Geothermische Stromerzeugung - Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe -

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

2. 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

3. 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)

4. Heizwerk Neustadt-Glewe • seit 1994 Heizwerk • Förderbohrung: 2250 mInjektionsbohrung: 2335 mAbstand: 1,78 km • Temperatur des Thermalwassers: 97°C • Pth = 3 MWth • Wth = 16.000 MWh/a • Fernwärme an: • Wohngebiet • kleinere Gewerbekunden • Lederwerk

5. 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

6. 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)

7. 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

8. 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)

9. 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

10. 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  Parallelschaltung: Wenn Thermalwassertemperatur gerade zur Versorgung des Nahwärmenetzes ausreicht Kraftwerkstechnik -Parallelschaltung von KW und HW -

11. Kraftwerkstechnik -Verschaltung in Neustadt-Glewe - • modifizierte Parallelschaltung(Kostengründe) • Teilstrom des gesamtenMassenstroms durch KW, anschließend Zusammen-führung gesamter Massenstrom für HW bei Misch- temperatur Tm • Bedingung: Tm ≥ THeiz,Vorlauf • Reihenschaltung:wenn Tout,KW = THeiz,Vorlauf

12. Kraftwerkstechnik- Organic Rankine Cycle -

13. 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

14. 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

15. Kraftwerkstechnik- Kalina-Prozess -

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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)

20. 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

21. 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

22. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!