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Geothermische Stromerzeugung- Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe -
Vortrag in der VorlesungGeophysik/Geothermie
Katharina Steffes4. September 2008
Gliederung
1. Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe
2. Heizwerk Neustadt-Glewe
3. Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
4. Kraftwerkstechnik Prozesstypen KWK Verschaltungsmöglichkeiten ORC ↔ Kalina-Prozess Umsetzung in Neustadt-Glewe
5. 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)
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
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
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
Parallelschaltung: Wenn Thermalwassertemperatur gerade zur Versorgung des Nahwärmenetzes ausreicht
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
Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -
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
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
Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -
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
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
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!