Stand und Perspektiven geothermischer Stromerzeugung

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1 Stand und Perspektiven geothermischer Stromerzeugung Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff 1,2 Dipl.-Ing. Christoph Wieland 1 8. Internationale Geothermiekonferenz Freiburg, 24. Mai : Lehrstuhl für Energiesysteme, Technische Universität München 2: Bayerisches Zentrum für Angewandte Energien, ZAE Bayern

2 Inhalt 1. Übersicht der geothermischen Stromerzeugung Weltweit Deutschland 2. Verfügbare Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Kreisprozesse Technologievergleich Wärmeübertragung ORC-Arbeitsmedien 3. Wirtschaftlichkeit 4. Ausblick 2

3 Leistung in GW Technische Universität München Entwicklung der installierten geothermischen Leistung : MW Quelle: Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the World Update Report,

4 Stand der geothermischen Stromerzeugung (Daten 2010) Weltweit installierte Leistung: MW Erzeugte Strommenge: 67,2 TWh (0,32 % der weltweiten Stromerzeugung) Vergleich: Wärmeerzeugung durch Geothermie: 121,7 TWh Geothermische Kraftwerke in 24 Ländern der Welt Gesamtstromerzeugung TWh Erneuerbare TWh Geothermie 67 TWh 4

5 Verteilung der installierten geothermischen Leistung USA: 3093 Island: 575 Italien: 843 Japan: 536 Mexiko: 958 El Salvador: 204 Costa Rica: 166 Kenia: 167 Philippinen: 1904 Indonesien: 1197 Alle Zahlen- Werte in MW Sonstige: 446 Neuseeland: 628 Quelle: Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the World Update Report,

6 Geothermische Stromerzeugung in Deutschland Neustadt-Glewe 0,2 MW (ORC) Landau 3 MW (ORC) Unterhaching 3,36 MW (Kalina) Bruchsal 0,55 MW (Kalina) Simbach/Braunau 0,2 MW (ORC) Quelle: GtV Bundesverband Geothermie, Stand: Februar

7 Geothermische Stromerzeugung in Deutschland Unterhaching Landau Bruchsal Simbach/ Braunau Neustadt- Glewe Technologie Kalina ORC Kalina ORC ORC Leistung Strom Wärme Inbetriebnahme Strom Wärme Arbeitsfluid Bohrung Teufe [m] Temperatur [ C] Förderrate [l/s] Betreiber 3,36 MW 38 MW Wasser- Ammoniak Geothermie Unterhaching GmbH&Co KG 3 MW 4,5 MW Isopentan geo x GmbH 0,55 MW 5,5 MW Wasser- Ammoniak EnBW und ewb GmbH 0,2 MW 7 MW R134a Geothermie Simbach Braunau GmbH 0,23 MW 5,5 MW Perfluorpentan Erdwärme-Kraft GbR 7

8 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Dry Steam Single Flash Double Flash Kraftwerke mit Binärkreislauf Organic Rankine Cycle (ORC) Kalina Cycle Hybridkraftwerke: Kombination aus einem Direct Steam- bzw. Flash-Kreislauf mit einem oder mehreren Binärkreisläufen 8

9 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Dry Steam Single Flash Double Flash ORC Kalina Name Ort Jahr Leistung Arbeitsfluid Valle Secolo II Larderello, ITA ,5 MW Wasser Miravalles I Costa Rica ,0 MW Wasser Beowawe Nevada, USA ,0 MW Wasser Mammoth I California, USA x 3,5MW Isobutan Husavik Island ,7 MW Wasser/NH3 Thermalfluid Massenstrom Temperatur 111,1 kg/s 204 C 759,5 kg/s 230 C 157,5 kg/s 215 C 220,5 kg/s 169 C 90 kg/s 122 C Turbine Eingangsdruck Eingangstemp. Ausgangsdruck Massenstrom 5,50 bar C 0,080 bar 111,1 kg/s 6,00 bar 159 C 0,125 bar 114,0 kg/s 4,21/0,93 bar 146/99 C 0,044 bar 22,3/12,2 kg/s 33,79 bar 138 C variabel 92,0 kg/s 32,0 bar 120 C 5,6 bar 12,5 kg/s Wirkungsgrad exergetisch thermisch (für Kreislauf) 57,6 % - 29,5 % - 46,7 % - 22,7 % 8,1 % 23,1 % 10,6 % 9

10 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Nutzung von Reservoiren mit gesättigtem oder überhitztem Dampf (Dry Steam) Heißwasser bzw. Zweiphasengemisch (Flash) Turbine wird direkt mit dem Thermalfluid aus der Förderbohrung beaufschlagt Für Single bzw. Double Flash-Kreisläufe vorgeschaltete einstufige bzw. zweistufige Entspannung des Fluids mit anschließender Phasentrennung Kondensiertes Wasser kann im Kühlkreislauf genutzt und/oder mittels einer Reinjektionsbohrung ins Reservoir zurückgeführt werden 10

11 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Dry Steam: Schaltplan 3 4 G 1 Produktionsbohrung 2 Injektionsbohrung 3 Turbine/Generator 4 Kondensator 5 Pumpe

12 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Dry Steam: T-s-Diagramm 1-2 Entspannung ins Nassdampfgebiet 2-3 Kondensation

13 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Single Flash: Schaltplan 1 Produktionsbohrung Injektionsbohrung 3 Drossel 4 Separator 6 5 Turbine/Generator 6 Kondensator 7 7 Pumpe

14 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Single Flash: T-s-Diagramm Flashverdampfung 2-3 Abtrennung flüssiges Wasser 2-4 Abtrennung Dampf 4-5 Entspannung 5-6 Kondensation

15 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Double Flash: Schaltplan 1 Produktionsbohrung Injektionsbohrung 3,5 Drossel 4,6 Separator Hochdruckturbine 8 Niederdruckturbine 9 Generator Kondensator 11 Pumpe

16 Kraftwerke mit direkter Nutzung des Thermalfluides Double Flash: T-s-Diagramm Flashverdampfung 2-3 Abtrennung flüssiges Wasser 2-4 Abtrennung Dampf Flashverdampfung 5-6 Abtrennung flüssiges Wasser 5-7 Abtrennung Dampf 4-8 Entspannung HD 9-10 Entspannung ND Kondensation 16

17 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Kraftwerke mit Binärkreislauf Anwendung bei geringer Temperatur geringem Druck hohem Gasgehalt im Thermalwasser aggressivem Thermalwasser Wärmeabgabe an einen Sekundärkreislauf Anpassung des Arbeitsmittels an die Reservoirtemperatur Organische Arbeitsmedien bei ORC Wasser-Ammoniak-Mischung bei Kalina Cycle 17

18 Temperatur Isentrope Kompression Isentrope Expansion Temperatur Isentrope Expansion Technische Universität München Kreisprozesse für die Thermische Energieerzeugung Definieren einer oberen Grenze für die Umwandelbarkeit von Wärme in mechanische Energie Carnot-Kreisprozess Dreiecksprozess Isotherme Wärmezufuhr Isotherme Wärmeabgabe Entropie Isotherme Wärmeabgabe Entropie 18

19 Temperatur [ C] Technische Universität München Wärmeübertragung - Exergetische Betrachtung T H,ein T K,aus Wärmequelle ΔT Pinch Exergie Zerstörung η ex,wt = T H,ein T H,aus T H,ein T EV = 1 η ex,wt Arbeitsmedium Exergie Verluste η ex,wü = T K,i T T H,i T EZ = 1 η ex,wü Wärmemenge [%]

20 Temeperatur T [ C] Technische Universität München Limitierung der Wärmeübertragung T Pinch = 20 K T Pinch = 20 K Übertragene Übertragene Wärmemenge Q [%] Q [%] Maximaltemperatur des Kreisprozesses: T max Limitierung des Wärmeübergangs durch den Pinch-Point Bemerkung: Der Pinch-Point ist die minimale auftretende Temperaturdifferenz, bei der Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere. WÜ = 28 % WÜ = 44 % T max = 160 C T max = 130 C 20

21 Systemwirkungsgrad η sys = η WÜ η Kreisprozess Der Carnot-Kreisprozess ermöglicht den besten thermisches Wirkungsgrad. Der Dreiecksprozess besitzt hingegen den besseren Systemwirkungsgrad. In Wirklichkeit wird eine Mischung aus beiden Kreisprozessen eingesetzt. 21

22 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Schaltplan Produktionsbohrung 2 Injektionsbohrung 3 Verdampfer 4 Vorwärmer 5 Turbine/Generator 6 Rekuperator 7 Kondensator 8 Pumpe 22

23 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: T-s-Diagramm 1-2 Erwärmung im Rekuperator 2-3 Vorwärmung 3-4 Verdampfung Entspannung 5-6 Kühlung im Rekuperator 6-7 Kondensation 1-7 Druckerhöhung 23

24 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC-Kraftwerk Sauerlach (2-Druck Prozess) Niederdruck Hochdruck 24

25 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC-Kraftwerk Sauerlach (2-Druck Prozess) Arbeitsmedium: R245fa Elektrischer Wirkungsgrad (Auslegung): η el = 13,11% (TUM) η el = 13,08% (Turboden) Frischdampfparameter Niederdruckkreislauf p ND = 5,12 bar T ND = 65,17 C Hochdruckkreislauf p HD = 13,734 bar T HD = 104,99 C 25

26 Temperatur Temperatur Temperatur Technische Universität München Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Arbeitsmedien Entropie Trockene Fluide Expansion endet nicht im Nassdampf Rekuperation notwendig Bspw. R22 Entropie Nasse Fluide Expansion ins Nassdampfgebiet Überhitzung notwendig Bspw. Isopentan Entropie isentrope Fluide Idealer Kreislauf Keine Überhitzung Keine Rekuperation Bspw. R11 26

27 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Arbeitsmedien Unterscheidung der Art der Arbeitsmedien im T-s-Diagramm Definition zur Charakterisierung der Dampf-Sättigungslinie Inverse Steigung der Dampf-Sättigungslinie über ξ = ds Nasse Fluide ξ < 0 Isentrope Fluide ξ = 0 Trockene Fluide ξ > 0 dt Anmerkung: Zur Charakterisierung wird die Inverse Steigung verwendet, da ansonsten ξ für Isentrope Fluide gehen würde 27

28 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Vergleich verschiedener organischer Arbeitsmedien Wasser Ammoniak 28

29 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Vergleich verschiedener organischer Arbeitsmedien 29

30 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC: Physikalische Eigenschaften von Arbeitsmedien Latente Wärme Δh v, Dichte ρ und spezifische Wärmekapazität c p Δh v, ρ, c p Führt zu hohen Energiedichten im Kreislauf Geringe Volumenströme Kompaktere Wärmetauscher/Geringere Anlagengröße Geringere Pumpenleistungen Δh v und ρ, c p Bessere Kreislaufwirkungsgrade können erreicht werden 30

31 Kraftwerke mit Binärkreislauf Kalina Cycle In den 70er Jahren von Alexander Kalina entwickelter und patentierter Kraftwerksprozess mit einem Ammoniak-Wasser- Gemisch (zeotrop) als Arbeitsmittel Trennung vor dem Turbineneintritt in eine ammoniak-reiche Dampfphase und eine ammoniak-arme Flüssigphase Nichtisotherme Verdampfung bzw. Kondensation aufgrund von Desorption bzw. Absorption bessere Angleichung an Wärmequelle und -senke geringere Wärmeübertragungsverluste höherer thermischer Wirkungsgrad Bestehende Anlagen in Unterhaching, Bruchsal und Husavik/Island 31

32 Kraftwerke mit Binärkreislauf Kalina: Schaltplan Produktionsbohrung 2 Injektionsbohrung Verdampfer 4 Separator 5 Turbine/Generator 7 6 Hochtemperatur- Rekuperator Niedertemperatur- Rekuperator 8 Kondensator 9 Pumpe 32

33 Temperatur Temperatur Technische Universität München Kraftwerke mit Binärkreislauf Kalina Cycle: T-Q-Diagramme Desorption/Verdampfung Absorption/Kondensation Kalina ORC Kalina ORC Wärmemenge Wärmemenge 33

34 Kraftwerke mit Binärkreislauf ORC vs. Kalina Höherer thermischer Wirkungsgrad für Kalina, insbesondere im niedrigen Temperaturbereich und bei Luftkühlung Größere Wärmetauscherflächen für Kalina aufgrund kleinerer Temperaturdifferenzen und des schlechteren Wärmeübergangs bei der Absorption bzw. Desorption Jahrzehntelange Erfahrung mit ORC-Anlagen (etwa 1,2 GW der geothermisch installierte Leistung), dagegen nur sehr wenig Erfahrung mit Kalina-Anlagen Geringere Auskühlung des Thermalwassers bei Kalina, d.h. günstiger für evtl. zusätzliche Wärmenutzung Insgesamt etwas günstigere spezifische Investitionskosten für ORC 34

35 Reservoirtemperatur in C Technische Universität München Technologien zur geothermischen Stromerzeugung 400 Dry Steam Single/Double Flash ORC Kalina Leistungsband geothermischer Anlagen in MW Quelle: Siemens PG 35

36 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Anteile nach installierter Leistung 20% 27% 1% 11% 41% Binary Single Flash Double Flash Dry Steam Back Pressure Quelle: Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the World Update Report,

37 Leistung in MW Technische Universität München Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Durchschnittliche Anlagengröße Binary Back Pressure Single Flash Double Flash Dry Steam Quelle: Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the World Update Report,

38 Technologien zur geothermischen Stromerzeugung Stromgestehungskosten EGS Binary Flash Dry Steam ca.70 ca. 60 ca Kosten in /MWh Quelle: Bertani, R.: Geothermal Energy in the World: Current Status and Future Scenarios Report,

39 Kostenaufteilung eines geothermischen Kraftwerks Kraftwerk 16% Sonstige Technik 7% Exploration 7% Bohrplatz 2% Versicherung 10% Bohrungen 58% Quelle: Dobschütz A. & Reif T.: Finanzierung und Wirtschaftlichkeit von Projekten der Tiefengeothermie, 2009 Mit Abstand die größten Kostenfaktoren sind die Bohrungen Der Kraftwerksblock zur Stromerzeugung besitzt nur einen geringen Anteil, ist aber für die Wirtschaftlichkeit eines Projektes (möglichst hohe Verfügbarkeit und hoher Wirkungsgrad) von enormer Bedeutung 39

40 Leistung in GW Anteil an der Stromerzeugung Technische Universität München Ausblick 160 6% 140 5% % 80 3% 60 2% % 0 0% Quelle: IPCC, Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Geothermal Energy,

41 Ausblick Enorme Ausweitung des geothermischen Potentials durch EGS, Enhanced Geothermal Systems (2050: 50% der installierten Kapazität) Zukünftiger Ausbau abhängig von der Preisentwicklung fossiler Energieträger und anderer erneuerbarer Energiequellen Großes Potential bei niedrigen Temperaturen (ORC und Kalina), insbesondere in Verbindung mit verbesserten Bohrtechnologien Materialbeständigkeit von Wärmetauschern für Binärkreisläufe Anpassen des Arbeitsmediums an die Abwärmequelle Überkritische Prozesse und der Einsatz von Zeotropen Arbeitsmedien 41

42 Stand und Perspektiven geothermischer Stromerzeugung Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff 1,2 Dipl.-Ing. Christoph Wieland 1 8. Internationale Geothermiekonferenz Freiburg, 24. Mai : Lehrstuhl für Energiesysteme, Technische Universität München 2: Bayerisches Zentrum für Angewandte Energien, ZAE Bayern