2 Tiefe Geothermie

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2 Tiefe Geothermie

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2.1 Das Prinzip des HDR-Verfahrens

Die Abkürzung HDR steht für Hot Dry Rock. Beim HDR-Verfahren wird (kaltes)

Wasser durch eine Injektionsbohrung in eine möglichst heiße, möglichst poröse

Gesteinsschicht eingepresst. Entweder es liegt schon ein Aquifer vor oder es

entsteht ein künstliches Aquifer, durch das das Wasser gedrückt wird. Dabei

erhitzt es und wird durch Förder- oder Produktionsbohrungen wieder entnommen.

Dieses heiße Wasser kann zu Heizzwecken, ggf. auch zur Dampferzeugung

verwendet werden. Eine anschauliche Darstellung findet sich in Abbildung

2.1.

Abb. 2.1: HDR-Verfahren, Darstellung des Prinzips

(Grafik: Häring Geothermal Explorers Ltd)

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Der Kreislauf Verpressen – Erhitzen im Aquifer – Fördern ist in zweierlei Hinsicht

problematisch. Erstens lösen sich im Wasser natürlich mineralische Stoffe,

die mit dem Wasser nach oben gefördert werden. Wenn es dabei zu nennenswerten

Druck- und/ oder Temperaturänderungen kommt, dann wird das

Lösungsgleichgewicht gestört. Die Konstante des Massenwirkungsgesetzes

hängt normalerweise nach einem Arhenius-Gesetz

von Druck und Temperatur ab, so dass sich das Verhältnis der Konzentrationen

der Komponenten mit Druck und Temperatur ändert. Daher ist damit zu rechnen,

dass mineralische Stoffe beim Fördern des Wassers ausfallen und die

Rohre inkrustieren. Je nach chemischer Beschaffenheit des Wassers müssen

geeignete Maßnahmen gegen das Ausfallen mineralischer Stoffe getroffen werden.

Zweitens entstehen beim Fördern des Wassers Reibungsdruckverluste. Daher

wird das Wasser beim Fördern immer auch entspannt. Es muss daher eine

geeignete Druckhaltung installiert sein, die den Druck immer über dem Siededruck

hält, um Dampfbildung und ggf. das Zusammenfallen von Dampfblasen

(Kavitation) zu vermeiden. Nimmt man als Beispiel die in Lardello erreichten

330 °C, so bedeutet dies, dass der Druck in der Produktionsbohrung und den

zugehörigen oberirdischen Leistungen auf ca. 130 bar oder mehr gehalten werden

muss.

Beide Effekte sind gute Gründe dafür, die Wasserwärme nicht direkt, sondern

fast immer indirekt mit Hilfe von Wärmeübertragern zu nutzen. Das heiße geförderte

Wasser wird also z. B. zur indirekten Beheizung eines Dampferzeugers

verwendet, dessen Dampf dann z. B. in einer normalen Dampfturbine entspannt

werden kann.

Jeder der in Frage kommenden thermodynamischen Kreisprozesse bedarf an

der ein oder anderen Stelle der Rückkühlung. Wenn denn – wie in Lardello – ein

Gegendruck-Kraftwerk mit geothermisch erzeugtem (Wasser-) Dampf betrieben

wird, kann dies ein konventionelles Rückkühlwerk (»Kühlturm«) sein (vgl.

Abbildung 2.2). Fällt die Abwärme auf tiefem Temperaturniveau an, kann sie

(natürlich wieder über Wärmeübertrager) direkt in die Injektionsbohrung zurückgespeist

werden. Hierfür sieht man heute eine Temperatur von 25 °C als optimal

an.

Wenn die geothermischen Verhältnisse nicht so gut wie in der Toskana oder auf

Island sind, erreicht man in Tiefen von 4.000 … 5.000 m Temperaturen von 130

… 150 °C, die auf die Temperatur der oberflächennahen Erdschichten, also bis

auf ca. 20 °C zurückgekühlt werden können. Für derartige Temperaturen ergibt

sich ein Carnot-Wirkungsgrad von

10

�A���B� �AB ... �

...

� Const

�a/ T � b p�

Const � exp �

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T � Tu

403 � 293

�Carnot

� � � 27 %

(2.1)

T 403

was nicht übermäßig hoch ist. Um dann wenigstens die technisch unvermeidbaren

Verluste gering zu halten, wird als Arbeitsmittel im Normalfall nicht mehr

Wasserdampf eingesetzt. In Frage kommen die aus der Kältetechnik bekannten

Kältemittel, hier insbesondere PF 5050 (3m Company) und Pentan sowie R 123

(Solvay) und Ammoniak (vgl. die folgenden Abschnitte).

Abb. 2.2: Ansicht des geothermischen Kraftwerks in Lardello

(Foto: Geothermal Education Office)

2.2 Standortbewertung

Hier soll nicht der Frage nachgegangen werden, ob beispielsweise ein bestimmtes

versorgungstechnisches System sinnvoll ausgelastet werden kann, sondern

allein der Frage, ob geothermische Wärme sinnvoll produziert werden kann.

An erster Stelle sollte die Temperatur an der oberen Grenze des Aquifers

betrachtet werden. Es gilt, dass höhere Temperaturen besser als niedrige sind.

Erstens erweitern höhere Temperaturen den Anwendungsbereich, zweitens

bedeutet eine höhere Temperatur bei gleicher geforderter Wärmeleistung und

gleich bleibender Rücklauftemperatur (z. B. nach EU-Empfehlung von 25 °C)

einen geringeren Fördervolumenstrom und damit einen geringeren Aufwand an

Förderenergie, wasserchemischer Verfahrenstechnik usw.

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Natürlich muss das Aquifer auch noch mit akzeptablem Aufwand aufgeschlossen

werden können. Daher ist die zweite Forderung die nach einer möglichst

geringen Tiefe der Oberkante des Aquifers.

Drittens sollte die thermische Kapazität (»Ressource«) des Aquifers hoch sein,

damit die Wärmelieferung lange Zeit anhält. Es sollte daher eine hohe Wärmekapazität

insgesamt vorliegen. Die Wärmekapazität wiederum hängt von der

Masse und der spezifischen Wärmekapazität ab. Für die Masse ist die Mächtigkeit

(Dicke) des Aquifers ein Maß. Die spezifische Wärmekapazität hängt im

Wesentlichen von der Porosität ab. Die Porosität ist derjenige Volumenanteil,

der nicht vom festen Grundmaterial ausgefüllt ist, also von Wasser ausgefüllt

werden kann. Da alle Silikate eine gegenüber Wasser schlechte spezifische

Wärmekapazität (übrigens auch eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit,

vgl. Abschnitt 6.2.) haben, steigt die spezifische Wärmekapazität mit dem Wassergehalt,

also mit der Porosität.

Üblicherweise wird die Wärmekapazität H flächenbezogen angegeben. Es gilt

mit

12

H � H �R

1

0

0

0

��1�P���c�P��c������ H � A �z



m

P,

m

W

(2.2a)

(2.2b)

wobei A die betrachtete Fläche, �z die Mächtigkeit, P die Porosität, �, c P Dichte

und spezifische Wärmekapazität des Gesteinsmaterials (m) bzw. von Wasser

(W) und � t,0 die Temperaturen an der Oberfläche des Aquifers bzw. an der Erdoberfläche

sind. R 0 ist der ausbringbare Anteil der Wärme, für den

R

0


0,

33

t

t

r

0

(� r Reinjektionstemperatur) für Systeme mit Produktions- und Reinjektionsbohrung

bzw.

R0 � 0,

1



� �

� �

für Systeme ohne Reinjektion angegeben wird.

Die wichtigsten Parameter Temperatur, Tiefe, Dicke und flächenbezogene

Wärmekapazität sind heute mindestens für Europa auf Grund seismologischer

Messungen und der direkten Kenntnisse aus den verschiedenen Bohrungen

kartografiert und in geothermischen Atlanten zusammengestellt. Abbildung 2.3

zeigt als Beispiel die geothermischen Verhältnisse in Mecklenburg-Vorpommern.

P,

W

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t

0


Abb. 2.3: Geothermischer Atlas von Mecklenburg-Vorpommern

Oben Tiefe (links) und Dicke des Aquifers,

unten Temperatur (links) und Wärmekapazität des Aquifers.

(Quelle: Hurter/Haenel (Eds.), Atlas of Geothermal Resources in Europe

(2002), Publication EuR 17811)

(Quelle: [Atlas of Geothermal Resources in Europe], © Europäische

Gemeinschaften, [2003] Publication EuR 17811)

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2.3 Der ORC-Prozess

Ein ORC-Prozess (»Organic Rankine Cycle«) ist geeignet, Wärme niedriger

Temperatur in mechanische Arbeit umzuwandeln. Wegen der niedrigen

Prozesstemperaturen werden organische Arbeitsmittel (Kältemittel) verwendet.

Im Grunde wird ein Rankine-Prozess angestrebt. Wegen einer Besonderheit

der Stoffeigenschaften der verwendbaren Kältemittel, nämlich dem »Overhang«

im T - s - Diagramm (siehe Abbildung 2.4), kann die Entspannung von

überhitztem Dampf nicht auf die Phasengrenzlinie bzw. in das Nassdampfgebiet

führen, wie dies z. B. mit Wasserdampf im Rankine-Prozess möglich ist.

Overhang bedeutet, dass die Verdampfungskurve im Wesentlichen eine positive

Steigung hat. Daher muss der Rankine-Prozess noch um eine Prozessstufe

erweitert werden, bei der der entspannte Dampf bis auf die Phasengrenze

herab gekühlt wird.

Abb. 2.4: ORC-Prozess im �-s-Diagramm (Beispiel PF 5050, Perfluoropentan C 5 F 12 )

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Die Prozessschritte sind im Einzelnen:

1���2 Möglichst isentrope Expansion des überhitzen Dampfs in einer Turbine.

2���3 Isobare Kühlung bis zur Phasengrenze. Es ist sinnvoll und üblich,

die hierbei frei werdende Wärme zur Vorwärmung der flüssigen

Phase (5���6) zu verwenden.

3���4 Kondensation des Dampfs.

4���5 Druckerhöhung durch Speisepumpe.

5���6 Isobare Vorwärmung der flüssigen Phase.

6���1 Erhitzen, Verdampfen, Überhitzen durch externe (geothermische)

Wärmezufuhr.

Das Prozessschema einer geothermischen ORC-Anlage, wie sie beispielsweise

im Kraftwerk Neustadt-Glewe gebaut wurde, ist in Abbildung 2.5 und 2.6

dargestellt. Die angegebenen Parameter sind aus den Dampftafeln für PF 5050

theoretisch für den idealen Prozess und die angegebenen Temperaturen des

Thermalwassers 130/70 °C) ermittelt.

Abb. 2.5: Prozessschema einer ORC-Anlage, Parameter für Thermalwassertemperaturen

von 130/70 °C und PF 5050

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Abb. 2.6: Schema der Nutzung der Geothermie in Neustadt-Glewe

Abb. 2.7: ORC-Kreislauf im Kraftwerk Neustadt-Glewe (Foto: Erdwärme-Kraft-GbR)

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2.4 Der Kalina-Prozess

Der Kalina-Prozess ist ein ORC-Prozess mit Ammoniak (NH 3 ) als Arbeitsmittel.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wie auch des Wärmeübergangs in verschiedenen

Wärmeübertragern, die auf einer Seite mit Flüssigkeit, auf der

anderen Seite mit Dampf betrieben werden, wird der NH 3-Dampf außerhalb der

Turbine wie bei einer Absorptionskältemaschine in Wasser gelöst. Vor der Turbine

werden in einem Separator (einem Behälter ähnlich einem Austreiber) alle

flüssigen Bestandteile abgeschieden. Dabei reichert sich das NH 3 (dampfförmig)

an und wird in der Turbine entspannt. Die flüssige Phase wird in einem

zusätzlichen Hochtemperatur-Rekuperator zur Vorwärmung genutzt. Dabei

werden Wirkungsgradverbesserungen in der gleichen Größenordnung wie bei

der Anzapf-Vorwärmung beim Clausius-Rankine-Prozess erreicht. Das Prozessschema

ist in Abbildung 2.8 dargestellt, der Temperaturverlauf in Anlehnung

an die Temperaturdarstellung von Wärmeübertragern in Abbildung 2.9

Abb. 2.8: Kalina-Prozess, Schema

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Abb. 2.9: Darstellung der Temperaturen beim Kalina-Prozess über der Leistung (schematisch)

Wenn man allein auf den Entspannungsprozess des Ammoniaks achtet, könnte

man den Kalina-Prozess näherungsweise im h - log p – Diagramm für NH 3 wie

in Abbildung 2.10 darstellen. Zur Vervollständigung wird noch das 1/T - log p -

Diagramm von Wasser/ Ammoniak benötigt, um die Lösungs- und Austreiber-,

und Mischungsvorgänge darzustellen. Schlagwortartig ausgedrückt entspricht

der Kalina-Prozess einer rückwärts laufenden Absorptions-Kältemaschine.

2.5 Arbeitsmittel, Wirkungsgrad

Als Arbeitsmittel kommen für ORC-Prozesse die üblichen Kältemittel in Frage.

Wenn geothermisch Temperaturen von 100 … 150 °C bereitgestellt werden

können, sind dies hauptsächlich PF 5050, Pentan, R123 und Ammoniak.

PF 5050 ist Perfluoropentan (C5F12 ). Es ist daher ein FKW und dürfte als ozonunschädlich

anzusehen sein. PF 5050 dürfte für ORC-Prozesse mit den

genannten Temperaturen in Abwägung aller Stoffeigenschaften am meisten

geeignet sein. Pentan ist C5H12 und kann aus verschiedenen Quellen bezogen

werden. Die Form des Phasendiagramms ähnelt dem von Perfluoropentan bei

allerdings wesentlich höherem kritischem Punkt. Bei R123 handelt es sich um

CHCl2CF3 . R123 ist ein HFCKW (»Übergangskältemittel«), das wegen des

geringen ODP von 0,02 trotz Halon-Verbots-Verordnung noch verwendet werden

darf.

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Abb. 2.10: Näherungsweise Darstellung des Kalina-Prozesses in h - log p - und 1/T - log p - Diagramm

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Ammoniak (NH3 ) kann aus verschiedenen Quellen bezogen werden. Wegen

seiner Toxizität wird es nicht gern eingesetzt. Auch sind seine energetischen

Eigenschaften für ORC-Prozesse nicht optimal.

Hier sollen die Arbeitsmittel miteinander verglichen werden. Dazu wird der in

Abbildung 2.4 bzw. 2.5 dargestellte ORC-Prozess mit den dort angegebenen

Temperaturen verwendet. Punkt 1 des Prozesses entspricht einer Temperatur

von 120 °C. Punkt 3 ergibt sich aus der Phasengrenze bei 30 °C Rückkondensationstemperatur.

Punkt 2 entspricht dem Schnittpunkt der Isentropen (ideale

Entspannung 1 � 2) durch Punkt 1 und der Isobaren durch Punkt 3 (Isobare

Abkühlung 2 � 3). Punkt 4 ist die Phasengrenze zur flüssigen Phase bei 30 °C.

Die Punkte 5 und 6 müssen so eingepasst werden, dass die Enthalpiedifferenz

dazwischen derjenigen zwischen 2 und 3 entspricht, dass Punkt 6 auf der Phasengrenze

liegt und dass Punkt 5 bei der gleichen Entropie wie Punkt 4 liegt

(ideale, isentrope Speisepumpe). Von dort aus wird isotherm verdampft und die

Taulinie erreicht. Anschließend wird bis Punkt 1 isobar überhitzt. Dieser Prozessverlauf

lässt sich nur iterativ bestimmen.

Abb. 2.11: Energetischer Vergleich von Kältemitteln für den ORC-Prozess

Mit dieser Konstruktionsvorschrift ist der ideale ORC-Prozess zwischen den

Temperaturen 120 und 30 °C eindeutig festgelegt. Dieser Prozess lässt sich

zum energetischen Vergleich von Arbeitsstoffen verwenden, indem man den

inneren Wirkungsgrad als

berechnet.

20

h

� �

h

1

1

� h

� h

2

6

(2.3)

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Für diejenigen Arbeitsmittel, für die die Stoffdaten verfügbar waren, ist das

Ergebnis in Abbildung 2.11 dargestellt.

Erkennbar ist R123 mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 % am besten

geeignet. Nimmt man zur Beurteilung noch Umweltkriterien (ODP, GWP) hinzu,

so dürfte PF 5050 am besten abschneiden. NH3 erscheint wegen des geringen

Wirkungsgrads weniger geeignet. Es dürfte in diesem Zusammenhang eher als

ein Hilfsmittel zur direkten Nutzung geothermischer Energie ohne Wärmeübertrager

mehr von historischer Bedeutung sein (Anmerkung zur Sicherheit: Im

Kalina-Kreislauf werden mit NH3 als Arbeitsmittel und H2O als Lösungsmittel

deutlich bessere Wirkungsgrade als oben angegeben erreicht. Die Auslegung

von Kalina-Prozessen liefert bei vergleichbaren Temperaturen theoretische

innere Wirkungsgrade von etwas mehr als 20 % und ist damit dem ORC-Prozess

mit R123 vergleichbar).

Auch Direktverdampfer steigern den Wirkungsgrad des ORC-Prozesses nicht.

Beim Direktverdampfer wird das Arbeitsmedium direkt im Bohrloch ohne

Zwischenmedium (Wasser) verdampft. Das Bohrloch muss dazu natürlich

gegen das Gestein abgedichtet sein.

Abb. 2.12: Möglicher Systemaufbau für ein direkt verdampfendes System

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Abb. 2.13: Vergleich eines mit Thermalwasser beheiztem ORC-Prozess mit einem

direkt verdampfendem gleichartigen Prozess (PF 5050)

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Durch eine oberflächennahe Rückkühlung könnte das Arbeitsmittel kondensiert

werden. Es ist denkbar, diese Wärme z. B. mit Wärmepumpen teilweise wieder

zu Heizzwecken zu nutzen. Die Grundidee ist in Abbildung 2.12 dargestellt. Für

Wärmepumpenanlagen der »flachen« Geothermie bis zu ca. 100 m Tiefe ist die

Technik des Direktverdampfers für NH3 für den Kältekreis der Wärmepumpe

durchaus geläufig.

Anhand des Arbeitsmittels PF 5050 und des ORC-Prozesses aus Abbildung 2.5

soll dargestellt werden, dass sich der Wirkungsgrad nicht steigern lässt. Wenn

im Bohrloch eine Temperatur von 130 °C erreichbar ist, kann man davon ausgehen,

dass auch der PF 5050 – Dampf auf 130 °C erhitzt werden kann. Mit

Wasser als Zwischenmedium mögen nur 120 °C erreicht werden. Wie in Abbildung

2.12 dargestellt, soll der direkt verdampfende Kreislauf gegen eine oberflächennahe

Erdtemperatur von ca. 10 °C zurückkondensiert werden, so dass

das Kondensat auf 15 °C gekühlt wird. Der indirekt beheizte ORC-Prozess soll

mit einem normalen Rückkühlkreis auf 30 °C zurückkondensiert werden. Temperaturen

von 120/30 °C stehen Temperaturen von 130/15 °C beim Direktverdampfer

gegenüber.

Wie oben in diesem Abschnitt dargestellt werden für beide Temperaturpaare die

Prozesse ohne Berücksichtigung von Druckverlusten im Verdampfer konstruiert.

In Abbildung 2.13 sind die wichtigsten Prozessparameter angegeben.

Einem theoretischen inneren Wirkungsgrad von 23,3 % steht beim Direktverdampfer

trotz vermeintlich günstigerer Temperaturen ein Wirkungsgrad von nur

20 % gegenüber.

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