Ermittlung des Einflusses effizienzsteigernder Maßnahmen auf die Ökobilanz von ORC-Geothermieanlagen

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1 Ermittlung des Einflusses effizienzsteigernder Maßnahmen auf die Ökobilanz von ORC-Geothermieanlagen Sebastian Janczik, Martin Kaltschmitt Der Geothermiekongress 2013 Workshop 3: Umwelteffekte von Obertage-Geothermieanlagen 14. November 2013 Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Eißendorfer Straße 40, D Hamburg,

2 Hintergrund Erneuerbare Energien sollen zukünftig eine noch tragendere Rolle im deutschen Energiesystem spielen. In diesem Kontext wird auch von der tiefen Geothermie erwartet, dass sie einen größeren Beitrag zur Deckung der Energienachfrage leistet. Untersuchungen aus der Vergangenheit haben gezeigt: dass geothermische Kraft- und Heizkraftwerke bei einer Wirkungsbetrachtung des gesamten Lebensweges eine positive Umweltbilanz aufweisen und damit durchaus merklich zur Reduzierung der energiebedingten Umweltauswirkungen beitragen können. Die Umweltbilanz der entsprechenden Anlagen lässt sich dabei aller Voraussicht nach noch verbessern, wenn die Effizienz der übertägigen Kraftwerke weiter gesteigert und dadurch die Energiebereitstellung maximiert werden kann. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

3 Zielstellung Aus diesem Grund ist es das Ziel dieser Untersuchung: die durch umgesetzte effizienzsteigernde Maßnahmen hervorgerufenen Umwelteffekte von ORC-Anlagen bei der geothermischen Strom- bzw. kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung durch eine datengestützte Bilanzierung zu erheben und so die Bewertungsgrundlage zu verbessern. Hierzu sollen: repräsentative Referenzanlagen ohne Einsatz von effizienzsteigernden Maßnahmen und repräsentative Referenzanlagen mit umgesetzten Maßnahmen zu Effizienzsteigerung anhand der Ökobilanz-Methodik untersucht und verglichen werden. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

4 Vorgehen DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

5 Referenzanlagen I Hamburg Rostock Norddeutsches Becken 1 Groß Schönebeck * Hannover 2 1 Berlin Oberrheingraben 2 Landau 3 Insheim 4 Bruchsal Leipzig Köln Dresden Frankfurt Stuttgart Molasse Becken 5 Taufkirchen * 6 Unterhaching 7 Kirchstockach 8 Sauerlach 9 Dürnhaar 10 Oberhaching * 11 Kirchweidach * 12 Traunreut * Quelle: GFZ * im Bau, Stand November 2013 DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

6 Referenzanlagen III Referenzanlagen ohne umgesetzte Effizienzsteigerungsmaßnahmen Anlagen Anlage A Anlage B Anlage C Bohrtiefe in m Förderrate in l/s k. A. Fördertemperatur in C k. A. Geoth. Förderleistung 3 in kw k. A. Wirkungsgrad (Brutto) 3 in % 8,9 2 2,1 2 k. A. elektr. Leistung in kw therm. Leistung in kw Arbeitsmittel - Isopentan 1 Isobutan 1 SES36 1 Leckage in %/a Volllasstunden Strom in h/a Volllaststunden Wärme in h/a elektr. Arbeit in GWh/a 13,2 1 9,0 2 6,0 2 therm. Arbeit in TJ/a Ergebnisse aus der Sekundärstatistischen Erhebung; 2 abgeschätzt; 3 bezogen auf 15 C DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

7 Referenzanlagen IV Prinzip geoth. HKW DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

8 Referenzanlagen IV Prinzip geoth. HKW Stromerzeugung auf niedrigem Temperaturniveau Technologieentwicklung bei thermodynamischen Restriktionen DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

9 Referenzanlage V Referenzanlagen mit umgesetzten Effizienzsteigerungsmaßnahmen Anlagen Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Anlage E Anlage F Bohrtiefe in m Förderrate in l/s Fördertemperatur in C Geoth. Förderleistung 3 in kw Wirkungsgrad (brutto) 3 in % 5,1 2 5,1 2 9,8 2 8,6 2 7,0 2 7,3 2 elektr. Leistung in kw therm. Leistung in kw Arbeitsmittel - NH 3 /H NH 3 /H Isopentan 1 R245 fa 1 R245 fa 1 R245 fa 1 Leckage in %/a Volllasstunden Strom in h/a Volllaststunden Wärme in h/a elektr. Arbeit in GWh/a 2,75 2 8,4 1 28, therm. Arbeit in TJ/a Ergebnisse aus der Sekundärstatistischen Erhebung; 2 abgeschätzt; 3 bezogen auf 15 C DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

10 Ökobilanz - Vorgehen Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens Sachbilanz Wirkungsabschätzung Auswertung [ISO und 14044] I. Festlegung des Ziels & Untersuchungsrahmens: - Räumliche und zeitliche Systemgrenze II. Sachbilanz: - Quantifizierung relevanter Input- & Output- Flüsse III. Wirkungsabschätzung: - Zuordnung der Input- und Output-Ströme - Zusammenfassung zu Indikatorwert IV. Auswertung: - Vergleich und Diskussion der Umwelteinflüsse - Schlussfolgerungen DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

11 Ökobilanz Ziel und Untersuchungsrahmen Das Ziel dieser Untersuchung ist es, ausgewählte ökologische Kenngrößen einer geothermischen Strom- bzw. kombinierten Strom- und Wärmebereitstellung zu erheben. Fokus bildet dabei der übertägige Anlagenteil (d. h. Thermalwasserkreislauf, Kraft- bzw. Heizkraftwerk, Kondensationsanlage). Als funktionelle Einheit wird die Nettoerzeugung einer GWh Strom definiert. Wird bei den KWK-Optionen zusätzlich Nutzwärme in Koppelproduktion bereitgestellt, wird zur Ermittlung der ökologischen Kenngrößen eine exergetische Allokation durchgeführt. Es werden die im Jahr 2012 in Deutschland vorliegenden Gegebenheiten (z. B. Strommix) und Randbedingungen zugrunde gelegt. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

12 Ökobilanz - Sachbilanz Quantifizierung aller Energie- und Massenströme, die zur Erzeugung einer GWh Strom nötig sind, im Verlauf des gesamten Lebensweges. Gliederung in geeignete Teilsysteme (d. h. Prozesskettenanalyse). Übergeordnete Systeme bilden dabei: Quelle: Frick, 2009 DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

13 Ökobilanz - Wirkungsabschätzung Im dritten Schritt, der Wirkungsabschätzung, erfolgt die Berechnung der potenziellen Umweltwirkungen aus den in der Sachbilanz erhobenen Stoffströmen. Hierzu werden die Ergebnisse der Sachbilanz den zu untersuchenden Wirkungen auf die natürliche Umwelt zugeordnet. Hier wird der erzeugte Strom (d. h. Nettostrom) im Hinblick: auf den Verbrauch erschöpflicher Energieressourcen (d. h. Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle, Uran), der primärenergetisch bewertet wird, auf den Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt und auf die Versauerung terrestrischer Ökosysteme analysiert. Wirkungskategorie Wirkungsindikator Substanzen Verbrauch erschöpflicher fossiler Energieaufwand Erdöl, Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Uran Energieressourcen Anthropogener Treibhauseffekt CO 2 -Äquivalente CO 2 (1) a, CH 4 (25) a, N 2 O (310) a, SF 6 (22 200) a, CF4 (5 700) a, C 2 F 6 (11 900) a Versauerung natürlicher Ökosysteme SO 2 -Äquivalente SO x als SO 2 (1) b, NO x als NO 2 (0,7) b, NH 3 (1,88) b, HCl (0,88) b, HF (1,6) b, H 2 S (1,88) b a Wichtungsfaktoren bezogen auf einen Zeithorizont von 100 Jahren in kg CO 2 -Äquivalenten je kg Schadstoff; b Wichtungsfaktoren in kg SO 2 - Äquivalenten je kg Schadstoff DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

14 Ökobilanz Auswertung I CO 2 - Äquivalentemissionen KW Bau Bohrung Bau Energiebereitstellungsanlage Bau Fernwärmenetz Betrieb CO 2 - Äquivalentemissionen HKW Rückbau DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

15 Ökobilanz Auswertung II Referenzanlagen ohne umgesetzte Effizienzsteigerungsmaßnahmen, Übertageteil (Anlagen sind anonymisiert) CO 2 - Äquivalente in t/gwh CO 2 -Äquivalente Anlage A Anlage B Anlage C Anlage A Anlage B Anlage C Energie in GJ/GWh 232,99 200,49 338,61 CO 2 -Äquivalente in t/gwh 54,36 24,36 40,38 SO 2 -Äquivalente in kg/gwh 62,09 119,47 201,77 DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

16 Ökobilanz Auswertung III Referenzanlagen mit umgesetzten Effizienzsteigerungsmaßnahmen, Übertageteil (Anlagen sind anonymisiert) CO 2 - Äquivalente in t/gwh CO 2 -Äquivalente Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Anlage E Anlage F Anlage A Anlage B Anlage C Anlage D Anlage E Anlage F Energie in GJ/GWh 203,5 230,9 220,8 200,5 177,4 210,9 CO 2 -Äquivalente in t/gwh 40,1 42,3 24,9 38,8 18,9 24,4 SO 2 -Äquivalente in kg/gwh 122,6 128,9 125,8 119,5 91,9 122,7 DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

17 Ökobilanz Auswertung IV Anlagen ohne umgesetzte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung (Gesamtanlage) Vermiedene CO 2 - Äquivalentemissionen Verursachte CO 2 - Äquivalentemissionen Geothermie Bilanz Spezifischer CO 2 - Äquivalentemissionen Vermeidungsfaktor in t in t in t in t/gwh Anlage A ,1 977, ,28 754,34 Anlage B 7.422,1 823, ,10 733,23 Anlage C 4.948,1 429, ,88 753,15 Anlagen mit umgesetzten Maßnahmen zur Effizienzsteigerung (Gesamtanlage) Vermiedene CO 2 - Äquivalentemissionen Verursachte CO 2 - Äquivalentemissionen Geothermie Bilanz Spezifischer CO 2 - Äquivalentemissionen Vermeidungsfaktor in t in t in t in t/gwh Anlage A 7380,9 311, ,9 789,8 Anlage B 2721,4 421, ,7 696,9 Anlage C 24740, , ,6 760,6 Anlage D 27214, , ,3 774,1 Anlage E 27214, , ,4 773,7 Anlage F 23750, , ,5 784,3 DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

18 Zusammenfassung Für den Übertageteil liegen die CO 2 Äquivalente der Referenzanlagen ohne umgesetzte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung im Bereich von 25 bis 55 t/gwh und der Referenzanlagen mit umgesetzten Maßnahmen zur Effizienzsteigerung im Bereich von 19 bis 42 t/gwh. Für die Gesamtanlagen liegen die spez. Vermeidungsfaktoren der CO 2 Äquivalente für die Referenzanlagen ohne umgesetzte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung bei rund 733 bis 755 t/gwh sowie für die Referenzanlagen mit umgesetzten Maßnahmen zur Effizienzsteigerung bei rund 697 bis 790 t/gwh. Trotz steigender Energie- und Materialaufwendungen für den Bau, Betrieb und Rückbau der Kraftwerke mit umgesetzten Effizienzsteigerungsmaßnahmen werden wegen der höheren Energiebereitstellung geringere spezifische Emissionen und Primärenergieaufwendungen berechnet. Bilanzen basieren auf Abschätzungen; nach Auskunft von Anlagenplaner können diese Ergebnisse deutlich abweichen. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

19 Ausblick Primärstatistische Datenerhebung und Verifizierung der Ergebnisse Modellierung der Referenzanlagen mit umgesetzten Effizienzsteigerungsmaßnahmen mit einer Fließschemasimulationssoftware, um theoretische Steigerungspotenziale zu ermitteln. Technische Analyse und Vergleich der verschiedenen effizienzsteigernden ORC-Konzepte unter Berücksichtigung der am Markt verfügbaren organischen Arbeitsmittel. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

20 Theoretisch verfügbare Maßnahmen zur Effizienzsteigerung (AP 3) Vorgehen Untersuchte Konzepte Standard ORC Zwei-Druck ORC Überkritischer ORC ORC mit zeotropen Stoffgemischen Untersuchte Arbeitsmittel Isobutan R 600a, Isopentan, R245 fa, R 236 ea, R 227 ea, 245 cb Thermalwassertemperaturen 120 bis 170 C, für Deutschland repräsentativ 70 l/s Förderrate Nettostromwirkungsgrad Nettokraftwerksleistung (d. h. Speisepumpe, Kühlaggregat) Geoth. Anschlussleistung bezogen auf 15 C. DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

21 Ausblick Nettostromerzeugungswirkungsgrad in % R236ea R227ea R600a RC318 2 R600 R245cb R245fa Temperatur in C DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

22 Ausblick 15% Standard Zweidruck Überkritisch zeotrope Stoffgemische Stromerzeugungswirkungsgrad 13% 10% 8% 5% 3% 0% Thermalwassertemperatur in C Netto, ohne Tiefpumpe, Wasserkühlung, bezogen auf 15 C DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sebastian Janczik Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Schwarzenbergstraße 95 D Hamburg Tel.: + 49 (0) Fax.: + 49 (0) TUHH Hauptgebäude; Quelle: TUHH DGK, Workshop Ökobilanzen tiefe Geothermie, 14. November