„Nachbrenner“ soll die Energieausbeute von Geothermiekraftwerken verbessern
VDI nachrichten, Sondershausen, 16. 5. 08, swe – Geothermiekraftwerke gelten mit nur 120 °C heißem Thermalwasser zur Speisung als nicht besonders effizient. Mit einem nachgeschalteten thermodynamischen Kreisprozess will ein Thüringer Unternehmen jetzt den Gesamtwirkungsgrad der Erdwärmeanlagen verbessern.
Energieerzeugung aus den Tiefen der Erde gilt als elegante Lösung der Energieprobleme. Doch bisher wird bei Geothermiekraftwerken nur ein Teil der Wärmeenergie genutzt.
Die Wärme wird mit dem meist nur 120 °C heißen Thermalwasser aus der Erde gepumpt, die Nutzung erfolgt in so genannten ORC(Organic-Rankine-Cycle)- oder Kalina-Kraftwerken. Die Restenergie – 70 °C bis 80 °C warmes Wasser – verschwindet meist wieder ungebraucht im Untergrund.
Das thüringische Unternehmen Neothermie will künftig diese Restwärme in einem nachgeschalteten Konvektionskraftwerk nutzen. Dazu wird die Restenergie des Thermalwassers in einem Wärmetauscher an Isobutan als Arbeitsmedium übertragen, das sich in einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf bewegt, schildert Peter F. Haberkorn, Chef der Neorthermie AG aus Sondershausen.
Das warme Butan fließt dabei über ein 300 m tiefes, in die Erde abgeteuftes Fallrohr nach unten, der Druck steigt und das flüssige Butan treibt dort eine Turbine an, die wiederum mit einem Generator gekoppelt ist. Die Turbine befindet sich vollständig in flüssigem Butan am unteren Ende des Siedeaufstiegsrohres.
In der Turbine fällt der Druck fast auf den Dampfdruck des Gases ab. Das flüssige Butan steigt nach der Energieabgabe wieder hoch. Nach wenigen Metern Höhenunterschied beginnt das Butan unter fallendem Druck wieder an zu sieden und kühlt sich beim weiteren Aufstieg immer weiter ab.
„In unserem Konvektionsgenerator setzten wir die thermische Energie des Butans in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess in mechanische Energie um“, so Haberkorn.
Am oberen Ende des Siedeaufstiegsrohres, das 60 m über die Erdoberfläche hinausragt, erreicht das Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Butan einen Kondensator, der den noch gasförmigen Teil des Butans verflüssigt. Das kann dann erneut in die Tiefe absinken, um dort Arbeit zu verrichten.
Die Wassertemperatur des Thermalwassers kühlt sich bei dem Prozess von 70 °C auf 35 °C ab, während das Butan seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig bei Temperaturen zwischen 30 °C und 54 °C wechselt.
„Das Besondere an dem Konvektionsgenerator ist, dass er schon geringe Temperaturdifferenzen zwischen einem Ort mit höherer Temperatur bzw. niedriger Temperatur nutzen kann“, so Haberkorn.
Prof. Achim Dittmann vom Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung der Technischen Universität Dresden hält Haberkorns Berechnungen für seriös: „Es handelt sich um ein originelles ingenieurtechnisches und intelligentes naturwissenschaftliches Projekt, mit dem regenerierfähige natürliche Energieressourcen für die Verstromung genutzt werden können.“
Den überaus interessanten wissenschaftlichen Ansatz sieht der Experte darin, dass das Arbeitsmedium im Fallrohr als Flüssigkeit durch die Schwerkraft und nach Arbeitsleistung sowie Verdampfung als Gas durch den thermischen Auftrieb transportiert wird.
„Das Verfahren ist technisch machbar und kann in Nischenanwendungen durchaus zur Nutzung regenerativer Energiequellen sinnvoll eingesetzt werden“, ist Dittmann überzeugt. Die Funktionsfähigkeit des Konvektionskraftwerkes könne zum Beispiel in vorhandenen Schächten auf ihre energetische Effektivität geprüft werden.
Genau das plant Neothermie. In Kürze will das Unternehmen einen Teststand für den thermodynamischen Kreislauf, der dem Konvektionsgenerator-Kreislauf zugrunde liegt, errichten. „Diese Anlage soll den erforderlichen Nachweis über die Funktion erbringen“, so Haberkorn. Für kommende Projekte will sich Neothermie 20 Mio. € Kapital am Aktienmarkt beschaffen.
Als erstes Einsatzobjekt bereitet das Unternehmen den Bau einer Demonstrations- bzw. Pilotanlage auf der Insel Usedom vor, wo es Thermalquellen gibt. In einem nächsten Schritt könnte ein Geothermie-ORC-Kraftwerk errichtet werden, das rund 2 MW elektrische Leistung produzieren kann. Im anschließenden Konvektionsgenerator-Prozess sollen aus der Abwärme des ORC-Prozesses noch weitere 250 kW bis 500 kW herausgeholt werden.
Nach Angaben von Neothermie kostet das Konvektionsgenerator-Modul KG 250 rund 2,5 Mio. €. Prinzipiell könne eine solche Anlage auch mit einer Meerwasserentsalzungsanlage oder mit einer direkten Kälteproduktion gekoppelt werden.
Haberkorns Ziel ist es, später einmal die ORC- bzw. Kalina-Verfahrensstufe mit dem Konvektionsgenerator zu einer einzigen kompakten, geothermischen Anlage zu vereinigen: Eine solche Isentrope-Mehrphasen-Strömungsmaschine (IMS), wie er sie nennt, wäre nur unwesentlich teurer als das reine ORC-Kraftwerk. Die Investitionen könnten sich schon nach sieben Jahren amortisiert haben, anstelle von rund 19 Jahren beim reinen ORC-Kraftwerk, rechnet Haberkorn vor.
Die maximalen Stromerzeugungskosten sollten 7 Cent/kWh nicht überschreiten, empfiehlt Dittmann, das entspreche maximalen spezifischen Investitionskosten von 6000 €/kWh.
Noch liegen die von Neothermie kalkulierten Investitionskosten je nach Variante teilweise deutlich darüber. Sie berücksichtigen noch nicht die nicht unerheblichen Kosten für die Erstfüllung des Systems mit dem unkonventionellen Arbeitsmedium Butan. Doch seien „solche Anfangsschwierigkeiten bei der Entwicklung innovativer energietechnischer Anlagen – man denke nur an Brennstoffzellenprozesse – völlig normal“, räumt der Dresdener Professor ein. EDGAR LANGE
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