Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern. Am Beispiel Grünwald, Kirchweidach und Traunreut.

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1 Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern. Am Beispiel Grünwald, Kirchweidach und Traunreut. Am 24. & 25. August 2015 besuchten zwei Mitarbeitende der Geo-Energie Suisse AG, drei Aktionärsvertreterinnen (EWZ, ewb), sowie ein Journalist insgesamt fünf verschiedene Geothermie-Kraftwerke in Bayern. Organisiert und geleitet wurde die Studienreise von Thorsten Weimann, Geschäftsführer der gec-co GmbH. Übersicht über die Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern Derzeit sind im Bundesland Bayern 20 tiefengeothermische Anlagen in Betrieb. Das erste Heizwerk nahm 1992 in Straubing den Betrieb auf startete in Unterhaching das erste Geothermiekraftwerk Bayerns mit der Produktion von Strom und Wärme gründete die Gemeinde Grünwald zusammen mit Unterhaching den ersten geothermischen Wärmeverbund Deutschlands. Die Anlage in Grünwald liefert seit 2011 Wärme und produziert seit Ende 2014 Strom. Abbildung 1: Übersicht über Tiefengeothermie-Anlagen im Bayrischen Molassebecken. Quelle: Pressemappe TIGER (Tiefe Geothermie-Deutschland). 1

2 Grünwald regenerative Wärme und grüner Strom Das Projekt Erdwärme Grünwald (EWG) nahm 2008 seinen Anfang. Das kommunale Geothermieprojekt verfolgt das Ziel, die Grundversorgung der Gemeinde mit regenerativer Wärmeenergie zu sichern und zusätzlich grünen Strom zu produzieren. Die Erdwärme Grünwald GmbH (100 % in Gemeindebesitz) betreibt das Kraftwerk und vermarktet die produzierte Energie. Das Kraftwerk steht in Laufzorn, in der Nachbargemeinde Oberhaching. Die Grünwalder Geothermie-Anlage ist wärmegeführt. Das bedeutet, dass die Wärmeversorgung vor der Stromproduktion steht. Wird weniger Wärme benötigt, kann mehr Strom produziert werden und umgekehrt. Seit die Fündigkeit beider Tiefenbohrungen im Juni 2010 bestätigt wurde, baute die Gemeinde Grünwald ihr Fernwärmenetz kontinuierlich aus. Der Langzeitproduktionstest ergab mit rund Litern pro Sekunde und ca C sehr gute Werte, welche die erhoffte Prognose von 100 Litern pro Sekunde bei 120 C deutlich übertraf. Mit Beginn der Wärmeproduktion im Oktober 2011 konnten erste private Haushalte, Unternehmen sowie kommunale Liegenschaften (Kindergärten, Schulen, Rathaus) mit der neuen, einheimischen, regenerativen Wärmeenergie versorgt werden. Seither wird das Fernwärmenetz stetig ausgebaut und verdichtet haben sich die beiden Geothermie-Gemeinden Unterhaching und Grünwald zu einem Wärmeverbund zusammengeschlossen. Im Oktober 2013 wurde in der Produktionsbohrung in 760 Metern Tiefe eine leistungsstarke Tauchkreiselpumpe eingebaut. Damit ist eine maximale Förderrate von 160 Litern pro Sekunde möglich. Der Ausbau des Fernwärmenetzes in Grünwald, der Wärmeverbund mit Unterhaching und die Inbetriebnahme des ORC-Kraftwerks zur Stromproduktion erfordern die Bereitstellung einer maximalen Menge an thermischer Leistung. Ende 2014 erreicht das Fernwärmenetz eine Länge von rund 35 km. Zusammen mit der Wärmeverbundsleitung nach Unterhaching erstreckt sich das Fernwärmenetz der Grünwalder Anlage zurzeit über knapp 40 Kilometer. Bis 2017 sollen weitere rund 24,5 Kilometer Fernwärmenetz hinzugebaut werden. Die geothermisch erzeugte Wärme, die aus der Grünwalder Anlage in Laufzorn über die rund 5 km lange Verbindungsleitung nach Unterhaching fliesst, wird im dortigen Geothermiekraftwerk einerseits für die Einspeisung ins eigene Fernwärmenetz und andererseits für die Stromproduktion genutzt. Der Wärmetransfer baut auf bi-direktionale Wärmetauscher von Sondex sowie Pumpen für die Thermalwasserförderung von Baker Hughes. Der Wärmeverbund bringt beiden Geothermie-Gesellschaften Vorteile: Grünwald lastet seine Bohrung aus, Unterhaching deckt seinen Energiebedarf für das Kalina- Stromkraftwerk und, am wichtigsten, beide Gemeinden erhöhen ihre Versorgungssicherheit in der Wärmeversorgung. Denn der Wärmeverbund ermöglicht auch eine Redundanznutzung der beiden verbundenen Geothermie-Anlagen, was den Einsatz der Öl-Heizkessel reduziert und das Klima durch die damit verbundene Reduktion des CO 2 -Ausstosses zusätzlich schont. Seit Dezember 2014 betreibt die Erdwärme Grünwald GmbH in Laufzorn zusätzlich ein ORC- Stromkraftwerk. Die ORC ( Organic Rankine Cycle) Technologie ist im Gegensatz zur in Unterhaching eingesetzten Kalina-Technologie bereits etabliert. Als Arbeitsmittel wird in Laufzorn Isobutan verwendet, ein umweltfreundliches, nicht toxisches Arbeitsmittel. Die Radialturbine ist auf eine maximale Leistung 2

3 von 4.3 MW ausgelegt. Der Generator besitzt eine Nennleistung von 4.75 MVA. Die verstellbare Düseneinstellung der Turbinen garantiert einen hohen Wirkungsgrad auch bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und Thermalwasser Massenströmen. Die Wärmeübertragung vom Thermalwasserkreislauf auf den ORC-Kreislauf erfolgt mittels Wärmetauschern. Nach der Verdampfung und Turbinierung wird das Isobutan wieder verflüssigt. Die Kühlung erfolgt über Luftkondensatoren. Auch aufgrund der Tatsache, dass sich das Kraftwerk auf benachbartem Gemeindegebiet befindet, wurde der Einbettung der Anlage in die Landschaft sowie den Lärmschutzvorschriften grosse Bedeutung beigemessen. Im August 2015 waren die Umgebungsarbeiten noch im Gange. Die Luftkondensatoren befinden sich im hinteren Gebäudeteil hinter der Holzverkleidung (Siehe auch Abb.7). Abbildung 2: Geothermiekraftwerk der Erdwärme Grünwald GmbH in Laufzorn in der Gemeinde Oberhaching. Links sieht man das Produktionsbohrloch. Die integrierte Förderpumpe hat eine maximale Leistung von 1.35 MW el, maximal 1'800 PS und kann bis zu max. 160 Liter Wasser / Sekunde fördern. Die Pumpe der neusten Generation ist rund 33 Meter lang und wurde in 730 Metern Tiefe im Produktionsbohrloch befestigt. Rechts sieht man das Injektionsbohrloch. Über dieses wird das abgekühlte Wasser wieder dem Malmkalk zugeführt. Abbildung 3: Geothermiekraftwerk Laufzorn mit der Produktions- und der Injektionsbohrung. 3

4 Heizzentrale mit Fernwärmevor- und Rücklauf, Druckausgleichsbehältern für das Fernwärmenetz (rechts unten) sowie den Umwälzpumpen für das Fernwärmenetz (unten, Mitte). Links unten, ausserhalb des Bildausschnitts, befinden sich die Wärmetauscher. Diese entziehen dem geförderten Thermalwasser Energie, die dem Fernwärmenetz zugeführt wird. Abbildung 4: Blick in die Heizzentrale des EWG-Kraftwerks. Die Umwälzpumpen transportieren das heisse Wasser in den Vorlauf des Fernwärmenetzes und befördern das abgekühlte Wasser aus dem Fernwärmerücklauf zurück in den Thermalwasserkreislauf. Abbildung 5: Fernwärmenetz-Umwälzpumpen. 4

5 Durch die Rohrleitung im Vordergrund strömt das gasförmige Arbeitsmittel zu den Luftkondensatoren hinter der Holzverkleidung. Mit dem Gas wird eine Radialturbine angetrieben und mit einem Generator Strom erzeugt. Die Turbine ist für eine maximale Leistung von 4.3 MW ausgelegt. Die Nennleistung des Generators beträgt 4.75 MVA. Der Tank in der Mitte des Bildes nimmt das gekühlte Arbeitsmittel nun wieder in flüssigem Zustand auf und der Prozess des Verdampfens und Turbinierens kann von neuem beginnen. Abbildung 6: Teil der Stromproduktionsanlage (ORC-Kraftwerk). Die Luftkondensatoren, zur Verflüssigung des ORC Arbeitsmittels befinden sich hinter einer Holzverkleidung, relativ nahe am Boden. Die Anlage hält die strengen Lärmschutzgrenzwerte des Landratsamts München und der Gemeinde Oberhaching ein. Abbildung 7: Teil der Stromproduktionsanlage Untersicht Luftkondensatoren. 5

6 Geothermiekraftwerk Grünwald. Zahlen und Fakten: Art der Anlage Hydrothermale Dublette Bohrtiefe 4'083 Meter (Produktionsbohrung) 4'453 Meter (Reinjektionsbohrung) Temperatur Thermalwasser C Schüttung 140 Liter / Sekunde Länge Fernwärmenetz (Stand 2014) 39 km (inkl. Wärmeverbund mit Unterhaching) Länge Verbundtrasse Laufzorn- 5.3 km Unterhaching Redundanzheizwerk Heizölkessel Installierte thermische Leistung 50 MW Installierte elektrische Leistung 4.5 MW Stromerzeugungsverfahren ORC (Organic Rankine Cycle) 6

7 Kirchweidach einheimische Tomaten und Paprika dank Geothermie In einem knapp 12 Hektaren grossen Gewächshaus produziert der Gartenbauunternehmer Josef Steiner das ganze Jahr über Tomaten und Paprika für den lokalen Markt. Insgesamt rund 5 Millionen Kilogramm pro Jahr. Beheizt wird das Gewächshaus mit Fernwärme aus dem naheliegenden Geothermiekraftwerk Kirchweidach sowie der Abwärme aus dem Rücklauf des Heizwassers aus dem Fernwärmenetz von Kirchweidach. Eine Biogasanlage sowie eine PV-Anlage für Eigenstrom auf dem Dach der Betriebshalle ergänzen die umweltfreundliche Energieversorgung. Über einen grossen Warmwasserpuffertank können Wärmebedarfsspitzen und kurzfristige Unterbrechungen der Wärmeversorgung kompensiert werden. Bewässert wird mit Regenwasser, das über die Dachflächen der Gewächshausanlage in einem Wasserbecken gesammelt wird. Zur Produktion von Tomaten und Paprika ist eine konstante Temperatur zwischen 18 und 22 C notwendig. Gewächshäuser dieser Grösse werden in der Regel mit Erdgas oder Erdöl beheizt. Der grosse Vorteil der Geothermie liegt in der CO 2 -Neutralität des Energieträgers. Eine Beheizung mit Erdgas hätte einen jährlichen CO 2 -Ausstoss von rund 8.4 Millionen Kilogramm CO 2 zur Folge. Eine Beheizung mit Erdöl sogar einen CO 2 -Ausstoss von rund 10.2 Millionen Kilogramm. Mit der lokalen Produktion von Gemüse, das ansonsten aus Spanien oder Holland importiert wird, können zusätzlich rund 300'000 LKW-Kilometer pro Jahr eingespart werden. Das Gewächshaus erstreckt sich über eine Fläche von 115'000 m 2. Der Warmwasserpuffertank (hinter dem weissen Heizungsgebäude) ermöglicht, Wärmebedarfsspitzen abzudecken und kurzfristige Unterbrechungen der Wärmelieferung zu kompensieren. Abbildung 8: Gemüsebau Steiner, Kirchweidach. 7

8 Abbildung 9: Angebaut werden Tomaten... Abbildung 10:... und Paprika. Geerntet wird von Mitte März bis Mitte November. 8

9 Abbildung 11: Das frisch geerntete und voll ausgereifte Gemüse wird direkt vor Ort für den lokalen Verkauf verpackt. Abbildung 12: Heizgebäude des Gewächshauses, im Vordergrund die Wärmetauscher. 9 Abbildung 13: Heizgebäude des Gewächshauses, im Vordergrund die Fernwärme-Umwälzpumpen.

10 Betreiberin des Geothermie-Kraftwerks Kirchweidach ist die Kirchweidacher Energie GmbH. Diese wurde von der Gemeinde Kirchweidach gegründet mit dem Zweck, die Kirchweidacher mit günstiger und umweltfreundlicher Wärme zu versorgen. Die Gemeinde Kirchweidach verfügt zurzeit über ein Fernwärmenetz von rund 24 km Länge. Die Gemüsebau Steiner GmbH ist Hauptabnehmerin der regenerativen, CO 2 freien Wärme. Der Spatenstich für die Erweiterung des Gewächshauses von 12 auf 20 ha erfolgte im Mai Insgesamt verzeichnet die Kirchweidacher Energie GmbH 345 Fernwärmeversorgungsverträge. Gebohrt wurde vom 19. November 2010 bis am 2. Dezember 2011 in eine Tiefe von rund 3'800 Meter. Die Wassertemperatur beträgt 125 C und die Förderrate beläuft sich auf 105 Liter / Sekunde. Geothermiekraftwerk Kirchweidach. Zahlen und Fakten Art der Anlage Hydrothermale Dublette (Fernwärmenetz) Bohrtiefe 3'800 Meter Temperatur Thermalwasser 125 C Schüttung 105 Liter / Sekunde Hauptabnehmer Wärme Gemüsebau Steiner GmbH Wärmequelle 2 Abwärme aus Biogasanlage (400 KW / Leistung) Länge Fernwärmenetz 24 km Redundanzheizwerk Heizölkessel thermische Leistung 40 MW 10

11 Traunreut Wärme und Strom aus der Erde Die Bohrarbeiten für das Geothermiekraftwerk in Traunreut begannen im Juli Die erste Bohrung konnte ein Jahr später, im Juli 2012, die zweite Bohrung Anfang März 2013 in einer Tiefe von über 5'000 Metern in den Zielhorizont des Malms abgeteuft werden. Die Bohrungen wurden jeweils abgelenkt in Störungszonen niedergebracht und weisen eine hohe Fündigkeit von über 150 Litern pro Sekunde aus. Die Temperatur des Tiefengrundwassers ist hingegen unterdurchschnittlich: Es lag bei beiden Bohrungen unter 120 C, was einem geothermischen Gradienten unter 30 C pro Kilometer entspricht. Nach intensiven Tests wurde im Juni 2013 mit dem Bau des Fernwärmegebäudes begonnen. Die Fernwärmezentrale und der Thermalwasserkreislauf wurden im Januar 2014 fertiggestellt. Seit Februar 2014 wird Fernwärme in das Fernwärmenetz der Stadtwerke Traunreut eingespeist. Die thermische Leistung der Anlage beträgt 12 MW. Mit der Fernwärme aus dem Geothermiekraftwerk Traunreut können rund 1'500 Haushalte, öffentliche Einrichtungen und Unternehmen in Traunreut mit regenerativer Wärme versorgt werden. Dem ca. 118 C heissen Wasser wird im Fernwärmegebäude mit Hilfe von Wärmetauschern Energie entzogen und an den Fernwärmekreislauf abgegeben. Das auf rund 55 C abgekühlte Thermalwasser fliesst in einem geschlossenen Kreislauf über die zweite Bohrung (Injektionsbohrung) wieder in die Kalksteinschicht zurück. In der letzten Projektphase wurde zusätzlich zum Heizwerk auch ein ORC-Kraftwerk zur Stromerzeugung mit einer Leistung von bis zu 5 MW errichtet. Die Stromproduktion wurde im Januar 2016 aufgenommen. Zur Stromerzeugung wird das Thermalwasser dem Wärmetauscher zugeleitet und die darin vorhandene Wärme an das Arbeitsmittel des binären Kreislaufs im Kraftwerk übertragen. Dabei wird das Arbeitsmittel verdampft und der Dampf anschliessend in einer Turbine entspannt. Diese wiederum treibt einen Generator an und erzeugt somit elektrische Energie. Die Verflüssigung des nach der Turbinierung immer noch dampfförmigen Arbeitsmittels erfolgt in luftgekühlten Kondensatoren, welches danach erneut den Verdampfern zugeleitet wird. Der Prozess beginnt von neuem. Die im Generator erzeugte Spannung wird mittels eines Transformators auf die erforderliche Netzspannung von 20 kv transformiert und in das Schalthaus West der E.ON Bayern AG eingespeist. 11

12 Im Jahr 2014 wurde die Fernwärmeanlage in Traunreut fertiggestellt. Abbildung 14: Fernwärmeanlage Geothermiekraftwerk Traunreut. Mit Wärmetauschern wird im Fernwärmegebäude dem Thermalwasser Energie entzogen. Das heisse Wasser, das in das Fernwärmenetz der Stadt Traunreut eingespeist wird, ist rund 100 C warm. Abbildung 15: Wärmetauscher in der Wärmezentrale. 12

13 Die Fernwärmeverteiler sind die Schnittstelle zwischen dem Fernwärmenetz der Stadt Traunreut und der Geothermie-Anlage Traunreut. Wasserdruck und Durchflussmenge werden in der Traunreuter-Geothermie- Anlage rund um die Uhr überwacht. Abbildung 16: Wärmezentrale mit Fernwärmeverteilern. Links im Bild befindet sich der Tank für das Arbeitsmittel des ORC-Kreislaufs. Am rechten Bildrand ist (angeschnitten) das Gebäude mit der Turbine sichtbar. Zentral sieht man die Wärmetauscher mit den Röhrenverdampfern. Durch die roten Röhren zirkuliert das Arbeitsmittel des ORC-Kreislaufs. Abbildung 17: ORC-Anlage zur Stromerzeugung. 13

14 Mit der Wärmeenergie des Thermalwassers wird das Arbeitsmittel des ORC- Kreislaufs verdampft. Mit einer Dampfturbine, die einen Generator antreibt, wird so Strom produziert. Das gasförmige Arbeitsmittel wird anschliessend in den Luftkondensatoren abgekühlt und so wieder verflüssigt. Abbildung 18: Luftkondensatoren (im Bau) der Geothermie-Anlage Traunreut. Geothermiekraftwerk Traunreut. Zahlen und Fakten: Art der Anlage Bohrtiefe Temperatur Thermalwasser Schüttung Installierte thermische Leistung Installierte elektrische Leistung Erzeugte Wärmemenge (2015) Erzeugte Strommenge (2016 / erwartet) Hydrothermale Dublette (Fernwärmenetz) 4'100 Meter (Produktionsbohrung) 4'050 Meter (Reinjektionsbohrung) 118 Grad Celsius 165 Liter/Sekunde 12 MW 5 MW MWh 34'000 MWh 14