1 ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa.
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1
ORC-Erdwärme-Kraftwerke
Michael Joemann & Guluma Megersa
2
Agenda
Einführung ORC-Prozesse
ORC-Anlagen im Vergleich
Prozessverlauf
Geothermie als Wärmequelle
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
3
Was ist eine ORC-Anlage…
ORC-Anlage besteht aus Verdampfer
Turbine
Kondensator
Pumpe
Arbeitsmedium: organische Arbeitsfluide
Wärmequellen zwischen 80 - 400 °C nutzbar
Modulbauweise Leistungsbereich: ca. 5 kW bis 5 MW
Einführung ORC-Prozesse
Wärm
equell
e
4
Wofür ist der ORC-Prozess gut bzw. welche Vorteile gibt es…
geringe Verdampfungstemperatur der ORC-Medien im Vergleich zu Wasser
geringer Wasserverbrauch bei Nutzung von Trockenkühlern
technisch ausreichend erprobt (vgl. Kalina Prozess)
effiziente Alternative zum CRC-Prozess
keine Gefahr der Turbine durch Tropfenschlag
sehr gute Teillastfähigkeit
Einführung ORC-Prozesse
5
Welche Wärmequellen bzw. Temperatur-niveaus können genutzt werden…Wärmequelle Geothermie
Niederenthalpielagerstätten
Hochenthalpielagetstätten
Solarthermie
Biomasse
Hochtemperaturabwärme
Niedertemperaturabwärme
TemperaturniveauNiedertemperaturprozesse
Temperaturniveau bis 150 °C
Hochtemperaturprozesse Temperaturniveau über 150
°C
Einführung ORC-Prozesse
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Welche organischen Arbeitsfluide werden eingesetzt…
Silikonöle (Polyorganosiloxane)
Kohlenwasserstoffe (Alkane, Naphtene, Aromaten: Pentan, Cyclohexan, Benzol, etc.)
Kältemittel (fluorierte und halogenierte Kohlenwasserstoffe, z.B. R264)
das Arbeitsmedium muss an die standortbezogenen Bedingungen angepasst werden
Einführung ORC-Prozesse
7
Agenda
Einführung ORC-Prozesse
ORC-Anlagen im Vergleich
Prozessverlauf
Geothermie als Wärmequelle
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Teillastfähigkeit von ORC-Modulen
Leistung 1 MWel, Temperaturniveau von 300 °C
Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008
ORC-Anlagen im Vergleich
9
Investitionskostenvergleich verschiedener Arbeitsmaschinen
Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008
ORC-Anlagen im Vergleich
10
Bekannte Hersteller von ORC-Modulen
k.A.75-k.A.AYSOLAR sunenergy systems GmbH
10 k.A.-10 - 200Sun Power Energy GmbH
≈ 8,5 - 17-180 -2256 - 120Freepower
k.A.k.A.k.A.bis 50Eneftech Inc.
k.A.k.A.-25 - 1000Electratherm Inc.
875-225UTC Power
18-27030 - 60Adaturb GmbH
885-20 - 50
18-30030 - 240Fraunhofer UMSICHT
6 - 2530 - 480k.A.Trans Pacific Energy
18-26510 - 2.700Barber Nichols
20-275500 - 2.000GMK mbH
18-270 – 320315 - 1.500Adoratec/Maxxtec
20,7-240200 – 4.500 Ormat Technologies Inc.
18-265200 - 2.000Turboden S.r.l
in %in °Cin kWel
NTHT
Volllast-Wirkungsgrad
MaximaleProzesstemperaturNetto
LeistungFirma
ORC-Anlagen im Vergleich
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Bekannte Hersteller von ORC-Modulen
k.A.75-k.A.AYSOLAR sunenergy systems GmbH
10 k.A.-10 - 200Sun Power Energy GmbH
≈ 8,5 - 17-180 -2256 - 120Freepower
k.A.k.A.k.A.bis 50Eneftech Inc.
k.A.k.A.-25 - 1000Electratherm Inc.
875-225UTC Power
18-27030 - 60Adaturb GmbH
885-20 - 50
18-30030 - 240Fraunhofer UMSICHT
6 - 2530 - 480k.A.Trans Pacific Energy
18-26510 - 2.700Barber Nichols
20-275500 - 2.000GMK mbH
18-270 – 320315 - 1.500Adoratec/Maxxtec
20,7-240200 – 4.500 Ormat Technologies Inc.
18-265200 - 2.000Turboden S.r.l
in %in °Cin kWel
NTHT
Volllast-Wirkungsgrad
MaximaleProzesstemperaturNetto
LeistungFirma
ORC-Anlagen im Vergleich
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Bekannte Hersteller von ORC-Modulen
k.A.75-k.A.AYSOLAR sunenergy systems GmbH
10 k.A.-10 - 200Sun Power Energy GmbH
≈ 8,5 - 17-180 -2256 - 120Freepower
k.A.k.A.k.A.bis 50Eneftech Inc.
k.A.k.A.-25 - 1000Electratherm Inc.
875-225UTC Power
18-27030 - 60Adaturb GmbH
885-20 - 50
18-30030 - 240Fraunhofer UMSICHT
6 - 2530 - 480k.A.Trans Pacific Energy
18-26510 - 2.700Barber Nichols
20-275500 - 2.000GMK mbH
18-270 – 320315 - 1.500Adoratec/Maxxtec
20,7-240200 – 4.500 Ormat Technologies Inc.
18-265200 - 2.000Turboden S.r.l
in %in °Cin kWel
NTHT
Volllast-Wirkungsgrad
MaximaleProzesstemperaturNetto
LeistungFirma
ORC-Anlagen im Vergleich
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Agenda
Einführung ORC-Prozesse
ORC-Anlagen im Vergleich
Prozessverlauf
Geothermie als Wärmequelle
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Zustandsänderungen des ORC-Prozesses im T-s-Diagramm
12 Polytrope Druckerhöhung des Arbeitsmittels
23 Isobare Vorwärmung durch Rekuperator
34 Isobare Erwärmung und Verdampfung bis zum
Sattdampf
45 Polytrope Entspannung des Dampfes
56 Isobare Wärmeabfuhr im Rekuperator
61 Vollständig isobare Kondensation bis zum
Siedebeginn
Quelle: Hunstock, B; Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009
Prozessverlauf
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Primärkreislauf (Thermalwasserkreislauf)
1 Bohrloch 1: Thermalwasser-Zulauf bei 100 °C bis 250 °C
2 Verdampfer
3 Bohrloch 2: Thermalwasser-Rücklauf (ca. 80°C)
Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html?
Prozessverlauf
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Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/1
2 Verdampfer
4Frischdampfleitung
5 ORC-Turbine
6 Generator
Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html?
Prozessverlauf
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Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/2
5 ORC-Turbine
7 Rekuperator
8 Kondensator
9 Speisepumpe
Quelle: http://www.gmk.info/GEOCAL_Funktionsablauf.838.html?
Prozessverlauf
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Agenda
Einführung ORC-Prozesse
ORC-Anlagen im Vergleich
Prozessverlauf
Geothermie als Wärmequelle
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Hochenthalpielagerstätten
Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen
Spezifische Enthalpie größer 2000 kJ/kg
mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe förderbar
Land Anzahl der Vulkane
Ressource in MWel
USA 133 23.000
Japan 100 20.000
Indonesien 126 16.000
Philippinen 53 6.000
Mexiko 35 6.000
Island 33 5.800
Neuseeland 19 3.650
Italien (Toskana) 3 700Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Hochenthalpie#Hochenthalpie-Lagerst.C3.A4tten
Geothermie als Wärmequelle
20
Niederenthalpielagerstätten
Oberflächennahe Geothermie Bohrtiefen bis 400 m
Temperaturniveau bis 25 °C nur indirekte Nutzung (Wärmepumpe)
Tiefen Geothermie Bohrtiefen von 400 bis 6.000 m
mittlere Temperatursteigerung entspricht 30 Kelvin pro Kilometer
Temperaturniveau etwa bis ca. 200 °C direkte Nutzung möglich (ORC)
3 Verfahren zur Wärmeentnahme:
(Tiefen-)Erdwärmesonden
Hydrothermale Systeme
Petrothermale Systeme: HDR (Hot-Dry-Rock)
Geothermie als Wärmequelle
21
Tiefe Erdwärmesonden
Geschlossenes System zur Erdwärmegewinnung Zirkulation von Wärmeträgerfluid in koaxialen Rohr
Bohrtiefen bis ca. 3000 m
Kein Kontakt des Wärmeträgerfluids mit dem Erdreich
Wärmeübertragungsfläche gering, daher geringe Wärme-Entzugsleistung
Direktverdampfende Systeme möglich (Heat-Pipes) höhere Wärme-Entzugsleistung (Verdampfungsenthalpie)
Geothermie als Wärmequelle
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Hydrothermale Geothermie
Anzapfung natürlicher Thermalwasservorkommen aus großen Tiefen Heißwasser-Aquifere (wasserführende Schichten)
Bohrtiefe bis ca. 2000 m
Temperaturen, die eine direkte Nutzung (Stromerzeugung) ermöglichen
Thermalwasserzirkulation zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter
direkte Nutzung des Thermalwassers möglich
Wasseraufbereitung nötig
Geothermie als Wärmequelle
23
Hot-Dry-Rock-Verfahren
Erdwärme aus einer Tiefe zwischen 3.000 und 6.000 Metern
Verfahren zur Herstellung eines überdimensionalen Wärmeübertragers im Erdreich zwischen zwei Bohrungen
Erweiterung von natürlichen Rissen in unterirdischen Gebirgsformationen, durch Einpressen von Wasser unter hohem Druck
Erhöhung der Permeabilität
Veränderung des Spannungsfeldes im Untergrund, daher Gefahr von leichten Erdstößen (Bsp.: Basel 2007)
Geothermie als Wärmequelle
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Nutzung der Tiefen-Geothermie
Quelle: http://www.gebo-nds.de/typo3temp/pics/66e41c98f8.png
Geothermie als Wärmequelle
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Agenda
Einführung ORC-Prozesse
ORC-Anlagen im Vergleich
Prozessverlauf
Geothermie als Wärmequelle
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Anlagenschema
Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Thermalwasserkreislauf
Tiefe der Förderbohrung: 2250 m
Tiefe der Injektionsbohrung: 2335 m
Abstand der Bohrungen: 1780 m
Temperatur des Thermalwassers: 98 °C
Salzgehalt 227 g/l (Totes Meer: 300 g/l)
Volumenstrom Thermalwasser 40 bis 110 m3/h
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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1994 Inbetriebnahme Geothermie-Heizwerk
Thermische Leistung Heizwerk: 4 - 5 MW
Gaskessel: 10 MW
Mittlere Wärmeabgabe: 16.000 MWh/a
davon 98 % durch Geothermie, 2% durch Gaskessel
Technische Daten Heizwerk
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Technische Daten ORC-Prozess
2003 Inbetriebnahme ORC-Kraftwerk Elektrische Leistung ORC-Modul: 210 kW ORC-Kraftwerksbetrieb nur im Sommer Stromerzeugung 1500 MWh/a (Jahresstrombedarf von 500 Haushalten) ORC-Turbine
Verdampfungstemperatur: 75 °C Verdampfungsdruck: 4 bar
Kondensatordruck: 1 bar Arbeitsmedium: Perfluoropentan (C5F12) Gesamtwirkungsgrad ORC-Prozess: 6,5 %
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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ORC-Modul TrockenkühlerChemische
Wasseraufbereitung
Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004
ORC-Erdwärme-Kraftwerk Neustadt-Glewe
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Quellen
http://www.igatec.de/?q=de/geothermie (13.09.2010)
Hagmann, J; Kollektoren und Wärmekraftmaschinen – Potenzialstudie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Fraunhofer ISE, Freiburg, 2008; http://www.mss-csp.info/cms/upload/pdf/6_medifres-jh-080130-wirtschaftlichkeit.pdf (13.09.2010)
Hunstock, B.: Auswertung der Messdaten einer an einen Biogasmotor gekoppelten Organic-Rankine-Cycle Anlage, Diplomarbeit, Ruhr-Universität Bochum, 2009
Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004; http://www.life-needs-power.de/2004/pdfs/040421_12.00.pdf (13.09.2010)
http://www.erdwaerme-kraft.de/ (13.09.2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Hochenthalpie#Hochenthalpie-Lagerst.C3.A4tten (13.09.2010)
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Fazit
ORC-Prozess… …ist geeignete Technologie zur Erschließung von
Niederenthalpie-Lagerstätten für die Stromerzeugung… ermöglicht die Nutzung von hydrothermalen- oder
petrothermalen Verfahren … ist mit vergleichsweise hohen Wirkungsgraden realisierbar… hat ein sehr gutes Teillastverhalten… ermöglicht die Expansion in den überhitzten Bereich
kein Tropfenschlag… hat niedrige Wartungs- und Instandhaltungskosten ... ist derzeit eher ein Nischenmarkt
33
Fazit
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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35
T-s-Diagramme im Vergleich
S in KJ/Kg*K
T i
n K
S in KJ/Kg*K
T i
n K
T-s-D iagram m Wasser T-s-D iagram m O rganisches Arbeitsm itte l
3 4
5
6
2
1
2
34
5
ORC
6
Wasser-DampfProzess
ORC-Prozess
Prozessverlauf
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Hot-Dry-Rock-Verfahren
Projekte
Max. Gesteinstem
p.
[°C]
Tiefe des Reservoirs
[m]
Wasser-Verluste
[%]
Thermische Leistung
[MWhth]
Los Alamos (USA)
232 3500 <10 ~5
Rosemanowes (UK)
80 2000 ~25 ~4
Hijiori (Japan) 270 2200 ~25 ~7
Soultz (F) 168 3500 0 ~11
Soultz (F) 202 5000 0 ~50Quelle: http://www.soultz.net/version-en.htm
Geothermie als Wärmequelle