Strom- und Wärmebereitstellung aus Tiefengeothermie

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1 Strom- und Wärmebereitstellung aus Tiefengeothermie Vorlesung im Rahmen der Reihe Sonderprobleme der HLK-Technik Dr.-Ing. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung IER 1

2 Wärmequellen und Erscheinungsformen geothermischer Ressourcen Hydrothermale Erdwärmenutzung versus Enhanced Geothermal Systems Tiefe Erdwärmesonden Möglichkeiten der Tiefengeothermienutzung in Stuttgart Ergebnisse aus einem Projekt zur Tiefengeothermienutzung in Stuttgart 2

3 Wärmequellen der Erde (1) Radiogene Wärmeproduktion Wärmeproduktion durch den Zerfall langlebiger, natürlicher Isotope (Uran-238, Uran-235, Thorium-232, Kalium-40) Gravitationsenergie resultiert aus der Kontraktion von Gas, Staub, Gesteins- und Eisbrocken bei der Erdentstehung vor rund 4,5 Mrd. Jahren; die Gravitationsenergie der Massen wurde fast vollständig in Wärme umgewandelt, die jedoch zum Großteil an den Weltraum abgegeben wurde Quelle: Kaltschmitt, M. et al

4 Wärmequellen der Erde (2) natürlicher Wärmestrom fließt beständig aus dem Erdinneren zur Erdoberfläche und strahlt dort in den Weltraum ab. Er beträgt rund 65 kw/km². radiogene Wärmeproduktion Wärmeproduktion durch den Zerfall langlebiger, natürlicher Isotope (Uran-238, Uran-235, Thorium-232, Kalium-40). Spezifische Wärmeproduktion vieler Gesteine: rd. 1 µw/m³ Beispielquader: Größe: 7 km³ Wärmeproduktion: 7 kw Wärmestrom ca. 65 kw Wärmeinhalt: 1,3 EJ Erdoberfläche (ca. 10 C) 3 km (ca. 100 C) 7 km (ca. 220 C) Quelle: Jung R. et al

5 Vergleich des solaren mit dem geothermischen Wärmestrom auf der Erde Leistung, flächenspezifisch Leistung, gesamt Solare Einstrahlung 1,37 kw/m² ca. 1, W Geothermischer Wärmefluss ca. 65 mw/m² ca W Energiestrom pro Jahr ca. 5, J ca J Zum Vergleich: Primärenergieverbrauch Welt: ca J (2000) Die Einstrahlung der Sonne auf die Erdatmosphäre übertrifft den geothermischen Wärmestrom um mehr als den Faktor

6 Erscheinungsformen geothermischer Ressourcen Wärmevorkommen in den obersten Erdschichten Hydrothermale Lagerstätten Heiße, trockene Gesteine Magmavorkommen 6

7 Mittlerer Temperaturanstieg mit zunehmender Tiefe Temperatur in C Italien/Larderello Tiefe in m Rheingraben/Bruchsal Erddurchschnitt Temperatur in C Grenze des äußeren Kerns Grenze des inneren Kerns Südafrika Tiefe in km Quelle: Rau, H

8 Zu erwartende Temperaturentwicklung im Stuttgarter Untergrund /Prestel; Scholz 2002/ 8

9 Temperaturverteilung in Deutschland im Untergrund m Tiefe m Tiefe Quelle: Kayser, M. et al

10 Hydrothermale Erdwärmenutzung versus Enhanced Geothermal Systems 10

11 Hydrothermale Systeme Enhanced-Geothermal- Systems 11

12 Technisches Gesamtpotenzial einer geothermischen Stromerzeugung in Deutschland ca EJ bzw. ca TWh el 45 % 1 1 % % Nutzung über einen Zeitraum von Jahren techn. Angebotspotenzial 320 TWh el /a techn. Nachfragepotenzial 290 TWh el /a EGS Aquifere Störungszonen 12

13 Erdwärmenutzung mit einer Dublette Geothermische Heizzentrale Abnehmer Fördersonde Injektionssonde Förderbohrung Injektionsbohrung Quelle: Kayser, M

14 14

15 Schema der Erdwärmenutzung in Neustadt-Glewe P el = 210 kw Quelle: 15

16 Gebiete möglicher hydrogeothermischer Energievorräte in Deutschland Quelle: BMU

17 Anlagen zur hydrothermalen Erdwärmenutzung in Deutschland Leistung [MW geoth. ] Temperatur [ o C] Förderrate [m³/h] Tiefe der Bohrung [m] Art der Nutzung Nordostdeutschland Neubrandenburg Neustadt-Glewe Prenzlau Waren 3,8 7 0,5 1, H H, S H H Südwestdeutschland Bad Bellingen Bad Schönborn Freiburg-Mooswald Landau 0,66 0,64 0, < H, T H, T H, T H, S Süddeutschland Bad Urach Bad Buchau Erding München-Riem Pullach Simbach-Braunau Straubing Unterhaching Unterschleißheim 1 1, , , H, T H, T H, T H H H H, T H, (S) H H Heizung; S - Strom ; T Trinkwasser Quellen: Staiß 2003; Kaltschmitt, M. et al ; Lenz et al

18 Bestehende Anlagen zur hydrothermalen Erdwärmenutzung Neustadt-Glewe Landau Unterhaching Bruchsal Tiefe Förderbohrung m m m m Tiefe Injektionsbohrung m m m (Teufe) m Abstand der Bohrungen m 6 m m m Fördertemperatur der Sole C am Sondenkopf knapp 160 C 122 C 130 C Förderrate m³/h m³/h 540 m³/h 86 m³/h Technologie zur Stromerzeugung ORC ORC Kalina Kalina Elektr. Leistung bis 230 kw e 3 MW e 3,4 MW e 550 kw e Therm. Leistung 3 MW th 6 8 MW th 38 MW th 5,5 MW th Inbetriebnahme Heizwerk: 10/1994 Stromerzeug: 11/ /2007 Heizwerk 11/2007, Stromerzeug. 06/2009 Dezember

19 Prinzip der EGS-Versuchsanlage in Soultz-Sous-Forêts /Häring 2007/ 19

20 Geothermie-Projekt Soultz-Sous-Fôrets 20

21 HDR-Projekt Soultz-Sous-Fôrets Tiefe Förderbohrung Tiefe Injektionsbohrung Abstand der Bohrungen übertage Abstand der Bohrungen untertage Fördertemperatur der Sole Förderrate Technologie zur Stromerzeugung Elektr. Leistung Therm. Leistung Inbetriebnahme m m 6 m 600 m 164 C 19 l/s ORC 1,5 4,5 MW e bis 30 MW th 2008 Probebetrieb 21

22 Geothermie-Projekt Soultz-Sous-Fôrets

23 23

24 24

25 Rotary Bohranlage Bohrmast Drehtisch Hebewerk Antrieb Spülpumpe Spülungstank Flaschenzug Haken Spülkopf Mitnehmerstange Blowout Preventer (BOP) Unterbau Quelle: Kaltschmitt, M.; Huenges, E.; Wolff, H

26 26

27 Open-Hole und Cased-Hole-Komplettierung /Kabus et al. 2003/ 27

28 Möglichkeiten der Thermalwassererschließung Sekundärkreislauf Sekundärkreislauf Förderbohrung GHZ Injektionsbohrung Förderbohrung GHZ Injektionsbohrung Mindestabstand im Aquifer Mindestabstand im Aquifer Sekundärkreislauf Förderbohrung GHZ Injektionsbohrung Sekundärkreislauf Förderung Injektion GHZ Quelle: Kaltschmitt, M. et al

29 Prinzipschema des Obertageteils des Thermalwasserkreislaufs Feinfilter Druckhaltung Wärmeübertrager Grobfilter M M Injektionspumpen M Fördersonde Slop Injektionssonde 29

30 /Rogge 2004/ 30

31 Vereinfachtes Schema einer ORC-Anlage Quelle: 31

32 Wirkungsgrade von ORC-Systemen Quelle: 32

33 Vereinfachtes Schema einer Kalina-Anlage Quelle: 33

34 Wirkungsgradverlauf einer Kalina-Anlage Quelle: 34

35 Wirkungsgradverlauf von ORC- und Kalina-Anlagen im Vergleich 14 Elektr. Wirkungsgrad [%] Wirkungsgrad ORC-Prozess Wirkungsgrad Kalina-Prozess Thermalwassertemperatur [ C] 35

36 Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung 90 C Nahwärmenetz 180 C 60 C 36

37 Tiefe Erdwärmesonde 37

38 Prinzipschema einer tiefen Erdwärmesonde zu den Abnehmern bzw. zur Wärmepumpenanlage Wärme- übertrager warmes Wasser kaltes Wasser Förderung Erdoberfläche Förderrohrtour mit Isolierung Injektion Produktionsrohrtour zunehmende Tiefe und Temperatur Zementmantel Quelle: Kaltschmitt, M. et al

39 Tiefe Erdwärmesonde, eingebunden in ein Wärmeversorgungsnetz Sonde Wärmepumpe und Zusatzfeuerung Abgas Nahwärmenetz fossile Zusatzfeuerung Erdgas Wärmepumpe Wärmepumpenantrieb Quelle: Kaltschmitt, M. et al

40 Geothermie-Heizwerk Prenzlau 40

41 Technische Daten zur tiefen Erdwärmesonde in Prenzlau Prenzlau Tiefe der Bohrung Temperatur des Gesteins Temperatur des Wassers Förderrate Therm. Leistung Wärmeerzeugung Inbetriebnahme m > 108 C 60 C 12 m³/h < 500 kw th MWh/a realistisch November

42 Möglichkeiten einer Tiefengeothermienutzung in Stuttgart Durchführung von Wirtschaftlichkeitsanalysen zur Nutzung der Tiefengeothermie in Stuttgart Berechnungen für vier Standorte: Universität Stuttgart, Campus Vaihingen Krankenhaus Bad Cannstatt Fa. Porsche Zuffenhausen Fernwärmeversorgung Neugereut 42

43 Geothermische Nutzungsbereiche in Stuttgart 43

44 Abschätzung der Kostenparameter Ökonomische Daten Basic Engineering Bohrungen (Dublette in 5 km Tiefe) Stimulation Pumpen (Förder- und Injektionspumpe) spez. Kosten ORC-Anlage inkl. Verbindung zum Thermalwasserkreislauf Gesamtkosten ORC-Anlage BOP Sicherheitsreserve (5 % der Gesamtkosten) Gesamtkosten Geothermie-KW /kw 44

45 Ausbau der Tiefenbohrung am Campus Vaihingen 45

46 EEG-Vergütungssätze nach EEG-Novelle 2009 vor Anlagen < 10 MW(el) Anlagenteil > 10 MW(el) ab Anlagen < 10 MW(el) Anlagenteil > 10 MW(el) Vergütung gemäß EEG [Ct/kWh] Basisvergütung Bonus KWK Bonus petrothermale Technik (HDR) (EGS) 46

47 Steckbrief geologischer Parameter (Anlagendimensionierung) Fördertemperatur Thermalwasser (EGS) Volumenstrom Thermalwasser (EGS) spez. Entzugsleistung (TES) Jahresbetriebsstunden (TES) spez. Entzugsleistung (OES) Jahresbetriebsstunden (OES) Tiefe der Bohrung (EGS) Tiefe der Bohrung (TES) Tiefe der Bohrung (OES) C l/s W/m h W/m h m m m EGS TES OES Enhanced Geothermal Systems Tiefe Erdwärmesonde oberflächennahe Erdwärmesonde 47

48 Fördertemperatur Wasser [ C] Injektionstemperatur Wasser [ C] Volumenstrom [l/s] Pumpleistung [MW] Wirkungsgrad ORC Technische Verfügbarkeit ORC-Anlage / Kältemaschine Austrittstemperatur Wasser am Verdampfer ORC [ C] ,41 0,12 0,95 90 Thermische Leistung Geothermie [MW] Thermische Leistung Spitzenlastkessel [MW] 13,90 36,10 Wärmeerzeugung Spitzenlastkessel [GWh] Wärmeerzeugung Geothermie [GWh] El. Leistung ORC-Anlage [MW] Stromerzeugung ORC-Anlage [GWh] Kälteleistung [MW] Kälteerzeugung [GWh] 40,19 83,91 1,23 3,18 3,07 7,95 48

49 Kosten / Einnahmen [Mio. /a] EEG-Vergütung Brennstoffkosten (Erdgas) Hilfsenergie (Strom) O&M inkl. Personal Kapitalkosten Anlage 0 Ausgaben Einnahmen 49

50 Parametervariation der Wärme-/Kältegestehungskosten 50

51 Vergleich der Wärmegestehungskosten (EGS) an den verschiedenen Standorten 51

52 Bandbreite der Wärmegestehungskosten (EGS) an den verschiedenen Standorten 52

53 Wärmegestehungskosten von Erdwärmesonden-Systemen 53

54 Zusammenfassung EGS-Anlagen stellen an Standorten mit hoher Wärmenachfrage (Universität, Fa. Porsche, Neugereut) Wärme zu Gestehungskosten von 5,5 7 Ct/kWh bereit Diese Wärmegestehungskosten liegen im Bereich der Gestehungskosten konventioneller Systeme (z.b. Erdgas) Systeme zur Nutzung tiefer Erdwärmesonden (1.000 m) gehen mit Wärmegestehungskosten von rd. 41,5 Ct/kWh einher Systeme zur Nutzung oberflächennaher Erdwärmesonden (50 m) führen zu Wärmegestehungskosten von rund 10,5 Ct/kWh, weisen jedoch einen hohen Flächenbedarf auf: Für die Installation von 1 MW th sind rd m² erforderlich 54

55 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 55

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