Projekt Deep Heat Mining -Geothermisches Heizkraftwerk im Fernwärmenetz

Fernwärme-Fachtagung 12. April 2005

Daniel MollGeschäftsführer Geopower Basel AGLeiter Anlagen und Netze/IWB

Folie 2

Inhaltsverzeichnis

• Rahmenbedingungen für die Realisierung

• Projektaufbau in Phasen

• Projektgesellschaft Geopower Basel AG

• Finanzierung des Projektes

• Risikominderung

• Anlagenkonzept

• Wirtschaftlichkeit

• Fernwärmenetz

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• CO2 – Problematik

• Steigender Stromverbrauch

• Ersatz von Kraftwerken

Ausbau erneuerbarer Energien vordringlichSonne, Wind, Biomasse, Erdwärme

Energiewirtschaftliche Herausforderungen:

Folie 4

CO2-Emmision 1990: 100 = 2'422'500 to

85.0

90.0

95.0

100.0

105.0

110.0

1990 1995 2000 2005 2010

Index

Effektiver/Prognostizierter CO2 Ausstoss (Lufthygieneamt BS/BL)CO2 Ziel nach Kyoto

Prognose

∆ = 12%= 315‘000 to/a

Ziel

CO

2-E

mis

sion

en

In der NW-CH beträgt die “Zielverfehlung“ ca. 12% der CO2 -Emissionen (Basis 1990) bzw. 315‘000 t/a.

CO2-Entwicklung BS / BL

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100 b illion ba rre ls

Crude o il

Natural g as Co al

Nuc le ar

Ge o the rmal S o lar Wind

1900 2000 2100

50

100

150

Mill

iard

en F

ass

Öl

Quelle: Edwards, AAPG, 1997

bei gleichbleibendem mittleren pro-Kopf Verbrauch!

Künftiger Energiebedarf

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Hydro

Solar

Wind

Geoth.

Winter SommerAusserdem:

• CO2-frei

• Nachhaltig

• Einheimisch

• Unauffällig

• Günstig

DHM liefert Bandenergie

Eigenschaften der Geothermie

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Mögliche Gebiete für Deep Heat Mining (CH)

Technische Eignung

Geologische Eignung

abnehmend unbekannt

abnehmend unbekannt

hypothetisch

50 Anlagen à 50 MWe= 33% Stromprod. CH

Fernwärmenetze

N W SE

Daubenhorn R h™neN iesenGurn igelVully FendringenChasseralF rance/SchweizDoubs

0 k m

5 k m

1 0 k m

0 k m

5 k m

1 0 k m

2 0 0 °C

Technische Eignung

Geologische Eignung

abnehmend unbekanntabnehmend unbekannt

abnehmend unbekanntabnehmend unbekannt

hypothetisch

50 Anlagen à 50 MWe= 33% Stromprod. CH50 Anlagen à 50 MWe= 33% Stromprod. CH

FernwärmenetzeFernwärmenetze

N W SE

Daubenhorn R h™neN iesenGurn igelVully FendringenChasseralF rance/SchweizDoubs

0 k m

5 k m

1 0 k m

0 k m

5 k m

1 0 k m

2 0 0 °C

N W SE

Daubenhorn R h™neN iesenGurn igelVully FendringenChasseralF rance/SchweizDoubs

0 k m

5 k m

1 0 k m

0 k m

5 k m

1 0 k m

2 0 0 °C

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EIE

RS

CH

ALE

WNW ESE

RheingrabenVogesen Schwarz-wald

OtterbachKleinhüningen

Rhein

BASEL

Oberkruste(spröd)

Unterkruste

Lithosphärischer Mantel(plastisch)

Mohorovicic-Diskontinuität

10 km

TertiärMesozoikumPermokarbonGrundgebirgeDHM Reservoirbereich

EIE

RS

CH

ALE

EIE

RS

CH

ALE

EIE

RS

CH

ALE

EIE

RS

CH

ALE

WNW ESE

RheingrabenVogesen Schwarz-wald

OtterbachKleinhüningen

Rhein

BASEL

Oberkruste(spröd)

Unterkruste

Lithosphärischer Mantel(plastisch)

Mohorovicic-Diskontinuität

10 km

TertiärMesozoikumPermokarbonGrundgebirgeDHM Reservoirbereich

Schnitt durch den Rheingraben

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Sondierbohrung Otterbach

Resultat:• Abgetäuft im Jahr 2001• Erreichte Tiefe: 2‘755 m• Bei der Endteufe betrug die

Temperatur 124°C• Dies entspricht einem

geothermischen Gradientenvon 4°C pro 100 m

• Die Bohrung wird im Projekt als Beobachtungs- und Mess-standort weiterverwendet

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• Standort Oberrheingraben

• Erdgas und Fernwärmenetz vorhanden

• IWB als Querverbundunternehmen

• Kanton und IWB der Nachhaltigkeit verpflichtet

• Erfahrung im Verkauf von Ökoenergie

Günstige Rahmenbedingungen für Deep Heat Mining

Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen für das DHM-Projekt in Basel

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0 km

1 km

2 km

3 km

4 km

5 km

6 km

200°C200°C

Tertiär

Mesozoikum

Trias

Rotliegend

Kristallines Grundgebirge:Granit

Otterbach

1. Schritt

Sondierbohrung

Zweck: • Geologische Erkundung• Temperatur• Spannungsverhältnisse• Ausbau zu Horchbohrung

Resultat: • Alle Ziele erreicht

Erschliessungskonzept

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0 km

1 km

2 km

3 km

4 km

5 km

6 km

200°C200°C

Tertiär

Mesozoikum

Trias

Rotliegend

Kristallines Grundgebirge:Granit

Otterbach

2. Schritt

Tiefbohrung 5‘000 Meter

Zweck: • Nachweis 200°C• Injektionsnachweis

(„Klüftbarkeit“)

Kleinhüningen

Erschliessungskonzept

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0 km

1 km

2 km

3 km

4 km

5 km

6 km

200°C200°C

Tertiär

Mesozoikum

Trias

Rotliegend

Kristallines Grundgebirge:Granit

Otterbach

3. Schritt

Zweite Horchbohrung +Reservoirstimulation

Zweck: • Schaffung des unterirdischen

Wärmetauschers

KleinhüningenHorch-bohrung 2

Kleinhüningen

Erschliessungskonzept

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0 km

1 km

2 km

3 km

4 km

5 km

6 km

200°C200°C

Tertiär

Mesozoikum

Trias

Rotliegend

Kristallines Grundgebirge:Granit

Otterbach

4. Schritt

Zweite Tiefbohrung 5‘000 m

Zweck: • Ausweitung des unter-

irdischen Wärmetauschers• Zirkulationsnachweis

KleinhüningenHorch-bohrung 2

Kleinhüningen

Erschliessungskonzept

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0 km

1 km

2 km

3 km

4 km

5 km

6 km

200°C200°C

Tertiär

Mesozoikum

Trias

Rotliegend

Kristallines Grundgebirge:Granit

5.+ 6. Schritt

Dritte Tiefbohrung 5‘000 mund Anlagenbau

Zweck:• Leistungssteigerung• Energieumwandlung

Horch-bohrung 2

Kleinhüningen

Erschliessungskonzept

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4 - 6 km

0.5 - 1 km

Stimuliertes Kluftsystem

Horchbohrung

Wärmetauscher• Strom für 35‘000 Haushalte• Wärme für 2‘700 Haushalte• Leistung

- 10 MW thermisch- 14 MW elektrisch

• Produktion- 49 GWh/a Geostrom- 58 GWh/a WKK Strom- 48 GWh/a Wärme

• Jährliche CO2-Vermeidung- 20'000 t

Geothermisches Heiz-Kraftwerk nach dem Hot-Dry-RockVerfahren

Anlagenschema

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Erschliessung und Gewinnung von Geothermie zur Erzeugung und Verteilung von Wärme und Strom

Geopower Basel AG

Beteiligte Partner:

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Standort und Bohrturm

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• Keine Bundesmittel• Exploration birgt geologisches Risiko:

Finanzierung mit Risikokapital• Ausbau bei Nachweis der Realisierbarkeit:

Finanzierung mit Darlehen• Gesamtvolumen des Projektes: CHF 90 Mio.

bis zu 32 Mio. von IWB• erforderliches Risikokapital:

Exploration benötigt rund CHF 47 Mio.

Die Pilotanlage kann der Grundstein für eine Schlüssel-technologie nachhaltiger Energieversorgung werden.

Finanzierung

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CHF 50.0 Mio.Total

genehmigt2.0AET

genehmigt0,8Geothermal Explorers

StatusBeteiligungMio. CH

Aktionäre

genehmigt3.2ewz

genehmigt3,2Kanton Basel-Land

genehmigt3,2Gasverbund Mittelland

genehmigt6.0AXPO

genehmigt6,4EBL

Förderbeitrag8,0Kanton Basel-Stadt

genehmigt17.2IWB

Aktueller Stand der Finanzierung

Weitere Interessenten:- SIG (Genf)- SWS (Solothurn)- Deutsches EVU

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10

20

30

40

50

60

70

90hohes Risiko

geringes Risiko

Mio CHF

Explorationsphase Ausbauphase

Meilensteine

Risikomanagement

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• Baubewilligung liegt vor, Einsprachen sind zurückgezogen• Monitoringbohrungen sind im Gang (Schützenmatt, St. Johann,

Münchenstein, (Pratteln), Haltingen, Riehen)• Einbau Lärmschutzfenster angrenzende Häuser• Bohrplatzinstallation seit 03.10.05 im Bau• Bohrbeginn: April 2006

Laufende Arbeiten• Verschiedene Ausschreibungen für Serviceleistungen• Spezifikation Bohrlochkopf• Planung Bohr-, Mess-, Spül-, Simulationsprogramme• Seismikkonzept

Aktueller Stand der Arbeiten

Anlagenkonzept Geothermie-Kraftwerk mit hohem Verstromungswirkungsgrad

Zwischenstand August 04/Oktober 2005

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Ausgangsparameter: 80 l/s, Temperatur: 190° C / 100° C, Thermische Leistung ca. 30 MWIn der ursprünglichen Projektidee war bivalenter Betrieb vorgesehen:Winterbetrieb: reine Fernwärmeproduktion ca. 30 MW (146‘300 MWh/a)Sommerbetrieb: reine Stromproduktion ca. 5 MWel (17‘700 MWh/a)Herbst/Frühling: MischbetriebGasturbine (4.6 MW) war als Option vorgesehen:

Fernwärme: ca. 50 MW (210‘200 MWh/a)Elektrizität: ca. 10 MW (59‘100 MWh/a)

Nachteile:• Dezentrale Lage bedingt teure Fernwärmeleitung• Alle Anlageteile müssen auf volle Leistung dimensioniert werden• Potenzial der Geothermie liegt in der Stromproduktion

Ausgangslage

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• Geothermie-Kraftwerk wird auf Stromerzeugung ausgerichtet. Dies setzt ein Anlagenkonzept mit maximalem Verstromungswirkungsgradvoraus.

• Die ORC-Variante (organic rankine cycle) dient dabei als Basisvariante (4.8 MWel, 38‘000 MWh/a).

• Zusätzlich wird eine Gasturbine vorgesehen (7.5 MWel, 125‘000 MWh/a).

• Damit der zusätzliche Brennstoffeinsatz gerechtfertigt ist, mussgegenüber der Basisvariante eine Steigerung des Gesamtwirkungs-grads stattfinden.

• Wärmeauskopplung auf tieferem Temperaturniveau soll als Option weiterhin untersucht werden.

Anlagenkonzept

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Variante 0: DHM + ORC (nur Stromnutzung)• Die gesamte Energie der Geothermie wird in einem ORC-Prozess verstromt.

Variante C: DHM + ARA + Gasturbine + ORC• Durch Nutzung der heissen Abgase der Gasturbine arbeitet der ORC-Prozess

auf einem höheren Temperaturniveau als nur mit Geothermie.

• Fernwärmeauskopplung möglich.

Variante F: DHM + ARA + Gasturbine + Dampfturbine• Mit Geothermie und einem Abhitzekessel wird überhitzter Dampf erzeugt.

Dieser Dampf wird in einer Dampfturbine verstromt.

• Fernwärmeauskopplung sinnvoll.

Untersuchte Varianten (Auszug)

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30 MW + 6 MW(DHM + ARA)

30 MW + 6 MW(DHM + ARA)

30 MW(DHM)

Wärmezufuhr

29.6 Mio.35.3 Mio.18.4 Mio.Investition

24.7% (43.3)26.7% (45.3%)15.8%Wirkungsgrad

22 MW22 MW-Gaszufuhr

10 MW0 bis (10 MW)-P thermisch

13 MW15.8 MW (14 MW)

4.8 MWP elektrisch

Variante FDHM + ARA + GT + DT

Variante CDHM + ARA + GT + ORC

Variante 0DHM + ORC

Technische Daten

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• Reine Stromproduktion (ORC-/Kalina-Turbine) ist wirtschaftlich interessant, aber mit höherem technischen Risiko verbunden.

• Der zusätzliche Einsatz von Erdgas verbessert den Verstromungs-wirkungsgrad nicht wesentlich.

• ORC-Prozesse wurden für niedere Wärmequellen entwickelt, es existieren Grenzen bei den Heissgastemperaturen (~270°C).

• Bei den Wasser-Dampf-Prozessen werden erst bei sehr hohen Dampfparametern (100 bar, 500°C) gute Stromwirkungsgrade möglich. Mit der Geothermie kann wegen dem Temperaturniveau nur Nieder-druckdampf erzeugt werden => relativ schlechter Wirkungsgrad.

• Erdgaseinsatz ist nur mit Wärmeauskopplung vertretbar.

Vorläufige Ergebnisse

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Anlagenschema

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Energiefliessbild

• Anlagenkonzepte: Nur Strom (Kalina) und Strom + Wärme (ORC + Gasturbine)

• Investition: Kalina: 104 Mio. ORC + Gasturbine: 114 Mio.

• Leistung: Elektrisch 6 MWel 14 MWelFernwärme 10 MWth

• Produktion: Geostrom: 42 GWh/a 49 GWh/a(netto) WKK-Strom: 58 GWh/a

Wärme: 48 GWh/a• Abschreibungsdauer: Bohrloch 20 Jahre Anlagen nach Lebensdauer• CO2-Abgabe: CHF 35/t• Wärmevergütung: vermiedene Brennstoffkosten ohne Verzinsung und

Amortisation

Wirtschaftlichkeit

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Szenarien:Erdölpreis 60$ pro Barrel => Erdgas CHF 37/MWhStrom Geothermie 15 Rp./kWh, WKK 8.5 Rp./kWh

Erdölpreis 100$ pro Barrel => Erdgas CHF 60/MWhStrom Geothermie 18 Rp./kWh, WKK 11.6 Rp./kWh

Fazit:• Noch sehr viel Unbekannte und Annahmen, eher konservativ gerechnet• Die Varianten Kalina und ORC + Gasturbine und die Szenarien liegen

sehr nahe beieinander• Damit eine Verzinsung des FK und EK in der Höhe von 3% möglich wäre,

müssten entweder- die Stromvergütungen auf 20 - 25 Rp./kWh oder- die Investitionen um 30% gesenkt werden

Fazit

Folie 33

Temperaturabsenkung im Fernwärmenetzteil Kleinhüningen

Das Fernwärmegebiet

4 Stadtteile: - Altstadt- Grossbasel-West, - Gundeldingen- Kleinbasel

ca. 110‘000 Ein-wohner

Folie 35

Temperaturabsenkung in Kleinhünigen

Projektauftrag:Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit einerTemperaturabsenkung von 170°C auf 120°CStrategische Ausgangslage:• Der Bedarf ist ausschliesslich Komfortwärme• Erschlossenes FernwärmegebietTechnische Ausgangslage:• Erbaut in den 60er Jahren• Insgesamt 179 Fernwärme-Kunden• Abonnierte Leistung 34.7 MW• Installierte Blendenleistung 29.5 MW• Zur Berechnung angesetzte Leistung 30.5 MW

(Blendenleistung + Wärmeverluste)• Länge der VL 5.8 km, Länge der AL 3.9 km

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1. Die Überprüfung derVorsorgungs- und Anschlussleitungen

Untersuchungsumfang

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2. Die Überprüfung der Hausstationen einschl. Wärmetauscher

Untersuchungsumfang

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3. Netzeinspeisung• Die Pro Rheno AG (ARA)• Die geothermische Anlage• Wärmetauscherstation in der Gärtnerstrasse

4. Netzfahrweise• Steuerung über den Differenzdruck (VL = konst., ∆ p = var.)• Steuerung über die Vorlauftemperatur (VL = var., ∆ p ≈ konst.)• Kombination aus Differenzdruck- und Vorlauftemperatur steuerung

5. Investitions- und Betriebskosten• Rohrleitungen, Wärmetauscher, Druckhaltung, Wassernachspeisung,

Steuerung und Regelung, etc.• Energie, Raummieten, SVTI (Prüfpflicht)

Untersuchungsumfang

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6. Wirtschaftliche Betrachtung• Vergleich zwischen dem Status Quo und der Netzumstellung• Nach der Barwertmethode• Betrachtungszeiträume für 50, 80 und 100 Jahre

7. Planung der Netzumstellung• Vorgehensweise zur Durchführung der Netzumstellung inklusive

Hausstationen

Untersuchungsumfang

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1. Der Auslegungsdruck kann von PN 40 auf PN 16 gesenkt werden

2. Austausch der Versorgungsleitungen ist nicht erforderlich3. Ca. 30 Anschlussleitungen mit internen Verteilleitungen

müssen ausgetauscht werden4. 25 Wärmetauscher wieder verwendbar. Die Hausstationen

müssen angepasst werden.5. Die wirtschaftlichste Netzfahrweise ist eine Steuerung über

den Differenzdruck6. Durch die gewählten Einspeisepunkte ist eine Fernwärme-

versorgung mit der Sicherheit (n-1) gewährleistet

Ergebnisse

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7. Die Wirtschaftlichkeit der Netzumstellung stellt sich in Zeitraum zwischen 50 – 80 Jahren ein (Annahme: VL-Ersatz im Jahr 2041)

20

22

24

26

28

30

32

34

50 80 100

Barwerte

Kos

ten

in M

io. C

HF

Status Quo Netzumstellung

Ergebnisse

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8. Die Netzumstellung kann in 19 Etappen erfolgen:

Ergebnisse

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• Grösseres Verstromungspotenzial der geothermischenAnlage

• Durch den Einsatz von Kunststoffmantelrohr entstehen geringere Investitionskosten

• Geringere Wärmeverluste

• Einsparpotenzial an Betrieb und Instandhaltung

• Durch die verminderte Laufzeit kann früher der Stand der Technik genutzt werden (Wärmedämmung, Leckortung, etc.)

Vorteile der Temperaturabsenkung

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• Das Potenzial zur Wiederverwendung der Wärmetauscher muss detailliert untersucht werden

• Das Potenzial zur Wiederverwendung der Hausstationen einschl. AL und Regelventile muss detailliert untersucht werden

• Der mögliche Mehrerlös der geothermischen Anlage durch die Produktion von Strom und Fernwärme sollte eruiert werden.

• Die hohe Anfangsinvestition sollte in mehrere Abschnitte unterteilt werden.

• Das Einsparpotenzial anhand weiterer Varianten an der Wärmetauscherstation, der Druckhaltung / Expansion, etc. sollte aufgezeigt werden

Weiteres Vorgehen