Wie aus Erdwärme Strom wird

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1 Wie aus Erdwärme Strom wird Geozentrum Hannover Vortrag am Grontmij GmbH Dipl.-Ing. Matthias Gerwe 1

2 Inhalt: - Grundlagen der Kraftwerkstechnik - Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) - Der Kalina-Prozess - Das Geothermieheizkraftwerk Sauerlach 2

3 Kurzvorstellung der Grontmij Niederländische Aktiengesellschaft, gelistet an der Euronext Reines Consulting-/Planungsgeschäft, keine Lieferinteressen Umsatz 2010: > 1 Mrd. Beschäftigte 2010: ~ Vertreten in Nord-West-Europa in den Ländern: Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Niederlande, Polen, Schweden, UK u. a. Tätigkeitsfelder: Planung & Gestaltung Transport & Mobilität Wasser & Energie 3

4 Grontmij GmbH Tätigkeitsfeld: Planung & Gestaltung 4

5 Grontmij GmbH Tätigkeitsfeld: Transport & Mobilität 5

6 Grontmij GmbH Tätigkeitsfeld: Wasser & Energie 6

7 Grundlagen der Kraftwerkstechnik Der Clausius-Rankine-Prozess: im p-v-diagramm (Quelle: Wikipedia) 1 (Quelle: Wikipedia) 1-2: Druckerhöhung 2-3: Verdampfung 3-4: Entspannung 4-1: Kondensation 1 4 7

8 Grundlagen der Kraftwerkstechnik Der Clausius-Rankine-Prozess im konventionellen Kraftwerk: (gelb: wie vor; rosa: Hochdruckprozess mit Zwischenüberhitzung, HD- und ND-Turbine) Zustandsänderungen: 1-2: Druckerhöhung Speisewasser 2-3: Temperaturerhöhung Speisewasser auf Verdampfungstemperatur 3-4: Verdampfung Speisewasser 4-5: Überhitzung Sattdampf 5-6: Entspannung in der Turbine 6-1: Kondensation (Quelle: Wikipedia) 8

9 Grundlagen der Kraftwerkstechnik Konventionelles Kohlekraftwerk 9

10 Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess): Unterschiede zum normalen Rankine-Prozess: - Arbeitsmedium ist nicht Wasser, sondern ein organisches Fluid (einfache Kohlenwasserstoffe, FKW s, Silikonöle mit niedrigen Siedetemperaturen) - Temperaturniveau der Verdampfung ist viel niedriger - Druckniveau des Prozesses ist viel niedriger - Die ORC-Fluide weisen eine wesentlich niedrigere Verdampfungsenthalpie auf (große Massen-/Volumenströme) - Geschlossener, dichter Kreislauf (keine Fluid-Verluste; beim konventionellen Prozess Abschlämm-/Absalzverluste) 10

11 Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) in der Geothermie einfacher ORC-Prozess Quelle: GeoForschungsZentrum Potsdam 11

12 Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) in der Geothermie LT-Turbine Generator HT-Turbine zweistufiger ORC-Prozess LT- Verdampfer HT- Verdampfer Förderbohrung HHT- Vorwärmer LT- Vorwärmer LHT- Vorwärmer Rückkühlung Speisepumpe Injektionsbohrung Speisepumpe 12

13 Der Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) in der Geothermie Wärmeübertragung beim zweistufigen ORC-Prozess (qualitativ) (NT) (HT) 13

14 Der Kalina-Prozess Entwicklung in den 70er Jahren durch den russischen Ingenieur Alexander Kalina. Im Gegensatz zum ORC-Prozess wird der Kalina-Prozess nicht mit einem Einstofffluid, sondern mit dem Zweistoffgemisch Wasser/Ammoniak betrieben. Der Kalina-Prozess macht sich die Eigenschaften zu Nutze, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gemisches (NH 3 -Konzentration) gleitende Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen bei konstantem Druck einstellen zu können. Sehr gute Anpassung des Prozessverlaufs an das Wärme-abgebende Medium (Thermalwasser) und Wärme-aufnehmende Medium (Kühlwasser) möglich, dadurch verbesserter Wirkungsgrad. 14

15 Der Kalina-Prozess (inkl. Fernwärmeauskopplung) 15

16 Der Kalina-Prozess Wärmeübertragung beim Kalina-Prozess (qualitativ) 16

17 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach Bauentwurf (Quelle: SWM) 17

18 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach (Quelle: SWM) 18

19 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach Bauherr: Stadtwerke München (SWM) Technische Daten: - eine Förderbohrung, Ergiebigkeit ca. 110 l/s, Temperatur bis 142 C - zwei Reinjektionsbohrungen (Rücklauftemperatur 41 C - 53 C) - zweistufiger ORC-Prozess - Pentafluorpropan (R245fa) als Arbeitsmittel (nicht brennbar, nicht explosiv, ungiftig, kein Ozonabbaupotential) - thermische Entnahmeleistung aus dem Thermalwasser: ca kw - elektrische Leistung des ORC-Prozesses: kw (7,4 C) - Fernwärmeauskopplung: bis zu kw zur Einspeisung in das vorhandene Fernwärmesystem der Gemeinde Sauerlach 19

20 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach (Quelle: SWM) 20

21 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach Druckhaltebehälter Thermalwasserfilter ORC-Wärmetauscher FW-Auskopplung (Quelle: SWM) Förderbohrung Stickstoffflaschen (Druckhaltung) Reinjektionsbohrungen 21

22 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach (Quelle: SWM) 22

23 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach Gesamtwirkungsgrad ca. 12,6 % (bei AT 7,4 C) elekt. Leistung ORC-Anlage [kw] Gesamtwirkungsgrad ca. 21,4 % (bei AT 7,4 C) ohne FW-Auskopplung [kw] mit FW-Auskopplung [kw] Außentemperatur [ C] 23

24 Das Geothermieheizkraftwerk (GTK) Sauerlach Die Grontmij bedankt sich für Ihre Aufmerksamkeit! 24

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