1 ORC-Erdwärme-Kraftwerke Michael Joemann & Guluma Megersa.

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ORC-Erdwärme-Kraftwerke

Michael Joemann & Guluma Megersa

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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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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


Wärm

equell

e

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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


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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


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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


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Agenda



Prozessverlauf



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Teillastfähigkeit von ORC-Modulen

Leistung 1 MWel, Temperaturniveau von 300 °C

Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008


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Investitionskostenvergleich verschiedener Arbeitsmaschinen

Quelle: Hagmann, J; Workshop MEDIFRES, Fraunhofer ISE, 2008


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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


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≈ 8,5 - 17-180 -2256 - 120Freepower



875-225UTC Power


885-20 - 50




20-275500 - 2.000GMK mbH



18-265200 - 2.000Turboden S.r.l

in %in °Cin kWel

NTHT



LeistungFirma


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≈ 8,5 - 17-180 -2256 - 120Freepower



875-225UTC Power


885-20 - 50




20-275500 - 2.000GMK mbH



18-265200 - 2.000Turboden S.r.l

in %in °Cin kWel

NTHT



LeistungFirma


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Agenda



Prozessverlauf



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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


Prozessverlauf

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Sekundärkreislauf (ORC-Arbeitsmedium)/2

5 ORC-Turbine

7 Rekuperator

8 Kondensator

9 Speisepumpe


Prozessverlauf

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Agenda



Prozessverlauf



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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


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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)


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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)


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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


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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)


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Nutzung der Tiefen-Geothermie

Quelle: http://www.gebo-nds.de/typo3temp/pics/66e41c98f8.png


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Agenda



Prozessverlauf



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Anlagenschema

Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004


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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


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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


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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 %


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ORC-Modul TrockenkühlerChemische

Wasseraufbereitung

Quelle: Schnauß, A; Vattenfall Europe, 2004


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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

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Fazit

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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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


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