Technologien zur Nutzung der Erdwärme zur Stromerzeugung
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<strong>Technologien</strong> <strong>zur</strong> <strong>Nutzung</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Erdwärme</strong> <strong>zur</strong> <strong>Stromerzeugung</strong><br />
Entwicklungsstand und<br />
Perspektiven<br />
Prof. Dr.-Ing. Lothar Petry<br />
08.11.2006
Übersicht<br />
• Prinzipien <strong>der</strong> <strong>Stromerzeugung</strong><br />
• Konventionelles Dampfkraftwerk<br />
• Geothermische Kraftwerke<br />
• Ausblick<br />
Lardarello (1. geoth. Kraftwerk)<br />
Weltweit install. Leistung<br />
Flash-Prozesse<br />
ORC<br />
Kalina<br />
Neustadt-Glewe<br />
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Prinzipien <strong>der</strong><br />
<strong>Stromerzeugung</strong><br />
• getrennte Ladungen (Batterien)<br />
• Ladungstrennung (PV-Anlagen)<br />
• Induktion<br />
(Synchrongeneratoren)<br />
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Turbinen-Generator-Einheit<br />
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Dampfkreislauf<br />
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Prinzip <strong>der</strong> Dampfturbine<br />
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Turbinenquerschnitt<br />
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Generator mit Turbine<br />
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Der Stator<br />
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Der Rotor<br />
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Drehstromgenerator<br />
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Konventionelles<br />
Dampfkraftwerk<br />
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pV-Diagramm<br />
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Ts-Diagramm<br />
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thC<br />
T0<br />
= 1−<br />
T<br />
Beispieldaten konventioneller<br />
Dampfkraftwerke<br />
• Frischdampfdruck p = 150…250 bar<br />
• Frischdampftemperatur T = 530...550°C<br />
• Kondensatordruck p0 = 0,04 bar<br />
• Kühlmitteltemperatur T0 = 25°C<br />
• Wirkungsgrad beim Clausius-Rankine-Prozess:<br />
ηthCR = 43…45 % (real)<br />
• Wirkungsgrad beim Vergleichsprozess (Carnotscher<br />
Kreisprozess):<br />
ηthC = 1 – T0 / T = 61,4 % (theoretisch)<br />
• Kraftwerkswirkungsgrad<br />
η el = 36…39 %<br />
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Geothermische Kraftwerke<br />
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Lar<strong>der</strong>ello (Italien)<br />
• 1827 Francesco Lar<strong>der</strong>el verwendet den<br />
heißen Dampf <strong>zur</strong> Borgewinnung.<br />
• 1904 Erzeugung el. Stromes mittels geotherm.<br />
Energie<br />
• Trockendampf aus 1000 m Tiefe, 245 °C<br />
• Ab 1910 Verwendung des Dampfes zum<br />
Heizen in <strong>der</strong> Industrie.<br />
• 1913 bereits 250 kW el. Leistung.<br />
• 1942 Erzeugung von 127 MW el. Leistung.<br />
• Erzeugung heutzutage beträgt ca. 500 MW<br />
(deckt 1,5 % des Strombedarfs in Italien).<br />
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Lar<strong>der</strong>ello<br />
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Geothermie Kraftwerk<br />
Nesjavellir (Island)<br />
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USA<br />
Weltweit installierte<br />
geothermische Leistung<br />
Mexiko<br />
Italien<br />
Japan<br />
Island<br />
Land<br />
Philippinen<br />
Indonesien<br />
Restliche<br />
Jahr 2000 (MW)<br />
2228<br />
1909<br />
755<br />
590<br />
632<br />
547<br />
170<br />
1142<br />
Jahr 2003 (MW)<br />
2020<br />
1931<br />
953<br />
807<br />
791<br />
561<br />
200<br />
1139<br />
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Geothermie-Kenndaten<br />
• Heiß- und Trockendampf T > 150 °C:<br />
Direkte <strong>Nutzung</strong> in Turbinen<br />
• Heißwasser T > 150 °C:<br />
Flash-Systeme (Single und Double Flash)<br />
• T < 150 °C o<strong>der</strong> aggressives<br />
Thermalfluid o<strong>der</strong> Druck zu niedrig:<br />
Binäranlagen (Kalina o<strong>der</strong> ORC)<br />
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Wirkungsgrade<br />
verschiedener Prozesse<br />
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Single-Flash<br />
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Ts-Diagramm Single-Flash<br />
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Single-Flash mit Kondensator<br />
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Ts-Diagramm Single-Flash<br />
mit Kondensator<br />
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ORC-Regenerator<br />
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Ts-Diagramm<br />
ORC-Regenerator<br />
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Kalina-Prozess<br />
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Geothermisches Kraftwerke<br />
(Prinzipdarstellung)<br />
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Flussdiagramm Húsavíkur<br />
Kraftwerk<br />
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Kalina-Prozess<br />
(Verdampfung)<br />
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Kalina-Prozess<br />
(Kondensation)<br />
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Geothermie Heiz-Kraftwerk<br />
Neustadt-Glewe<br />
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Fakten zum Heizwerk<br />
• Tiefe <strong>der</strong> För<strong>der</strong>bohrung: 2250m<br />
• Tiefe <strong>der</strong> Injektionsbohrung: 2335m<br />
• 16.000 MWh/a, davon bis zu 98 %<br />
geothermische Wärme<br />
• Geothermische Wärmeleistung: 10.400 kW<br />
• För<strong>der</strong>temperatur <strong>der</strong> Sole: 97°C am<br />
Sondenkopf<br />
• För<strong>der</strong>menge:40-110 m³/h<br />
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Neustadt-Glewe<br />
1. deutsches ORC-Kraftwerk<br />
• 1989 Bohrung (2455m), 98 °C heißes<br />
Thermalwasser.<br />
• 1994 Inbetriebnahme Geothermie-Heizwerk,<br />
10,4 MW, 40 bis 110 m 3 /h Thermalwasser,<br />
Salzgehalt 227 g/l (Totes Meer: 300 g/l).<br />
• 2004 Inbetriebnahme ORC-Kraftwerk, 210kW.<br />
• 140 kW-För<strong>der</strong>pumpe pumpt aus 260 m Tiefe.<br />
• Arbeitsmedium Perfluorpentan (C5F12) siedet<br />
ab 30 °C.<br />
• Wirkungsgrad ca. 6 %.<br />
• Kraftwerksbetrieb nur im Sommer .<br />
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Produktionsschema<br />
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Fakten zum ORC-<strong>Erdwärme</strong>-<br />
Kraftwerk<br />
• Elektrische Leistung: bis 230 KW<br />
• Nutzbare geothermische Wärme: 98°C bis 71°C, ca.3000 kW<br />
• ORC-Turbine:<br />
- einstufig mit drei Düsengruppen<br />
- Wirkungsgrad von 6,5%???<br />
- Verdampfungstemperatur ca. 75°C<br />
- Verdampfungsdruck ca. 4 bar<br />
• Kondensatordruck: ca. 1 bar<br />
• Siedetemperatur des organischen Mediums bei Normaldruck:<br />
31°C<br />
• Synchrongenerator: 250 kVA, 3000 U/min<br />
• <strong>Stromerzeugung</strong>: 1.400-1.600 MWh/a<br />
• Im Jahr 2004 erzeugte Strommenge 424.000 kWh<br />
• Durch Erneuerung des EEG 15 Cent/kWh<br />
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ORC-Kraftwerk<br />
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Ausblick<br />
• Niedrige Temperaturen und<br />
Drücke des Thermofluids in<br />
Deutschland ?<br />
Kein konv. Dampfprozess<br />
ORC bei mittleren Temperaturen<br />
Kalina bei niedrigen Temperaturen<br />
Niedrige Wirkungsgrade<br />
Hohe Anlagenkosten<br />
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Literaturverzeichnis<br />
Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme, Hanser<br />
Verlag 2006<br />
Thomas B. Johansson u.a.: Renewable Energy, Island<br />
Press, 1993<br />
Páll Valdimarson: Tiefe Geothermie-Verstromung,<br />
Geothermal Summer School, TU Darmstadt, 2006<br />
www.xorka.com/technology.asp, 2006<br />
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