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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20072
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20073
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20074
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20075
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20076
Geothermisches Heizwerk - Lage
Förderbohrun
g & Kraftwerk
Heizwerk
Injektionsbohrung
Quelle: Google Earth (2007)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20077
Geothermisches Heizwerk - Funktionsprinzip
Geschlossener
Primärkreislauf
FörderbohrungInjektionsbohrun
g
Geothermisches
Kraftwerk
Geothermisches
Heizwerk
Fernwärmenetz
Quelle: BiNE Informationsdienst (2003)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20078
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 20079
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200710
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200711
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200712
Organic-Rankine-Cycle
70 °C21 °C
28 °C
30 °C
80 °C97 °C
Quelle Abb.: Silke Köhler,2005
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200713
ORC- Prozess
Quelle: Silke Köhler,2005
5 – 6 Enthitzung
6 – 1 Kondensation
1 - 2 Druckerhöhung
2 – 3 Vorwärmung
3 – 4 Verdampfung
4 – 5 Entspannung
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200714
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200715
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200716
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200717
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200718
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200719
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
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200720
Ausblick
Quelle: Stand November 2003
nach Kaltschmitt et al. ( 2003)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200721
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)
Bastian Schmitt Neustadt- Glewe Geothermie SS 200722
Wirkungsgrad