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Ausgewählte Ausgabe: 6-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Geothermische Kraftwerke in Deutschland

TIEFE GEOTHERMIE | Bei der geothermischen Stromerzeugung kommen bedingt durch projektspezifische Randbedingungen technische Einzellösungen für die obertägige Kraftwerkstechnik zum Einsatz. Insbesondere hinsichtlich der Förderrate und der Temperatur des Thermalwassers werden stets individuelle Kraftwerkskonzepte erarbeitet. Im Vordergrund stehen dabei die Wahl eines effizienten Arbeitsmediums und die Anpassung der Kraftwerkskomponenten an thermodynamische und wirtschaftliche Kriterien.


ORC-Geothermiekraftwerk in Insheim.

ORC-Geothermiekraftwerk in Insheim.

Tabelle 1 Übersicht der geothermischen Kraftwerke zur Stromerzeugung in Deutschland.

Tabelle 1
Übersicht der geothermischen Kraftwerke zur Stromerzeugung in Deutschland.

Die Nutzung geothermischer Ressourcen im Temperaturbereich bis 200 °C zur Stromerzeugung basiert in der Regel auf einem Sekundärprozess. Dabei wird die thermische Energie des Thermalwassers auf einen Dampfkraftprozess mit niedrig siedenden Arbeitsmedien übertragen. Hierzu stehen der Organic Rankine Cycle (ORC) oder der Kalina Cycle (KC) zur Verfügung. Im Fall des ORC werden organische Arbeitsmedien verwendet und beim KC ein Ammoniak/Wasser-Gemisch. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der geothermischen Kraftwerke in Deutschland mit zugehöriger elektrischer Leistung (Pel), Thermalwassertemperatur (TTW,) Förderrate, Arbeitsmedium und Prozessführung [1]. Die Aufstellung verdeutlicht die hohe Bandbreite der eingesetzten Technologien und Medien. Grundsätzlich kann eine Charakterisierung der Fluide hinsichtlich thermodynamischer, sicherheitstechnischer, klimarelevanter und toxischer Aspekte erfolgen [2]. Für die Medienauswahl ergibt sich ein Spannungsdreieck aus Klimarelevanz, Brennbarkeit und Toxizität. Teilfluorierte Kältemittel sind mitunter stark klimarelevant und unterliegen der EU-F-Gas-Verordnung 517/2014 [3]. In dieser Studie werden die natürlichen Kohlenwasserstoffe Isobutan und Isopentan sowie die Kältemittel R134a und R245fa als potenzielle ORC-Fluide untersucht. Die Wahl eines geeigneten Arbeitsmediums und die damit verbundenen technologischen und wirtschaftlichen Aspekte werden an einem Fallbeispiel für das süddeutsche Molassebecken dargestellt. Diese Region rund um München weist ein hohes Potenzial für die hydrothermale Geothermie auf. Für die Detailbetrachtungen werden die Randbedingungen des Kraftwerks Kirchstockach gewählt, das mit einer Anlagengröße von rund 5 MW (el.) repräsentativ für aktuelle Projekte im süddeutschen Raum ist.

Prozesssimulation

Der betrachtete 1-Druck-Prozess des geothermischen ORC-Kraftwerks ist in Bild 1 dargestellt.

Bild 1  Schematische Anlagenverschaltung eines geothermischen 1-Druck-ORC-Prozesses.

Bild 1
Schematische Anlagenverschaltung eines geothermischen 1-Druck-ORC-Prozesses.

Dabei wird das Arbeitsmedium vom Zustandspunkt 1 durch die Speisepumpe auf den oberen Prozessdruck gebracht (2). Die Wärmezufuhr ist in Vorwärmung und Verdampfung unterteilt. Am Eintritt in den Verdampfer (3) liegt das Arbeitsmedium bei Siedetemperatur vor, während es am Austritt (4) leicht überhitzt ist. Anschließend erfolgt die Entspannung auf den unteren Prozessdruck in der Turbine (4 → 5). Der Kreisprozess wird durch die Kondensation geschlossen. Die Eintrittstemperatur des Kühlmediums im hier betrachteten Auslegungsfall entspricht der Jahresmitteltemperatur für den Raum München von 8,7 °C.
Die Analyse der Simulationsergebnisse erfolgt neben einer detaillierten Auslegung der Kraftwerkskomponenten mit Hilfe der Leistungsabgabe und über die Berechnung des thermischen Wirkungsgrads.

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Autoren

Dr.-Ing.  Florian Heberle

Jahrgang 1979, Studium der Umweltingenieurswissenschaften an der Universität Bayreuth, Promotion an der Universität Bayreuth. Seit 2010 Akademischer Rat am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) an der
Universität Bayreuth.
florian.heberle@uni-bayreuth.de

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann

Jahrgang 1958, Studium der Physik an der RWTH Aachen, Promotion und Habilitation an der RWTH Aachen, anschließend Universitätsprofessor am Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt der Universität Stuttgart. Seit 1998 Lehrstuhlinhaber des LTTT an der Universität Bayreuth;  Direktor des Zentrums für Energietechnik.

Prof. Dr.-Ing.  Andreas P. Weiß

Jahrgang 1961, Studium der Luft- und Raumfahrttechnik an der TU München, Promotion an der Universität der Bundeswehr München, im Anschluss sieben Jahre in der Gas- und Dampfturbinenentwicklung der ABB Kraftwerke AG, Baden/Schweiz, in verschiedenen Positionen. Seit 2000 Professur für Strömungsmaschinen und Thermische Maschinen, Kompetenzzentrum für Kraft-Wärme-Kopplung, Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden.

Dr.-Ing.  Laura Grundemann

Studium der Energie- und Verfahrenstechnik an der TU Braunschweig, Promotion an der TU Braunschweig. Seit 2013 Projektmanagerin bei Evonik Creavis GmbH, Marl.

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