den Rekuperator (7), in dem er zunächst seine Restenergie an das verflüssigte Arbeitsmedium abgibt. Anschließend gelangt der Abdampf in den Kondensator (8), der durch einen Nasskühlturm oder einen Luft-kondensator gekühlt wird. Im Kondensator wird das Arbeitsmedium verflüssigt, um über den Kondensatsammelbehälter der Speisepumpe (9) zugeführt zu werden. Diese fördert das Arbeitsmedium über den Rekuperator (7) zum Vorwärmer/Verdampfer, um den Kreisprozess zu schließen und fortlaufen zu lassen. Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

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

Hochenthalpielagerstätten Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen Spezifische Enthalpie größer 2000 kJ/kg mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe förderbar Land Anzahl der Vulkane Ressource in MWel USA 133 23.000 Japan 100 20.000 Indonesien 126 16.000 Philippinen 53 6.000 Mexiko 35 Island 33 5.800 Neuseeland 19 3.650 Italien (Toskana) 3 700 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hochenthalpie#Hochenthalpie-Lagerst.C3.A4tten Geothermie als Wärmequelle

Niederenthalpielagerstätten Oberflächennahe Geothermie Bohrtiefen bis 400 m Temperaturniveau bis 25 °C nur indirekte Nutzung (Wärmepumpe) Tiefen Geothermie Bohrtiefen von 400 bis 6.000 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

Geothermie als Wärmequelle Tiefe Erdwärmesonden Geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung Zirkulation von Wärmeträgerfluid in koaxialen Rohr Bohrtiefen bis ca. 3000 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

Hydrothermale Geothermie Anzapfung natürlicher Thermalwasservorkommen aus großen Tiefen Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten) Bohrtiefe bis ca. 2000 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

Hot-Dry-Rock-Verfahren Erdwärme aus einer Tiefe zwischen 3.000 und 6.000 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

Nutzung der Tiefen-Geothermie Quelle: http://www.gebo-nds.de/typo3temp/pics/66e41c98f8.png Geothermie als Wärmequelle

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

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

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

Technische Daten Heizwerk 1994 Inbetriebnahme Geothermie-Heizwerk Thermische Leistung Heizwerk: 4 - 5 MW Gaskessel: 10 MW Mittlere Wärmeabgabe: 16.000 MWh/a davon 98 % durch Geothermie, 2% durch Gaskessel ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe

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

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

Quellen http://www.igatec.de/?q=de/geothermie (13.09.2010) Hagmann, J; Kollektoren und Wärmekraftmaschinen – Potenzialstudie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Fraunhofer ISE, Freiburg, 2008; http://www.mss-csp.info/cms/upload/pdf/6_medifres-jh-080130-wirtschaftlichkeit.pdf (13.09.2010) Hunstock, B.: Auswertung der Messdaten einer an einen Biogasmotor gekoppelten Organic-Rankine-Cycle Anlage, Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009 Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004; http://www.life-needs-power.de/2004/pdfs/040421_12.00.pdf (13.09.2010) http://www.erdwaerme-kraft.de/ (13.09.2010) http://de.wikipedia.org/wiki/Hochenthalpie#Hochenthalpie-Lagerst.C3.A4tten (13.09.2010)

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 Nur 2 Projekte in Deutschland!!!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fazit

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

Hot-Dry-Rock-Verfahren Projekte Max. Gesteinstemp. [°C] Tiefe des Reservoirs [m] Wasser-Verluste [%] Thermische Leistung [MWhth] Los Alamos (USA) 232 3500 <10 ~5 Rosemanowes (UK) 80 2000 ~25 ~4 Hijiori (Japan) 270 2200 ~7 Soultz (F) 168 ~11 202 5000 ~50 Quelle: http://www.soultz.net/version-en.htm Geothermie als Wärmequelle