Geothermische ORC Anlagen Wirtschaftlichkeit und Flexibilität

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1 Geothermische ORC Anlagen Wirtschaftlichkeit und Flexibilität Dipl.-Ing. Christoph Wieland Lehrstuhl für Energiesysteme Technische Universität München VDI-Tagung Stromerzeugung aus Abwärme mittels ORC Frankfurt

2 Inhalt 1. Einführung in die Geothermie Weltweit, Deutschland, Bayern, Bayerische Molasse 2. Was sind Geothermische Kraftwerke? Arten, Wärmeübertragung, Optimiertes Anlagendesign 3. Geothermische KWK KWK-Varianten, Wärmeverbraucher 4. Wirtschaftlichkeit von Geothermieprojekten Zeithorizonte, Kostenstrukturen, Beispiele 5. Ausblick 6. Zusammenfassung 2

3 1. Geothermie Standorte - Weltweit USA: 3093 Island: 575 Italien: 843 Geothermische Nutzung konzentriert sich an tektonischen Grenzflächen aufgrund von lokal hohen Temperaturgradienten im Erdmantel 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 uelle: Bertani, R.: Geothermal Power Generation in the World Update Report,

4 1. Geothermie Standorte Deutschland Neustadt-Glewe 0,2 MW el Landau 3 MW el Bruchsal 0,55 MW el Simbach/Braunau 0,2 MW el Unterhaching 3,36 MW el Sauerlach 5 MW el etc. 4

5 Donau Isar Mangfall Technische Universität München Bayerisches Molassebecken N Anomalie im Bayerischen Molassebecken: Wasserführende Kalksteinschicht S Freising Erding München sinkt zu den Alpen hin Rottach- ab. Thermalwassertemperaturen steigen mit zunehmender EgernTiefe m NN SBM USM OMM 0m NN 1000 USM Thermal-Wasserführende Kalksteinschicht (Malm) UMM Molasse Kreide C 65 C 94 C 120 C

6 1. Projekte im Süddeutschen Molassebecken Südlich von München existieren gute Randbedingungen für Stromerzeugung aus Geothermie. Viele Projekte sind dort entweder geplant, bereits realisiert oder im Bau befindlich. Wärme Projekte realisiert oder im Bau Historische uellen uelle: Dr. Knapek Nutzung der Tiefen Geothermie in Bayern Strom Projekte realisiert oder im Bau Strom Projekte geplant 6

7 Reservoirtemperatur in C Technische Universität München 2. Geothermische Kraftwerke Kalina Single/Double Flash ORC Fazit: Zur Niedertemperaturnutzung in Deutschland nur ORC- und Kalina- Technologie Dry Steam sinnvoll Leistungsgrößen sind auf etwa 50 MW beschränkt Leistungsband geothermischer Anlagen in MW uelle: Siemens PG 7

8 Temperatur [ C] Technische Universität München 2. Wärmeübertragung allgemein (am Beispiel ORC) 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 Wärmemenge [%] EZ = 1 η ex,wü Fazit für Kreisprozess: Exergie Zerstörung muss minimiert werden Exergie Verluste müssen minimiert werden 8

9 2. Geothermische Kraftwerke T Hohe Exergieverluste T Hohe Exergiezerstörung bei der Vorwärmung durch hohe Temperaturdifferenz T Thermodynamisch beste Lösung für den Kreisprozess Verschieben der Wärme Mehr Wärme für Verdampfung im ND-Teil und gleichem Pinch-Point Klassischer ORC Hohe Exergieverluste 2-Druck Prozess Geringere Exergieverluste 2-Druck Prozess mit Split Geringere Exergieverluste und Exergiezerstörung Systemkomplexität steigt Systemwirkungsgrad steigt 9

10 2. Geothermische Kraftwerke (Beispiel Sauerlach) ORC-Kraftwerk Sauerlach (2-Druck Prozess) Niederdruck Hochdruck Besonderheiten 2-Druck Prozess Split des Thermalwassers durch zwei Vorwärmer 10

11 Reine Stromerzeugung Seriell KWK-Nutzung Technische Universität München 3. Geothermische KWK Fazit I: KWK ermöglicht gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und Strom Stromkennzahl σ quantifiziert die Flexibilität der KWK-Bereitstellung. P max P el σ = P max P el P min P min 0 th 0 min max th 11

12 Parallel KWK-Nutzung Seriell-Parallel KWK-Nutzung Technische Universität München 3. Geothermische KWK Fazit II: Größere Systemkomplexität ermöglicht flexiblere Bereitstellung von Strom und Wärme Mehr Jahresvolllaststunden Bessere Wirtschaftlichkeit P el P el P max P max P min P min 0 min th max,1 max,2 0 min max,1 th max,2 12

13 normierte Heizlast [%] normierte Heizlast [%] Technische Universität München 3. Jahresdauerlinie von Wärmeverbraucher Industrie Volllaststunden Schule Residuallast für Strom h/jahr h/jahr Eine Jahresdauerlinie stellt den geordneten, abfallenden Bedarf einer Größe über das Jahr dar. Auslegung der Geothermie auf hohe Volllaststunden Rest durch Spitzenlastkessel Residuallast für Stromerzeugung 13

14 4. Wirtschaftlichkeit Investitionen und Zeithorizonte > 15 Jahre 1-2 Jahre 2-4 Jahre < 5 Jahre > 30 Jahre Planungszeit Planungsbeginn Bau- und Inbetriebnahmezeit Baubeginn Kapitalrückflussdauer (Darlehen) wirtschaftliche Nutzungsdauer technische Lebensdauer Zeit Zeithorizonte bei Geothermie weisen deutliche Unterschiede auf! 1. Hohe Vorleistung durch Bohrung 2. Risiko der Fündigkeit 3. Danach Planung von Kraftwerksblock Fertigstellung Abnahme durch den Auftraggeber Beginn des Dauerbetriebes uelle: VL Energie und Wirtschaft, TUM 14

15 4. Wirtschaftlichkeit Kostenfaktoren Kraftwerk 16% Sonstige Technik 7% Exploration 7% Bohrplatz 2% Versicherung 10% Bohrungen 58% Größter Kostenfaktoren: Bohrungen Kraftwerksblock ist relativ geringer Kostenfaktor hat entscheidenden Einfluss auf Wirtschaftlichkeit durch Verfügbarkeit und Wirkungsgrad uelle: Dobschütz A. & Reif T.: Finanzierung und Wirtschaftlichkeit von Projekten der Tiefengeothermie,

16 Kosten in Kosten in Technische Universität München 4. Wirtschaftlichkeit Kostenstrukturen Gaskraftwerk Geothermiekraftwerk Geothermiekraftwerke besitzen geringe variable Kosten, da die geothermische Wärme keine Kosten verursacht hohe Fixkosten aufgrund hoher Anfangsinvestitionen 0 Betriebsstunden pro Jahr Betriebsstunden pro Jahr 8760 Fixkosten (Kapitalkosten, Personal, etc.) Variable Kosten (Brennstoff, Verbrauchsmaterialien, etc.) 16

17 Stromgestehungskosten in ct/kwh Stromgestehungskosten in ct/kwh Technische Universität München 4. Wirtschaftlichkeit Stromgestehungskosten Gaskraftwerk Geothermiekraftwerk Geothermiekraftwerke benötigen eine hohe Verfügbarkeit eine hohe Volllaststundenzahl um wirtschaftlich betrieben werden zu können. 0 Betriebsstunden pro Jahr Betriebsstunden pro Jahr 8760 Fixkosten (Kapitalkosten, Personal, etc.) Variable Kosten (Brennstoff, Verbrauchsmaterialien, etc.) 17

18 Stromgestehungskosten [ct/kwh el ] Wärmegestehungskosten (ohne (mit Netz) [ct/kwh th th ] ] Technische Universität München 4. Wirtschaftlichkeit 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Stromgestehungskosten für verschiedene Geothermieprojekte im Durchschnitt bei 22,5 ct/kwh el (Vergütung EEG: 25 ct/kwh el + 5ct/kWh el Technologiebonus) Wärmegestehungskosten für verschiedene Geothermieprojekte im Durchschnitt bei 6,38 ct/kwh th (8,15 ct/kwh th ) uelle: Utz, A.: Wirtschaftlichkeit der (tiefen) Geothermie in Deutschland Status uo, WFG, Karlsruhe

19 4. Wirtschaftlichkeit Stromgestehungskosten EGS Binary Flash Dry Steam ca.70 ca. 60 ca Kosten in /MWh Prognose: Stromgestehungskosten 9 ct/kwh uelle: Bertani, R.: Geothermal Energy in the World: Current Status and Future Scenarios Report,

20 Leistung in GW Anteil an der Stromerzeugung Technische Universität München 5. Ausblick % 5% 4% 3% 2% 1% Prognose: Zukünftiger Zubau geothermischer Stromerzeugung, weil grundlastfähig und mit geringen CO 2 Emissionen 0 0% uelle: IPCC, Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Geothermal Energy,

21 6. Zusammenfassung Geothermiestandorte in Deutschland sind vorhanden Mögliche Technologien zur Stromerzeugung: ORC (Kalina) Möglichkeiten zur KWK-Integration sind vielfältig Flexibilität entscheidend für Anlagenauslastung und letzten Endes auch für die Wirtschaftlichkeit Geothermische Energie wird zukünftig weiter ausgebaut werden 21

22 Geothermische ORC Anlagen Wirtschaftlichkeit und Flexibilität Dipl.-Ing. Christoph Wieland Lehrstuhl für Energiesysteme Technische Universität München VDI-Tagung Stromerzeugung aus Abwärme mittels ORC Frankfurt

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