Geothermische Grossanlagen zur Grundlastsicherung

Ein Vortrag von

Christoph Zeck (re2)

& Ulrich Lutz (re2)

Inhalt

• 1 Geothermie Warum?

• 2 Potentiale und Funktionsweise

• 3 Konzeptionen

• 4 Problemstellungen

• 5 Grossanlagen

• 6 Quellen

Geothermische Kraftwerke

• Die Nutzung der Erdwärme liegt bei ca. 2-3 Prozent des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs

• Weltweit existieren etwa 250 geothermische Kraftwerke

mit 9000-10000 MW dies entspricht einer Stromproduktion von zirka neun Kernkraftwerken

• Gesamtpotential 2.5 fache des Weltenergie-verbrauchs, Wärmeabstrahlung in den Weltraum beträgt 0,063 Watt/m²

• Geothermische Energie ist preiswert & CO2 neutral

Warum?• Potentialstudie Deutschland ergab bis zu 600-fache des

Stromverbrauchs in 7km Tiefe deckbar durch Geothermie • ideale Ergänzung zu Wasser-, Sonnen- , Wind-

und Bioenergie

• Geothermische Kraftwerke lassen sich in das Stromverbundnetz eingliedern

• permanente Verfügbarkeit

=> Grundlastsicherung möglich

Potentiale Deutschland

Voraussetzungen

• Erzeugung von 25 bis 100 MW Strom pro Jahr für etwa 20 Jahre

• HDR mit Bohrungen bis 5000 Meter Tiefe, Temperaturen von 250 Grad und einem Bohrlochabstand von min. 500 Metern

• Förderraten 50 - 100 l/s

• Wärmeraustauschfläche von 3 bis 10 Quadratkilometern

Hochenthalpie Lagerstätten

• Stromerzeugung aus Geothermie wird durch die Nutzung von Hochenthalpie-Lagerstätten dominiert

• Wärmeanomalien, die mit vulkanischer Tätigkeit einhergehen

• mehrere hundert Grad heiße Fluide (Wasser / Dampf) in geringer Tiefe anzutreffen

• Vorkommen korreliert stark mit Vulkanen in den entsprechenden Ländern.

Hochenthalpie Lagerstätten

Land Anzahl der VulkaneRessource

MWe

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) 3 700

Niederenthalpie Lagerstätten

• nichtvulkanische Gebiete, 40-150°, 3000-6000m

• Hydrothermaler Geothermie Wasser wird gefördert, abgekühlt und reinjiziert, im Untergrund vorhandene Thermalwässer zirkulieren zwischen zwei Brunnen über vorhandene natürliche Grundwasserleiter (Aquifere)

• Petrothermale Geothermie, oft auch HDR-Systeme (Hot-Dry-Rock) genannt: mit hydraulischen Stimulationsmaßnahmen werden im trockenen Untergrund Risse und Klüfte erzeugt, durch künstlich eingebrachtes Wasser oder CO2

• Gestein in dem die hohen Temperaturen angetroffen werden sind wenig permeabel, künstliches Risssystem

Hydrothermale Systeme • Thermalwasservorräte als Primärenergie zur Versorgung

von Städten oder Industrieanlagen mit Strom und Wärme

• heißes Wasser wird über eine Förderbohrung an die Oberfläche gebracht, wo es seine Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an einen zweiten Heizkreislauf abgibt

• ausgekühltes Thermalwasser wird anschließend über eine zweite Bohrung wieder in den Untergrund gepumpt

• Thermalwässer mit Temperaturen von bis zu 100 °C nutzt man zur Wärmeerzeugung, Thermalwässer mit über 100 °C zur Wärme- und Stromerzeugung.

Petrophysikalische Systeme • Hot-Dry-Rock-Verfahren erschließen heiße

Gesteinsschichten mit Temperaturen von bis zu 200 °C für die Strom- und Wärmeerzeugung

• Zwischen den Bohrungen bricht man mit hohen Wasserdrücken neue Fließwege auf und erweitert gleichzeitig die vorhandenen

• unterirdischer Wärmetauscher, in dem sich nach unten gepumptes Wasser erhitzt, das an der Oberfläche eine Turbine antreibt

• Bereits ab einer elektrischen Leistung von 12 MW ist ein Hot-Dry-Rock-Kraftwerk wirtschaftlich zu betreiben

Funktionsprinzip Großanlagen

• Bohrlöcher in 4000 bis 5000 m• HDR 2 Bohrlöcher Entfernung 500m

• Durch Überdruck verursachte Risse im Gestein

• großflächigen Netzsystem • Wärme wird aufgenommen kommt zur

Erdoberfläche

• Wärmetauscher nimmt Energie überträgt an eine Kühlflüssigkeit und wird direkt zur Wärmeerzeugung genutzt

• Heißer Wasserdampf kann parallel auch Turbinen antreiben

• Kondensiertes/ abgekühltes Wasser wird wieder in den Untergrund zurückgepumpt

Funktionsprinzip Großanlagen

Konzeption Grossanlagen

• ORC (Organic-Rankine Cycle), organische Fluide wie Kohlenwasserstoffe, bestimmte Kältemittel und azetrope Gemische als Arbeitsmittel (z.B. Pentan) verwendet. Mindesttemperatur 90°

ORC• Temperaturen ab 90°C zur

Stromerzeugung. Diese arbeiten mit einem organischen Medium, das bei relativ geringen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt über eine Turbine den Stromgenerator an.

Kalina Verfahren

• Zweistoffgemische Bsp. Ammoniak/Wasser

• Höherer Wirkungsgrad • niedrigere

Temperaturen • geringere

Stromgestehungskosten

Flush-Verfahren• Das heiße Fluid kann zur Bereitstellung von

Industriedampf und zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen genutzt werden. Besonders interessant ist die Erzeugung von Strom aus dem heißen Dampf. Hierfür wird das im Untergrund erhitzte Wasser genutzt, um eine Turbine direkt anzutreiben. Der geschlossene Kreislauf im Zirkulationssystem steht so unter Druck, dass ein Sieden des eingepressten Wassers verhindert wird und der Dampf erst an der Turbine entsteht (Flush-Verfahren)

Problemstellungen• Rentabilität : Vor Ort Nutzung am besten • Lange Transportwege kosten viel • Tiefe der Bohrungen, harte Gesteine• Für eine wirtschaftlich sinnvolle Nutzung

(Wärme plus Stromerzeugung) wären 200 bis 300 Grad Celsius erforderlich

• stärkere Erdstöße können ausgelöst werden • Salze im Wasser im Kühlkreislauf• 99% Dampf, im Rest CO2 das inert ist, H2S ist

das Hauptproblem

Grund-,Mittel-, Spitzenlast

Hoch-Mittel-Niederspannungsnetz

Weltweit größte Anlagen

• The Geysers (USA, Kalifornien) - 700 Megawatt Leistung

• Larderello (Italien, Toskana ) - 400 Megawatt Leistung

• Wairakei (Neuseeland) - 300 Megawatt Leistung

Kosten der Anlagen

• Feld Inst.kosten Ener.kosten(US-$/kW) (US-$/kWh)

• The Geysers (USA) 1520 0,25

• Wairakei (NZ) 2270 0,46

• Larderello (I) 1380 0,12

• Hveragerdi (IS Plan.) 3640 0,79 

Anlagen : The Geysers

• 1852 als Geysers Resort Hotel SPA gegründet • 60 % des Verbrauchs der Region von Golden

Gate Bridge bis zur Oregongrenze• Magmafeld hat laut seismischen Studien einen

Durchmesser von ca. 14km

Anlagen: The Geysers

• Mit 116 km2 größter weltweiter geo-thermischer Verbund

• 22 Kraftwerken mit 725 MW el. • Versorgung für 725000 Haushalte• Magma ca. 7 km von der Oberfläche• 25% der regenerativen Energie

(non-hydro) Kaliforniens• 36 km Pipeline liefert 15000m3

Wasser /d

Anlagen: Larderello (Toskana)• Von Graf Piero Ginori Conti

gegruendet • Erstmalig in Europa geothermischer

Strom in Larderello erzeugt 1913 erste Erdwärmekraftwerk

• wasserdampfbetriebene Turbinen mit 220 kW el.

• nordafrikanische und eurasische Platte treffen hier aufeinander

• Magma relativ dicht unter der Oberfläche

• Heute werden400 MW Strom in Italiens Energienetz eingespeist

Anlagen : Wairakei (NZ)• Gegründet 1958, Zweitältestes

geothermisches Kraftwerk

• 1996 wurde eine Reduzierung nach einigen Jahrzehnten Betrieb bemerkt

• zwei lufgekühlte ORMAT Energy

Convertern mit einem Stunden-durchsatz von rund 2.800m3 bei 127 °C heißem Abwasser

• Dampgeschw. bis zu 161 km/h. In der 1220 mm Leitung wird bis zu 208 km/h erreicht

• 620 000 neuseeländische Haushalte zählen zu seinen Kunden

Anlagen in Europa• Landau (Pfalz) ,160 Grad, Nachwärme 70-80°, 3MW

elektrisch & 6-8MW thermisch, ORC-Verfahren

• Soultz-sous-Forêts (Elsass), 3500m -4000m Tiefe, 170 Grad, 6MW)

• Unterhaching (Bayern) insgesamt 38MW thermisch, 3.4 MW el., 6.5 ct / KWH Fernwärme, Kalina-Verfahren

• Svartsengi Power-Plant (Island) 76.5MW

• Neustadt-Glewe (Meck.Pomm.) 2004 als Er- weiterung des bereits 1994 errichteten

geothermischen Heizwerks 230 kW el.

Geoth. Leistungin MW

Elektrische Leistungin MW

Temperaturin °C

Förderrate

in m³/h

Bohrtiefein m

Geplante Inbetriebnahme

Jahr

Groß Schönebeck 10 1,0 150 < 50 4.294 2008

Neustadt-Glewe 1,3 - 3,5 0,21 98 119 2.250Im Kraftwerksbetrieb seit 2003

Bruchsal 4,0 ca. 0,5 118 86 2.500 2008

Karlsruhe 28,0 >150 270 3.100

Landau 22 ca. 2,5 150 250 3.000Im Kraftwerksbetrieb seit 2007

Offenbach an der Queich

30-45 4,8 - 6,0 160 360 3.500gestoppt wg. Bohrlochinstabilität

Riedstadt 21,5 ca.3,0 250 3.100 2008

Speyer 24-50 4,8 - 6,0 150 450 2.900 2009

Unterhaching > 30 3,4 122 > 540 3.5772008 (Wärmelieferung seit 2007)

Sauerlach ca. 80 ca. 8,0 130 > 600 > 4.000 2009

Dürrnhaar ca. 50 ca. 5,0 130 > 400 > 4.000 2009

Mauerstetten 40 4,0 - 5,0 120 - 130 ca. 300 4.100 2009

Kirchstockach 130 > 4.000 2010

Fazit • Geothermie ist eine der wenigen erneuerbaren Energien, die

bei der Stromerzeugung grundlastfähig ist

• Entscheidender Beitrag bei der Gestaltung eines Energiemixes aus regenerativen Energien

• Branche sagt Einsparungem durch Geothermie bis zum Jahr 2020 mehr als 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid vorher

• Die Kosten für eine Tonne CO2-Einsparung liegen bei etwa

70 €/t (Vergleich: Photovoltaik 2210 €/t).

Fazit• Signifikante Stromerzeugung europaweit nur in Italien

(811MW, gesamt EU 855MW el.), 27 Länder in Europa

• Weltweit ca. 10000MW el. in 2006

• Größte Nutzer USA : 2697 MW in 2007, Phillipinen 2000MW, Indonesien 1000MW, Mexiko 953MW

• MIT Report sagt Vorkommen von HDR Potential allein in den USA ausreichend für Gesamtweltenergieverbrauch für kommende 30000 Jahre

Geothermie kann zur Grundlastsicherung für viele Jahrhunderte genutzt werden !

Quellen

• Studie BMU 2004 „Geothermie“

• Wikipedia.de

• Greenpeace.de

• GFZ Potsdam

• Helmholtz Gesellschaft

• Geothermische Vereinigung e. V.

• BINE Informationsdienst

VIELEN DANK FUER IHRE AUFMERKSAMKEIT!!!