Geothermie Wandlung zwischen Wärme und elektrische Energie Geothermie SS10, Prof. Dr. M. Koch Geothermie Amir Babazadeh 27 Juli 2010

Mit steigender Tiefe nimmt die Wärme im Durchschnitt etwa 30°C/km zu Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Energie aus der Tiefe Erdwärme ist die vierte Energiequelle nach solaren Strahlung, Planetengravitation und -bewegung und chemischer Energie Speist sich aus dem Zerfall radioaktiver Isotope (60% der abgegebenen Energie) in der Erdkruste sowie der im Erdinneren gespeicherten Energie (Erdentstehung) Ein Beitrag zur Energiebilanz von 0,02 % mit einem gesamten Wärmestrom, der auf etwa 1021 J pro Jahr geschätzt wird Mit steigender Tiefe nimmt die Wärme im Durchschnitt etwa 30°C/km zu [Quelle:www.klett.de]

In 2005-2010 neu installierte elektrische Leistung (MWe) Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Nutzung der Geothermie Schon die alten Kelten, Germanen und Römern nutzten die Geothermie in Thermalquellen Im Jahr 1913 gelang Piero Ginori Conti in der Toskana das Wasser aus dem Erdinneren für die Stromerzeugung zu nutzen (220 KW mit Wasserdampfturbinen) Erster Kraftwerk zur Stromerzeugung in Deutschland 2004 in Mecklenburg-Vorpommern (210 KW Strom) Weltweit 526 geothermischen Kraftwerke 10 715 MW installierte Leistung 5 667 246 GWh Strom/a (1er Quartal 2010) Land In 2005-2010 neu installierte elektrische Leistung (MWe) USA 529 Indonesien 400 Island 373 Neuseeland 193 Türkei 62 El Salvador 53 Italien 52 Kenia 38 Guatemala 19 Deutschland 6 [Quelle: J. Bertani: Geothermal Power Generation in the world - 2005-2010 Update Report]

Hydrothermale Geothermie Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Hydrothermale Geothermie Direkte Nutzbarmachung der Wärmeenergie von in den Aquiferen (wasserführende Gesteinsschicht) gespeichertem Thermalwasser Heiße Reservoirs (150-250°C) findet man in Gebieten mit besonders tektonischen Aktivitäten schon ab 3000 m Bohrungen: 1 Förder und 1 Reinjektionsbohrung Technologie aus Erdöl- und Erdgasgewinnung Kosten: 1 Mio.€/km Minimaler Abstand der Bohrungen: 1000m [Quelle:www.green-energy.de]

Hot-Dry-Rock Verfahren (HDR) Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Hot-Dry-Rock Verfahren (HDR) 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 Erste Anwendung in den USA in den 70er Jahren (Los Alamos) Erster Aufbau eines dauerhaften verlustfreien Zirkulationssystem 1987 im Elsass 1,5 MWel 108-144 m3/h [Quelle:www.geothermie.emerging-trails.de]

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

Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Stromerzeugungsverfahren, geschlossene Systeme 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

Vorteile: Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Hot-Dry-Rock Verfahren mit Organic Rankine Cycle Bedingungen: Geothermische Gradienten höher als 50°C/km Gute Durchlässigkeit des Gesteins (kleinere Pumpen notwendig) Gute Wärmeleitfähigkeit des Gesteins (Granit, Gneis) Fließraten von 25-100 l/s Vorteile: - Zuverlässiges und lang erforschtes Verfahren [Quelle:www.scienzz.de]

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

Wahl des Arbeitsfluids Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Wahl des Arbeitsfluids Aufgrund des flachen Verlaufs der Taulinie im T-s Diagramm sind mit Wasser hohe Überhitzungtemperaturen erforderlich 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 Organische Arbeitsmedien führen zu einen geringen Wartungsaufwand [Quelle:Universität Bayreuth]

Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Wirkungsgrad des Kreisprozesses

Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Berechnung der Enthalpie

Berechnung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Berechnung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses Nummer Fluid Phase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom ṁ [kg/s] Isopentan Flüssig 26,9 1,14 -345,72 -1,676 21,92 1 27,2 6,97 -344,56 -1,675 2 93,2 -180,35 -1,183 4 Überhitzter Dampf 98,7 108,48 -0,405 5 64,6 64,5 -0,338 Nummer Fluid Phase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom ṁ [kg/s] 11 Wasser Flüssig 130,7 - 549,4 1,642 48,42 12 99,9 418,64 1,306 24,21 13 64,5 269,98 0,887 21 Luft Gasförmig 12,8 0,84 286,29 5,703 666,53 22 26,2 299,78 5,749 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%)

Berechnung der Leistung der Anlage Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Berechnung der Leistung der Anlage Nummer Fluid Phase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom ṁ [kg/s] Isopentan Flüssig 26,9 1,14 -345,72 -1,676 21,92 1 27,2 6,97 -344,56 -1,675 2 93,2 -180,35 -1,183 4 Überhitzter Dampf 98,7 108,48 -0,405 5 64,6 64,5 -0,338 Nummer Fluid Phase Temperatur [°C] Druck [bar] Spez. Enthalpie h [KJ/kg] Spez. Entropie s [KJ/kg.K] Massenstrom ṁ [kg/s] 11 Wasser Flüssig 130,7 - 549,4 1,642 48,42 12 99,9 418,64 1,306 24,21 13 64,5 269,98 0,887 21 Luft Gasförmig 12,8 0,84 286,29 5,703 666,53 22 26,2 299,78 5,749 Die elektrische Leistung die durch diese ORC-Anlage produziert wird, beträgt 0,9 MW.

(Übertragungsverluste werden vernachlässigt) Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit Eine kleine….. 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)

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

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