Wandlung zwischen Wärme und elektrische Energie Geothermie SS10, Prof. Dr. M. Koch 1 Geothermie Amir Babazadeh27 Juli 2010

Wandlung zwischen Wärme und elektrische Energie

Geothermie SS10, Prof. Dr. M. Koch 1

GeothermieAmir Babazadeh 27 Juli 2010

Beschreibung States of Art Gewählte Technologie Thermodynamik Versorgung Fazit

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o Erdwärme ist die vierte Energiequelle nach solaren Strahlung, Planetengravitation und -bewegung und chemischer Energie

o Speist sich aus dem Zerfall radioaktiver Isotope (60% der abgegebenen Energie) in der Erdkruste sowie der im Erdinneren gespeicherten Energie (Erdentstehung)

o Ein Beitrag zur Energiebilanz von 0,02 % mit einem gesamten Wärmestrom, der auf etwa 1021 J pro Jahr geschätzt wird

o Mit steigender Tiefe nimmt die Wärme im Durchschnitt etwa 30°C/km zu

[Quelle:www.klett.de]

Energie aus der Tiefe


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o Schon die alten Kelten, Germanen und Römern nutzten die Geothermie in Thermalquellen

o Im Jahr 1913 gelang Piero Ginori Conti in der Toskana das Wasser aus dem Erdinneren für die Stromerzeugung zu nutzen (220 KW mit Wasserdampfturbinen)

o Erster Kraftwerk zur Stromerzeugung in Deutschland 2004 in Mecklenburg-Vorpommern (210 KW Strom)

o Weltweit 526 geothermischen Kraftwerke

10 715 MW installierte Leistung

5 667 246 GWh Strom/a (1er Quartal 2010)

[Quelle: J. Bertani: Geothermal Power Generation in the world - 2005-2010 Update Report]

Nutzung der Geothermie

LandIn 2005-2010 neu

installierte elektrische Leistung (MWe)

USA 529Indonesien 400

Island 373Neuseeland 193

Türkei 62El Salvador 53

Italien 52Kenia 38

Guatemala 19Deutschland 6


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o Direkte Nutzbarmachung der Wärmeenergie von in den Aquiferen (wasserführende Gesteinsschicht) gespeichertem Thermalwasser

o Heiße Reservoirs (150-250°C) findet man in Gebieten mit besonders tektonischen Aktivitäten schon ab 3000 m

oBohrungen: 1 Förder und 1 Reinjektionsbohrung

Technologie aus Erdöl- und Erdgasgewinnung

Kosten: 1 Mio.€/km

Minimaler Abstand der Bohrungen: 1000m

Hydrothermale Geothermie

[Quelle:www.green-energy.de]


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o Künstlich geschaffenes unterirdisches Zirkulationssystem mit hoch gepresstes kaltes WasserAufreißen des Gesteins parallel zum Bohrloch (≈ 5000 m Tiefe)Risse mit Längen von 100 m bei Breiten von weniger als 10 mm

o Erste Anwendung in den USA in den 70er Jahren (Los Alamos)

oErster Aufbau eines dauerhaften verlustfreien Zirkulationssystem 1987 im Elsass1,5 MWel108-144 m3/h

Hot-Dry-Rock Verfahren (HDR)

[Quelle:www.geothermie.emerging-trails.de]


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o Theoretisch erreichbares Maximum (Umwandlung Wärme – mechanische Arbeit)

Carnot Wirkungsgrad

Bei 130°C heißem Wasser, das auf 20°C zurückgeführt wird beträgt er 27%

o Offene Systeme (direkte Nutzung des heißen Thermalwasser)Wasserdampfturbinen

Kommt nur selten im Einsatz:- Korrosion Probleme durch hochmineralisiertes Wasser- Hohe Temperaturen und hohen Dampfanteil notwendig

Stromerzeugungsverfahren, offene Systeme

h

nhCarnot T

TT


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o Übertragung des Thermalfluids auf einen zweiten Stoff:Wasser

Stoffe, die über einen deutlich niedrigen Siedepunkt verfügen (η↗):-Organic Rankine Cycle (ORC) : Prozesse die mit Isopentan oder Fluorkohlenstoffe arbeiten -Kalina Verfahren : Arbeitsfluid ist ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak

Stromerzeugungsverfahren, geschlossene Systeme

Organic Rankine Cycle.swf


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o Bedingungen:

-Geothermische Gradienten höher als 50°C/km-Gute Durchlässigkeit des Gesteins (kleinere Pumpen notwendig)-Gute Wärmeleitfähigkeit des Gesteins (Granit, Gneis)-Fließraten von 25-100 l/s

oVorteile:

- Zuverlässiges und lang erforschtes Verfahren

Hot-Dry-Rock Verfahren mit Organic Rankine Cycle

[Quelle:www.scienzz.de]


9 Organic Rankine Cycle

o 1-4 : Isobare WärmezufuhrDas Arbeitsmedium wird dank eines Wärmetauchers auf die Siedetemperatur erwärmt, dann verdampft und wird schließlich überhitzt

o 4-5 : Isentrope ExpansionDer Frischdampf wird in einer Dampfturbine entspannt. Die dabei geleistete Arbeit wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt

o 5-0 : Isobare KondensationDie Wärmeabfuhr erfolgt im Kondensator nahezu bei Umgebungstemperatur

o 0-1 : Isentrope DruckerhöhungDer Druck wird in der Speisepumpe durch Aufwand von Arbeit aufgebracht

[Quelle:Universität Bayreuth]


10 Wahl des Arbeitsfluids

o Aufgrund des flachen Verlaufs der Taulinie im T-s Diagramm sind mit Wasser hohe Überhitzungtemperaturen erforderlich

oBei organischen Arbeitsmedien wie Isopentan verlauft die Taulinie steiler

Das hohe Gefälle der Taulinie erlaubt es die Turbine kavitationsfrei (keine Bildung von Wasser) auch bei geringer Überhitzung zu fahren

oOrganische Arbeitsmedien führen zu einen geringen Wartungsaufwand

[Quelle:Universität Bayreuth]


11 Wirkungsgrad des Kreisprozesses

herWärmetauscimrWärmezufuh

eSpeisepumpderuhrEnergiezufTurbinederNutzarbeitORC

14

54

14

0154

hh

hh

hh

hhhhORC


12 Berechnung der Enthalpie


13 Berechnung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses

Nummer Fluid Phase Temperatur [°C]

Druck [bar]

Spez. Enthalpie h [KJ/kg]

Spez. Entropie s [KJ/kg.K]

Massenstrom ṁ [kg/s]

0 Isopentan Flüssig 26,9 1,14 -345,72 -1,676 21,921 Isopentan Flüssig 27,2 6,97 -344,56 -1,675 21,922 Isopentan Flüssig 93,2 6,97 -180,35 -1,183 21,924 Isopentan Überhitzter Dampf 98,7 6,97 108,48 -0,405 21,925 Isopentan Überhitzter Dampf 64,6 1,14 64,5 -0,338 21,92

14

54

14

0154

hh

hh

hh

hhhhORC

%45,9

04,453

82,42

04,453

16,198,43

)56,344(48,108

)72,345(56,3445,6448,108

ORC

o Man erreicht einen Wirkungsgrad von 9,45%, für ein geothermisches Wasser, das von 130,7°C auf 64,5°C abgekühlt wird (Carnot: 16,3%)


Druck [bar]




11 Wasser Flüssig 130,7 - 549,4 1,642 48,4212 Wasser Flüssig 99,9 - 418,64 1,306 24,2113 Wasser Flüssig 64,5 - 269,98 0,887 24,2121 Luft Gasförmig 12,8 0,84 286,29 5,703 666,5322 Luft Gasförmig 26,2 0,84 299,78 5,749 666,53


14 Berechnung der Leistung der Anlage


Druck [bar]




0 Isopentan Flüssig 26,9 1,14 -345,72 -1,676 21,921 Isopentan Flüssig 27,2 6,97 -344,56 -1,675 21,922 Isopentan Flüssig 93,2 6,97 -180,35 -1,183 21,924 Isopentan Überhitzter Dampf 98,7 6,97 108,48 -0,405 21,925 Isopentan Überhitzter Dampf 64,6 1,14 64,5 -0,338 21,92

o Die elektrische Leistung die durch diese ORC-Anlage produziert wird, beträgt 0,9 MW.


Druck [bar]




11 Wasser Flüssig 130,7 - 549,4 1,642 48,4212 Wasser Flüssig 99,9 - 418,64 1,306 24,2113 Wasser Flüssig 64,5 - 269,98 0,887 24,2121 Luft Gasförmig 12,8 0,84 286,29 5,703 666,5322 Luft Gasförmig 26,2 0,84 299,78 5,749 666,53

generatorturbineelec hhmP

)( 45

KWPelec 88898,094,0)48,1085,64(92,21


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o Wenn wir davon ausgehen, dass unsere Anlage eine Leistung von 0,9 MW hat, und dass der jährliche Stromverbrauch pro Person 1800 KWh/a beträgt, wie viele Personen könnten durch unsere geothermische Anlage versorgt werden?

(Übertragungsverluste werden vernachlässigt)

Eine kleine…..


16 Kernaussagen

oBau ist mit einem erheblichen finanziellen Aufwand und großen Flächenbedarf verbunden (besser dank EEG)

Erdbebenrisiko

o Erdwärme bedeutet stabile, gesicherte Grundversorgung an Strom aus erneuerbarem Rohstoff

Zu jeder Zeit und bei jedem Wetter verfügbar

Unerschöpflicher Vorrat (ggü fossile Energieträger)

oDas unterirdische Zirkulationssystem kann künstlich geschaffen werden (↗ Potential)

Hot-Dry-Rock Verfahren

oGroßes Optimierungspotential bei Wahl des Arbeitsfluids und der Betriebstemperaturen (ORC, Kalina Verfahren)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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