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ORC-Erdwärme-Kraftwerke

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

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ORC-Erdwärme-Kraftwerke

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Presentation Transcript

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

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

  3. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

  14. Zustandsänderungen des ORC-Prozesses im T-s-Diagramm 12Polytrope 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 Quelle: Hunstock, B; Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009 Prozessverlauf

  15. Primärkreislauf (Thermalwasserkreislauf) • Bohrloch 1: Thermalwasser-Zulauf bei 100 °C bis 250 °C • Verdampfer • Bohrloch 2: Thermalwasser-Rücklauf (ca. 80°C) Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

  16. Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/1 2 Verdampfer 4 Frischdampfleitung 5 ORC-Turbine 6 Generator Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

  17. Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/2 5 ORC-Turbine 7 Rekuperator 8 Kondensator 9 Speisepumpe Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html? Prozessverlauf

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

  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 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hochenthalpie#Hochenthalpie-Lagerst.C3.A4tten Geothermie als Wärmequelle

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

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

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

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

  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. 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

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

  31. 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)

  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. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fazit

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

  35. Hot-Dry-Rock-Verfahren Quelle: http://www.soultz.net/version-en.htm Geothermie als Wärmequelle

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