bastian schmitt neustadt- glewe geothermie ss 2007 1 einf ü hrung in die geophysik/geothermie...

Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20071

Einführung in dieEinführung in die

Geophysik/GeothermieGeophysik/Geothermie

Christoph Lauterbach, David Dallinger14.09.2007

Praktische Anwendung Praktische Anwendung

Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-GleweErdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe


Gliederung

1. Hydrothermale Ressourcen und Potentiale in

Deutschland

2. Voraussetzungen für die Nutzung

3. Geothermisches Heizwerk Neustadt-Glewe

4. Geothermisches Kraftwerk

5. Stromerzeugung mittels Organic Rankine Cycle

6. Wirtschaftlichkeit

7. Zusammenfassung


Hydrothermale Ressourcen und Potentiale

Technisches Potenzial der

Heißwasseraquifere für die

WärmenutzungNorddeutsches Becken 328 EJ

Oberrheingraben 67 EJ

Süddeutsches Molassebecken 99 EJ

Weitere Gebiete 20 EJ

Gesamt 514 EJ

Bei einer Nutzung innerhalb von 100 Jahren:

=> 5140 PJ/a

Nachfragepotenzial:

1175 PJ/a für Haushalte, GHD und

Industrie

Quelle: Kaltschmitt (2006)


Voraussetzungen für die Nutzung

Geologische Voraussetzungen:

Existenz von Aquiferen (Grundwasserleiter)

Ausreichende Porosität und Permeabilität der Porenspeicher

=> Permeabilität nimmt mit Tiefe ab, d.h. zwar höhere

Temperaturen aber nur geringere Volumenströme möglich

Ausreichende hohe Temperaturen

Ausreichende Wärmeleitfähigkeit

Nachfrage:

Ausreichend Abnehmer der Wärme in unmittelbarer Nähe

Möglichst konstante Wärmeabnahme während des gesamten Jahres

Quelle: GFZ Postdam (1999), Kaltschmitt

(2006)


Geothermisches Heizwerk - Fakten

Bohrungen in den Jahren 1988/1989

Inbetriebnahme Geothermisches Heizwerk im Jahr 1994

Maximale Fördermenge: 110 m³/h

Geothermische Wärmeleistung : 10,4 MW

Gaskessel: 10 MW

Mittlere Wärmeabgabe: 16.000 MWh/a

=> davon bis zu 98 % geothermische Wärme

Fernwärmekunden:

1.325 Wohnungseinheiten

23 kleine Gewerbekunden

Prozesswärme für 1 Lederwerk

Quelle: GFZ Postdam (1999), Kaltschmitt

(2006)


Geothermisches Heizwerk - Lage

Förderbohrun

g & Kraftwerk

Heizwerk

Injektionsbohrung

Quelle: Google Earth (2007)


Geothermisches Heizwerk - Funktionsprinzip

Geschlossener

Primärkreislauf

FörderbohrungInjektionsbohrun

g

Geothermisches

Kraftwerk

Geothermisches

Heizwerk

Fernwärmenetz

Quelle: BiNE Informationsdienst (2003)


Geothermisches Heizwerk - Aufbau

Ein- und Austritt

Thermalwasser

Ein- und Austritt

Heiznetzwasser

Plattenwärmetausche

r

Gaskesse

l

Druckhaltung

Heiznetz

Wasser-

aufbereitung

Heiznetz

Weitere

Stellplätze für

Kessel

Hydraulisch

e Weichen

Heiznetzpumpe

n

Quelle: GFZ Postdam (1999)


Vom Heizwerk zum Kraftwerk

Gründe für die Ergänzung durch ein

Erdwärmekraftwerk:

geringer Wärmeabnahme während der Sommermonate

Sommerbetrieb erfordert Mindestpumpmengen

Investionskostenbeitrag durch Stromerzeugung

Monatliche Schwankungen in der

Thermalwasserförderung bei reinem Wärmebetrieb (Jahr

2000)

Quelle: BiNE Informationsdienst (2003)


Prozessverschaltung

HeiznetzRücklauftemperatur 50 °C bis 65 °C

In Anlehnung an Quelle: Silke Köhler,2005

m, T . Heizwerk

Kraftwerk230 kW

Abwärme

70 °C

Strom

Thermalwasser

Vorlauf ca. 97 °C

Heiznetz gleitende

Vorlauftemperatur

70 °C bis 90 °C

Mischtemperatur


ORC- Arbeitsmedium

Quelle Abb.: Silke Köhler,2005

● Vergleichsweise großer Volumenstrom

● Nicht toxisch und nicht brennbar

● Perfluorpentan (trockenes oder retrogrades Arbeitsmedium)

● 22-fach höheres Molekulargewicht als Wasser

● Vollbeaufschlagte 1-stufige Turbine eingesetzt

● Verdampfungstemperatur bei 4 bar ca. 75° C


Organic-Rankine-Cycle

70 °C21 °C

28 °C

30 °C

80 °C97 °C

Quelle Abb.: Silke Köhler,2005


ORC- Prozess

Quelle: Silke Köhler,2005

5 – 6 Enthitzung

6 – 1 Kondensation

1 - 2 Druckerhöhung

2 – 3 Vorwärmung

3 – 4 Verdampfung

4 – 5 Entspannung


Wirkungsgrad

ORC- Wirkungsgrad

0

5

10

15

20

25

30

35

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Temperatur [°C]

Wir

kun

gsg

rad

[%

]

Systemwirkungsgrad

Carnot Wirkungsgrad

In Anlehnung an Quelle: Silke Köhler,2005

● Carnot-Wirkungsgrad = 1 – Tu/To ~ 14,2 %

Tu = 30 °C = 302 K

To = 80 °C = 353 K

● Turbinen-Wirkungsgrad = 70 %● Gesamtwirkungsgrad etwa 6,5 %

● Eigenverbrauch:

Pumpe Thermalwasser - 140 kW

Pumpe Kühlwasser - 15 kW

Erzeugung: 230 kW

Rest: 75 kW


Wirtschaftlichkeit

Kapitalwertmethode:

Investitionskosten: 800.000 davon 400.000 Förderung

Vergütung durch EEG: 15 ct/kWh

Abzinsungsfaktor: 8%

Verhältnis Bohrungskosten zu allen weiteren Kosten: 70 : 30

-400.000 €

-300.000 €

-200.000 €

-100.000 €

0 €

100.000 €

200.000 €

300.000 €

400.000 €

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Periode

Eu

ro

ORC-Wirtschaftlickeit 75 kW (ohne Bohrkosten)

230 kW Strmgestehung 7,2 ct./kWh (ohne Bohrkosten)

230 kW Strmgestehung 18,2 ct/kWh

In Anlehnung an Quelle: Kaltschmitt, 2006


Investitionskostenanteile

Annahmen: nach Kaltschmitt, 2006

Bohrung: 1000 €/m Gebäude, Grundstücke 150.000 €

Slopsysteme, Filter: 25 €/kWth ORC-Anlage800.000 €

Planung, Gebühren, Gutachten: 500.000 €

5%4%2%2%6%

6%

7%

33%

34%

Förderbohrung

Injektionsbohrung

Thermalwasserkreis

Slopsysteme, Filter

Tiefpumpen

Gebäude, Grundstücke

ORC-Anlage

ORC-Anlage Förderung

Planung, Gebühren,Gutachten

Abgeschätzte Investitionskosten 6,655 Mio. Euro


Zusammenfassung

● Die Realisierung geothermischer Anlagen ist stark von den

Standortrahmenbedingungen abhängig.

● Das Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe hat im Vergleich zu anderen Das Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe hat im Vergleich zu anderen

Standorten im Norddeutschen Becken gute Bedingungen. Standorten im Norddeutschen Becken gute Bedingungen.

● Organic-Rankine-Cycle ermöglicht die Option bei niedrigem Organic-Rankine-Cycle ermöglicht die Option bei niedrigem

Temperaturniveau (100 – 200 °C) Strom zu erzeugen.Temperaturniveau (100 – 200 °C) Strom zu erzeugen.

● Die Wirtschaftlichkeit wird stark durch Wärmenutzung undDie Wirtschaftlichkeit wird stark durch Wärmenutzung und

Temperaturniveau beeinflusst. Temperaturniveau beeinflusst.

● Es besteht ein hohes Investitionsrisiko durch die Bohrung. Es besteht ein hohes Investitionsrisiko durch die Bohrung.

● Zukünftig eventuell Spitzenlaststrom oder Regelenergiebereitstellung Zukünftig eventuell Spitzenlaststrom oder Regelenergiebereitstellung

denkbardenkbar


Diskussion

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Quellen:

• Schallenberg, K., Erbas, K., Huenges, E. und Menzel, H., 1999: 'Geothermisches Heizwerk Neustadt-Glewe: Zustands- und Stoffparameter, Prozeßmodellierungen, Betriebserfahrungen und Emissionsbilanzen, GFZ Potsdam STR99/04: Potsdam, 206 p.

• Silke Köhler, Dissertation, Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke, Universität Berlin, 2005

• GGA-Institut Hannover (2007) Dr. Reinhard Jung, Stand und Aussischten der Tiefengeothermie in Deutschland

• BINE Informationsdienst (2003), Geothermische Stormerzeugung in Neustadt-Glewe

• Geothermischen Vereinigung e.V. - Bundesverband Geothermie (2007) Internetseite www.geothermie.de am 09.09.2007

• GFZ Potsdam (1999) Evaluierung geowissenschaftlicher und wirtschaftlicher Bedingungen für die Nutzung hydrogeothermaler Ressourcen

• Kaltschmitt, Streicher, Wiese (2006) Erneuerbare Energien


Literatur

Quellen:

• Schallenberg, K., Erbas, K., Huenges, E. und Menzel, H., 1999: 'Geothermisches Heizwerk Neustadt-Glewe: Zustands- und Stoffparameter, Prozeßmodellierungen, Betriebserfahrungen und Emissionsbilanzen, GFZ Potsdam STR99/04: Potsdam, 206 p.

• Silke Köhler, Dissertation, Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke, Universität Berlin, 2005

• GGA-Institut Hannover (2007) Dr. Reinhard Jung, Stand und Aussischten der Tiefengeothermie in Deutschland

• BINE Informationsdienst (2003), Geothermische Stormerzeugung in Neustadt-Glewe

• Geothermischen Vereinigung e.V. - Bundesverband Geothermie (2007) Internetseite www.geothermie.de am 09.09.2007

• GFZ Potsdam (1999) Evaluierung geowissenschaftlicher und wirtschaftlicher Bedingungen für die Nutzung hydrogeothermaler Ressourcen

• Kaltschmitt, Streicher, Wiese (2006) Erneuerbare Energien


Ausblick

Quelle: Stand November 2003

nach Kaltschmitt et al. ( 2003)


Bohrungskosten

0 2 4 6 8 10 12 14

Bohrungskosten (Mio. EUR)

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Tie

fe (

m)

Norddeutsches Becken,

Malmkarst,

Oberrheingraben

HDR-Systeme

Bohrungskosten für eine Bohrung

mit einer Förderrate von 100 m3 / h

nach GTN Neubrandenburg (2002)


Wirkungsgrad

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