DDR

1. Geothermische Stromerzeugung
- Erdwärme-Heizkraftwerk Neustadt-Glewe -
Vortrag in der Vorlesung
Geophysik/Geothermie
Katharina Steffes
4. September 2008

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Kraftwerkstechnik - Organic Rankine Cycle -

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. 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. Kraftwerkstechnik - Kalina-Prozess -

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. 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. 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. 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. 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. 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. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!