Geothermische Stromerzeugung 
- Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe - 
Vortrag in der Vorlesung 
Geophysik/Geothermie 
K...
Gliederung 
1. Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe 
2. Heizwerk Neustadt-Glewe 
3. Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neust...
Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe 
 Deutschland: 
 Temperaturen zwischen 40 und 
190°C in 1.000 bis 5.000 m Tie...
Heizwerk Neustadt-Glewe 
 seit 1994 Heizwerk 
 Förderbohrung: 2250 m 
Injektionsbohrung: 2335 m 
Abstand: 1,78 km 
 Tem...
Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe 
 außerhalb der Heizzeit 
liegt Heizwärmebedarf 
deutlich unter der ver-fügbare...
Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe 
 schon früher Pläne für Erweiterung 
 aber Realisierung durch hohe Anlagenkos...
Kraftwerkstechnik - Prozesstypen - 
 Direkte Nutzung des Fluides 
 Anwendung bei hydrothermalen Heiß- und Trockendampfvo...
Kraftwerkstechnik - KWK - 
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in der Geothermie 
 Konventionelle KWK: 
 Nutzwärme für Heiznetz a...
Kraftwerkstechnik - Reihenschaltung von KW und HW - 
 Thermalwasser durchfließt zuerst KW und dann HW 
 Bedingungen: THW...
Kraftwerkstechnik - Parallelschaltung von KW und HW - 
 Thermalwasser wird auf KW 
und HW aufgeteilt 
 Auskühlungen ΔTKW...
Kraftwerkstechnik - Verschaltung in Neustadt-Glewe - 
 modifizierte Parallelschaltung 
(Kostengründe) 
 Teilstrom des ge...
Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -
Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle - 
 Entscheidender Unterschied zum klassischen Dampfkraftprozess: 
Druck und Te...
Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle - 
 Technische Besonderheiten: 
 Turbinen meist als Sonderanfertigungen 
(Unte...
Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -
Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess - 
 Unterschied zum ORC: Verwendung eines Zweistoffgemischs 
(Ammoniak-Wasser) 
 über...
Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess - 
 Technische Vor- und Nachteile: 
 kostengünstiges und umweltfreundliches Arbeitsme...
Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe - 
 Wahl des Kraftwerksprozesses: 
 strikte Begrenzung der Investitionskosten 
 Tech...
Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe - 
 ORC-Anlage mit zweipoligem 
Synchrongenerator 
 PN = 230 kW 
 Einspeisung ins 20...
Neustadt-Glewe - Fazit - 
 als Pilotanlage wichtiger Meilenstein in der geothermischen 
Technologieentwicklung in Deutsch...
Quellen 
 BINE Informationsdienst: Geothermische Stromerzeugung in Neustadt- 
Glewe. 2003 
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Erdwärme Heizkraftwerk Neustadt-Glewe

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  • Wasser zirkuliert zwischen gesteinsbildenden Körnern, Strömungsquerschnitte: mm² bis cm²
    Norddeutschland: hoher Salzgehalt, Süddeutschland: Trinkwasserqualität
    Meerwasser: ~35 g Salz/l
  • Thermalwasser steigt auf Grund des Überdrucks in der Erde bis ca. 100m unter die Erdoberfläche; Pumpe in 260m Tiefe fördert das Wasser nach oben
    Fördermenge: ~110 m³/h
    T bei Reinjizierung: 50°C
    90 – 95% des Wärmebedarfs geothermisch gedeckt, der Rest über Spitzenlast-Gaskessel
  • Beispiel für diese Verschaltung:
    Husavik / Island:Thermalwasser wird in KW von 121°C auf 80 °C abgekühlt und dann im Nahwärmenetz des Ortes genutzt
  • Q_punkt=m_punkt*c_p*(T_in-T_out)
    m sinkt  T_out sinkt  größeres delta_T  sinkende mittlere Temperatur der Wärmezufuhr  sinkender Wirkungsgrad
    Stellgröße zur Regelung: Massenstrom
    gut geeignet, um im Sommer überschüssige Wärme zur Stromerzeugung zu nutzen
    Bereitstellung von el. Energie und Wärme also nicht unbedingt gleichzeitig
    Beispiel:
    Altheim / Österreich:100 l/s Thermalwasser mit 106°C
  • echte Parallelschaltung:
    Abstand Förderbohrung und HW: 500m, KW direkt an der Förderbohrung  zusätzlicher Leitungsaufwand
    m_punkt_KW durch KW  Abkühlung um delta_T_KW  Zusammenführung mit noch nicht abgekühltem Massenstrom
  • Prinzip wie bei Clausius-Rankine
    Thermalwasser gibt Wärme über Verdampfer und Vorwärmer an Arbeitsmittel ab und wird reinjiziert
    Vorerwärmung, Verdampfung, Überhitzung des Arbeitsmittels
    Entspannung in der Turbine  Generator
    Kondensation
    Druckerhöhung
  • T,s-Diagramm:
    Wasser:Entspannung an der Turbine über die Taulinie ins Nassdampfgebiet
    organische Arbeitsmittel:Entspannung außerhalb des Nassdampfgebietes, Überhitzung nimmt zu Abdampf am Turbinenaustritt überhitzt, muss zunächst isobar abgeführt werden, erst dann Kondensation
    Erhöhung des th. Wirkungsgrades durch:
    Anheben des oberen Prozessdrucks
    Absenken des unteren Prozessdrucks
    Überhitzung des Frischdampfs
    regenerative Speisewasservorwärmung
    Wahl des Arbeitsmittels
  • Turbinen: Arbeitsmittel unterscheiden sich stark von Wasser
  • Erdwärme wird auf die in den Rekuperatoren vorerwärmte Grundlösung übertragen
    Abscheider: ammoniakreicher Dampf und ammoniakarme Lösung werden getrennt
    a) ammoniakarme Lösung direkt in HT-Rekuperator  Vorwärmung der Grundlösungb) Dampf entspannt in der Turbine
    Stoffströme in Mischer zusammengeführt  Wärmeabfuhr (Teil in NT-Rekuperator)
  • kein fester Siedepunkt
  • Siedepunkt C5F12: 31°C
    hohes Molekülgewicht  hohe Bewegungsenergie der Moleküle
  • Erdwärme Heizkraftwerk Neustadt-Glewe

    1. 1. Geothermische Stromerzeugung - Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe - Vortrag in der Vorlesung Geophysik/Geothermie Katharina Steffes 4. September 2008
    2. 2. Gliederung 1. Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe 2. Heizwerk Neustadt-Glewe 3. Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe 4. Kraftwerkstechnik  Prozesstypen  KWK  Verschaltungsmöglichkeiten  ORC ↔ Kalina-Prozess  Umsetzung in Neustadt-Glewe 5. Neustadt-Glewe – Fazit
    3. 3. Voraussetzungen am Standort Neustadt-Glewe  Deutschland:  Temperaturen zwischen 40 und 190°C in 1.000 bis 5.000 m Tiefe  Neustadt-Glewe:  in 2.000 m Tiefe 90-100°C  Poren-Sandsteinspeicher mit großem Thermalwasservorkommen  hoher Eisen- und Salzgehalt (80 – 350 g/l)
    4. 4. Heizwerk Neustadt-Glewe  seit 1994 Heizwerk  Förderbohrung: 2250 m Injektionsbohrung: 2335 m Abstand: 1,78 km  Temperatur des Thermalwassers: 97°C  Pth = 3 MWth  Wth = 16.000 MWh/a  Fernwärme an:  Wohngebiet  kleinere Gewerbekunden  Lederwerk
    5. 5. Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe  außerhalb der Heizzeit liegt Heizwärmebedarf deutlich unter der ver-fügbaren Wärmeleistung  bis 2003: Absenkung der Förderrate  ABER:  ungenutzte thermische Leistung  durch Absinken der Förderrate Druckminderung  Ausgasen von Stickstoff, Kohlendioxid, Methan  Ergänzung des Heizwerks um einen Kraftwerksblock
    6. 6. Projekt Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe  schon früher Pläne für Erweiterung  aber Realisierung durch hohe Anlagenkosten unwirtschaftlich  ab 2000: Aufnahme der Geothermie in das EEG: Einspeisevergütung: 8,95 ct/kWh  Förderung als Pilotprojekt durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit  Budget insgesamt: 800.000 €  Gesellschafter der Erdwärme-Kraft-GbR: Vattenfall Europe, Berlin (94,26 %) WEMAG AG, Schwerin (5,74 %)  Konzept: wärmegeführtes Heizkraftwerk (Vorrang der Wärmeversorgung)
    7. 7. Kraftwerkstechnik - Prozesstypen -  Direkte Nutzung des Fluides  Anwendung bei hydrothermalen Heiß- und Trockendampfvorkommen > 150°C (Hochenthalpie-Lagerstätten)  direkte Nutzung des Dampfes aus dem Erdinnern, der an der Turbine entspannt wird  offener Prozess (vgl. offener Gasturbinenprozess)  Beispiel Larderello, Italien  Binary Systems  Anlagen mit Sekundärkreislauf, Übertragung über Wärmetauscher  Anwendung bei:  keine ausreichende Temperatur oder Druck zur Dampferzeugung  hohe Menge nichtkondensierbarer Gase (komplexe technische Lösungen erforderlich)  aggressives Thermalfluid (Minerale, Schwefelwasserstoff)  Kreisprozess (vgl. Clausius-Rankine-Prozess)  ORC, Kalina
    8. 8. Kraftwerkstechnik - KWK - Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in der Geothermie  Konventionelle KWK:  Nutzwärme für Heiznetz aus Abwärmestrom einer Wärmekraftmaschine (Kondensator)  damit immer gleichzeitige Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme  Geothermische KWK:  Gleichzeitigkeit nicht immer gegeben  Abwärme am Kondensator bei vergleichsweise niedriger Temperatur  höheres Temperaturniveau des Thermalwassers am Kraftwerksaustritt  Nutzung des Thermalwassers zur Wärmeversorgung  Kombination von Kraftwerk und Heizwerk, die dieselbe Primär-energiequelle nutzen  Verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten (Vorrang Wärmeversorgung)
    9. 9. Kraftwerkstechnik - Reihenschaltung von KW und HW -  Thermalwasser durchfließt zuerst KW und dann HW  Bedingungen: THW,in ≥ THeiz,Vorlauf THW,out ≥ THeiz,Rücklauf  THW,in = Tb,in – ΔTKW ≥ THeiz,Vorlauf  Reihenschaltung: Wenn Eintrittstemperatur so hoch ist, dass trotz der Abkühlbegrenzung eine ausreichende Kraftwerks- leistung zur Verfügung steht
    10. 10. Kraftwerkstechnik - Parallelschaltung von KW und HW -  Thermalwasser wird auf KW und HW aufgeteilt  Auskühlungen ΔTKW und ΔTHW unabhängig voneinander  Bedingungen: Tb,in - ΔTHW ≥ THeiz,Rücklauf  gleiche Randbedingungen, aber kleinerer Massenstrom: ηth,Parallel < ηth,Reihe  Parallelschaltung: Wenn Thermalwassertemperatur gerade zur Versorgung des Nahwärmenetzes ausreicht
    11. 11. Kraftwerkstechnik - Verschaltung in Neustadt-Glewe -  modifizierte Parallelschaltung (Kostengründe)  Teilstrom des gesamten Massenstroms durch KW, anschließend Zusammen-führung  gesamter Massenstrom für HW bei Misch-temperatur Tm  Bedingung: Tm ≥ THeiz,Vorlauf  Reihenschaltung: wenn Tout,KW = THeiz,Vorlauf
    12. 12. Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -
    13. 13. Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -  Entscheidender Unterschied zum klassischen Dampfkraftprozess: Druck und Temperatur  Nutzung von Wasser als Sekundärfluid nicht möglich  Organische Arbeitsmittel  Optimale Anpassung der thermo-dynamischen Eigenschaften an die vorhandene Wärmequelle  kurzkettige Kohlenwasserstoffe  Perfluorpentan  synthetische Arbeitsmittel auf Silikonbasis
    14. 14. Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -  Technische Besonderheiten:  Turbinen meist als Sonderanfertigungen (Unterschiede zu Wasser: Molekulargewicht, spezifische Wärmekapazität)  oft aggressive Arbeitsmittel, daher Beschichtung/Korrosionsschutz von Turbine, Leitungen und Wärmeübertragern  aufwendige Dichtung der Kreisläufe, teilweise schwer realisierbar  durch vergleichsweise hohe Volumina sind größere Querschnittsflächen an allen Anlagenteilen erforderlich  Anwendungen:  bei geringem Gefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke  Geothermie, KWK, solarthermische Kraftwerke, Meereswärmekraftwerke  Installationen weltweit seit mehr als 25 Jahren  Leistungsbereiche: kW-Bereich bis > 5 MW
    15. 15. Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -
    16. 16. Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -  Unterschied zum ORC: Verwendung eines Zweistoffgemischs (Ammoniak-Wasser)  über das Verhältnis Ammoniak – Wasser optimale Anpassung des Arbeitsmediums an die thermodynamischen Eigenschaften der Wärmequelle  Vorteile des Kalina-Prozesses:  nicht-isotherme Verdampfung bzw. Kondensation, dadurch Annäherung an die Ideallinie der Wärmequelle und -senke  geringere Verluste  Anhebung der mittleren Temperatur der Verdampfung und Absenkung der mittleren Temperatur der Kondensation  Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
    17. 17. Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -  Technische Vor- und Nachteile:  kostengünstiges und umweltfreundliches Arbeitsmedium  große Wärmeübertragerflächen notwendig  Zersetzung des Ammoniaks erfordert erheblichen Aufwand zum Ausschleusen der Zersetzungsprodukte  Korrosion durch Ammoniak  Separator und Absorber bedeuten zusätzliche Komplexität des Kreisprozesses  Anwendungen:  weltweit sehr wenige Anwendungen in Kalifornien, Japan, Island  Leistungsbereich: 2 bis 6 MW  Projekte in Deutschland:  Unterhaching  Offenbach
    18. 18. Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe -  Wahl des Kraftwerksprozesses:  strikte Begrenzung der Investitionskosten  Technik, die bei akzeptablem Investitionsaufwand optimale Stromausbeute garantiert  preiswerte einstufige Turbine ohne Getriebe  Thermalwassertemperatur von max. 98°C  Arbeitsmedium mit Siedepunkt weit unter dieser Temperatur: Perfluorpentan (C5F12)  durch hohes Molekülgewicht günstig für zweipoligen Generator bzw. 50 Hz Netzfrequenz (Drehzahl begrenzt auf 3000 U/min)  deutlich günstiger als Zweistoffgemisch für Kalina-Prozess  niedriger Gefrierpunkt, daher keine Einfrierproblematik
    19. 19. Kraftwerkstechnik - Neustadt-Glewe -  ORC-Anlage mit zweipoligem Synchrongenerator  PN = 230 kW  Einspeisung ins 20-kV-Netz  zwei Kühltürme zur Kondensation  Förderung des Kühlwassers aus einem 100 m tiefen Brunnen (4-5 m³/h)  Stromerzeugung pro Jahr:  1.400 – 1.600 MWh/a (Jahresstrombedarf von ca. 500 Haushalten)
    20. 20. Neustadt-Glewe - Fazit -  als Pilotanlage wichtiger Meilenstein in der geothermischen Technologieentwicklung in Deutschland  erstmals Belegung theoretischer Berechnungen mit realen Kraftwerksdaten  kein Prototyp für geothermische Grundlasterzeugung in Großkraftwerken  aber Demonstration, dass auch Erdwärme mit geringem Energiegehalt für die Stromerzeugung nutzbar ist
    21. 21. Quellen  BINE Informationsdienst: Geothermische Stromerzeugung in Neustadt- Glewe. 2003  Broßmann, E. et al.: Technisches Konzept des geothermischen Kraftwerks Neustadt-Glewe.  Erdwärme-Kraft GbR: http://www.erdwaerme-kraft.de/  Köhler, S.: Analysis of the Combined Heat and Power Plant Neustadt- Glewe. 2005  Köhler, S.: Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse: Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke. 2005  Köhler, S., Saadat, A.: Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung. 2000  Piacentini, A.: ORC-Prozess vs. Kalina-Prozess – Wirkungsgrad, Aufwand, Kosten, Nutzen. 2005
    22. 22. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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