Energetische und wirtschaftliche Bewertung der geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung

(1)

geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung

Der Geothermiekongress 2019, München, 19. November – 21. November 2019

T. Eller, F. Heberle und D. Brüggemann

(2)

01.10.2019 page 2 T. Eller, F. Heberle und D. Brüggemann

1) Motivation

2) Methodik

3) Ergebnisse

4) Zusammenfassung

(3)

1) Motivation

2) Methodik 3) Ergebnisse

(4)

01.10.2019 T. Eller, F. Heberle und D. Brüggemann

 Bedarf an Wärme und Kälte entspricht der Hälfte des weltweiten Energiebedarfs

 Marktvolumen für Wärme und Kälte in 2017: 150 Milliarden Euro (270 Milliarden Euro in 2026) [1]

[1] Richter, A.: Geothermal energy and the $298 bn district heating & cooling market opportunity: http://www.thinkgeoenergy.com/geothermal-energy-and-the-298-bn-district-heating-cooling-market-

opportunity/?utm_source=ThinkGeoEnergy+List&utm_campaign=e60a726b4b-TGE_Newsletter_RSS1&utm_medium=email&utm_term=0_657e42f767-e60a726b4b-415241109, letzter Zugriff: 5. September 2019.

Geothermische Strom- und Wärmeerzeugung

page 4

Organic Rankine Cycle (ORC) dient zur Umwandlung der thermischen Energie des Thermalwassers in elektrische Energie

Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Geothermiekraftwerken durch zusätzliche Wärmebereitstellung

Vermehrter Betrieb des Kraftwerks in Teillast durch zeitlich fluktuierenden Wärmebedarf

Entwicklung eines dynamischen Simulationsmodells eines Organic Rankine Cycle

(5)

00 06 12 18 24 5

10 15

Wärmeleistung / MW

Zeit / hh

Bausteine für eine belastbare energetische und wirtschaftliche Bewertung

Wärmelastprofile

Jahresertragssimulationen basierend auf Typtagen (VDI 4655) Dynamischs Simulationsmodell

(6)

1) Motivation

2) Methodik

3) Ergebnisse

(7)

 Typtage nach VDI 4655:

 Einteilung Deutschlands in verschiedene Klimazonen mit entsprechenden Testreferenzjahren (TRY):

Typtage nach VDI 4655

… WWH WWB WSH WSB …

…

TRY12 23 57 2 16

TRY13 29 91 6 19

TRY14 22 115 5 25

…

page 7

Jahreszeit

o Übergang Ü o Sommer S o Winter W

Nutzerverhalten

o Werktag W o Sonntag S

Bewölkung

o Heiter H o Bewölkt B

(8)

Belastbare Wärmelast- und Umgebungstemperaturprofile für die jeweiligen Typtage

Entwicklung von Wärmelastprofilen

00 04 08 12 16 20 24 2

4 6 8 10 12 14 16

Wärmeleistung / MW

Zeit / hh

WWH WWB WSH WSB ÜWH ÜWB ÜSH ÜSB SW SS

00 04 08 12 16 20 24 -10

-5 0 5 10 15 20 25

Umgebungstemperatur / °C

Zeit / hh

WWH WWB WSH WSB ÜWH ÜWB ÜSH ÜSB SW SS

Wärmelastprofile Umgebungstemperaturprofile

01.10.2019 page 8

(9)

Thermalwasser

Niedertemperatur ORC Hochtemperatur ORC

Vorwärmer HHT

Verdampfer HT Turbine HT

Verdampfer LT

Turbine LT

Vorwärmer LHT

Vorwärmer LT

Pumpe HT Pumpe LT

Tank HT Tank LT

Kondensator HT Kondensator LT

G

Generator

Kraftwerk

 Existierendes Kraftwerk in Süddeutschland

 Zweistufiger Organic Rankine Cycle

 Elektrische Nennleistung:

5,5 MW

 Thermalwasser-Parameter (138 °C, 120 kg/s)

 Umgebungstemperatur (Auslegungsfall): 8 °C

Dynamisches Simulationsmodell

01.10.2019 page 9

(10)

Das Simulationsmodell ist quantitativ und qualitativ zur Abbildung des realen Kraftwerks geeignet.

00 04 08 12 16 20 24

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

Generatorleistung / MW

Zeit / hh

Betriebsdaten Simulation Thermalwasser

320 340 360 380 400 420 440 460 480

Volumenstrom / m³/h

Dynamisches Simulationsmodell

Validierung des zweistufigen ORC-Systems:

 Variationskoeffizient des mittleren quadratischen Fehlers für 23 Parameter im Durchschnitt: 3,5 %

 Elektrische Generatorleistung:

Ergebnisse

Variationskoeffizient

(Generatorleistung) 4,2 % Korrelationskoeffizient 0,99

(11)

00 06 12 18 24 5

10 15

Wärmeleistung / MW

Zeit / hh

Zusammenfassung

Jahresertragssimulationen basierend auf Typtagen (VDI 4655) Wärmelastprofile Dynamisches Simulationsmodell

 

(12)

 Fernwärmenetz (FWN):

 Wärmeorientierter Betrieb

Vorlauftemperatur:

90 °C / 60 °C

Rücklauftemperatur:

60 °C / 35 °C Rücklauftemperatur:

Vorlauftemperatur:

Randbedingungen

Heiz-

werk ^FWN Spitzenlast: 5 – 20 MW

Medium: Wasser

01.10.2019 page 12

(13)

 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen:

 Strompreis: 25,2 ct/kWh (nach §45 EEG)

 Wärmepreis: 7,2 ct/kWh [1]

 Betrachtung verschiedener Konzepte zur Strom- und Wärmeerzeugung:

 Parallel

 HHT-Konzept

 LT-Konzept

[1] AGFW - Der Effizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. (Ed.): Fernwärme - Preisübersicht, Frankfurt am Main, 2019.

Bildquelle: https://www.istockphoto.com/de/vektor/geldsack-euro-zeichnung-gm182026853-27550755

Randbedingungen

01.10.2019 page 13

(14)

Thermalwasser

Vorwärmer HHT

Verdampfer LT

Turbine LT

Vorwärmer LHT

Vorwärmer LT

Pumpe HT Pumpe LT

Tank HT Tank LT

G

Generator

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

Parallel

B

A

C

01.10.2019 page 14

(15)

Thermalwasser

Vorwärmer HHT

Verdampfer LT

Turbine LT

Vorwärmer LHT

Vorwärmer LT

Pumpe HT Pumpe LT

Tank HT Tank LT

G

Generator

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

HHT

B

A

C

01.10.2019 page 15

(16)

Thermalwasser

Vorwärmer HHT

Verdampfer LT

Turbine LT

Vorwärmer LHT

Vorwärmer LT

Pumpe HT Pumpe LT

Tank HT Tank LT

G

Generator

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

LT

B

A

C

01.10.2019 page 16

(17)

17

Szenario-Betrachtung

Ende EEG-Zeitraum (20a)

Inbetriebnahme 30a

Reine Stromerzeugung

Stromerzeugung auf geringerem Niveau

Reine Stromerzeugung

Zeit

Aufbau FWN

Reine Stromerzeugung Strom & Wärmeerzeugung

Strom & Wärmeerzeugung Aufbau FWN

Reine Stromerzeugung Reine Wärmeerzeugung

Aufbau FWN

Reine Stromerzeugung Strom & Wärmeerzeugung Reine Wärmeerzeugung

A B

C

D

E F

01.10.2019

(18)

18

Kapitalwertmethode zur ökonomischen Bewertung der verschiedenen Szenarien:

Annahme Preissteigerungsrate: 2,1 %

Szenario-Betrachtung

, ,

0

1

(1 )

n

Strom t Wärme t

Inv t

t

E E

C K



i

   

 

Formelzeichen Erläuterung

E

_t

Erträge aus der Strom- und Wärmeerzeugung K

_inv

Investitionskosten Fernwärmenetz

i Kalkulationszinssatz 9,36 % n Lebensdauer: 30 Jahre

(19)

1) Motivation 2) Methodik 3) Ergebnisse

(20)

20

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

60/35 90/60

ORC

parallel

HHT LT

40 42 44 46 48 50

Exergetischer Wirkungsgrad / %

ORC

parallel

HHT LT

40 42 44 46 48 50

+5%

+1,3%

Zusätzliche Wärmeauskopplung führt zu höherem exergetischen Wirkungsgrad

(21)

ORC

parallel

HHT LT

10 11 12 13 14 15 16

Jahresertrag / Millionen €

ORC

parallel

HHT LT

10 11 12 13 14 15 16

21

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

60/35 90/60

+9% +10%

Zusätzliche Wärmeauskopplung führt zu höheren Jahreserträgen

01.10.2019

(22)

22

HHT-Konzept:

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

Elektrische Energieerzeugung Exergetischer Wirkungsgrad Jahreserträge

ORC

60/35

90/60 40

41 42 43 44 45 46 47 48

Elektrische Energie / GWh

ORC

60/35

90/60 40

41 42 43 44 45 46 47 48

ORC

60/35

90/60 10

11 12 13 14

-1%

+3,7%

-4% -5%

Höhere Vorlauftemperatur liefert höheren exergetischen Wirkungsgrad

01.10.2019

(23)

ORC

parallel

HHT LT

40 42 44 46 48 50

ORC

parallel

HHT LT

40 42 44 46 48 50

Höhere Spitzenlast des FWN führt zu höheren exergetischen Wirkungsgraden für alle Konfigurationen

Jährlicher exergetischer Wirkungsgrad

5 MW 20 MW

+5%

+20%

(24)

ORC

parallel

HHT LT

10 11 12 13 14 15 16

ORC

parallel

HHT LT

10 11 12 13 14 15 16

 Zusätzliche Wärmebereitstellung führt zu höheren Jahreserträgen

 Durch Erhöhung der Spitzenlast des FWN können die Erträge noch weiter gesteigert werden

Jahreserträge

5 MW 20 MW

+9%

+37%

(25)

0 5 10 15 20 10

11 12 13 14 15 16

Spitzenlast FWN / MW

0 5 10 15 20

40 42 44 46 48 50 52

Spitzenlast / MW

exergetischer Wirkungsgrad / %

0 5 10 15 20

30 35 40 45 50

Spitzenlast FWN / MW

Elektrische Energie / GWh

HHT-Konzept:

Verschiedene Spitzenlasten des Fernwärmenetzes

Exergetischer Wirkungsgrad Jahreserträge Elektrische Energieerzeugung

-20%

+20% +37%

Je höher die Spitzenlast, desto geringer die elektrische Energieerzeugung und desto höher die Jahreserträge

(26)

A B C D E F 80

85 90 95 100 105 110 115 120

Kapitalwert / Millionen €

Szenario

Szenario EEG nach EEG

A Strom Strom

B Strom Strom (80%)

C Strom Wärme

D Strom/Strom & Wärme Wärme

E Strom/Strom & Wärme Strom & Wärme F Strom & Wärme Strom & Wärme

26

HHT-Konzept:

Szenario-Betrachtung

Die Strom- und Wärmeerzeugung zeigt den höchsten Kapitalwert

-3% +6%

01.10.2019

(27)

1) Motivation 2) Methodik 3) Ergebnisse

(28)

 Durchführung von Jahressimulationen von geothermischen Strom- und Wärmeerzeugungskonzepten

 Die Strom- und Wärmeerzeugung führt zu höheren exergetischen Wirkungsgraden und Jahreserträgen (als die reine Stromerzeugung).

 Je höher die Vorlauftemperatur des Fernwärmenetzes desto höher der exergetische Wirkungsgrad.

 Je höher die Spitzenlast des Fernwärmenetzes desto höher die Jahreserträge und desto geringer die erzeugte

elektrische Energiemenge.

 Die Strom- und Wärmeerzeugung zeigt den höchsten Kapitalwert über die Lebensdauer des Kraftwerks.

 Nächste Schritte:

 Untersuchung der Auswirkungen auf die Reinjektionstemperatur des Thermalwassers

 Integration eines thermischen Speichers in das Fernwärmenetz

(29)

Besonderer Dank gilt dem bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst für die Förderung dieser Arbeiten im Rahmen der Geothermie-Allianz Bayern!

page 29

(30)

Energetische und wirtschaftliche Bewertung der geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung

geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung

Geothermische Strom- und Wärmeerzeugung

Bausteine für eine belastbare energetische und wirtschaftliche Bewertung

Typtage nach VDI 4655

Jahreszeit

Nutzerverhalten

Bewölkung

Entwicklung von Wärmelastprofilen

Wärmelastprofile Umgebungstemperaturprofile

G

Dynamisches Simulationsmodell

Dynamisches Simulationsmodell

Zusammenfassung

 

Randbedingungen

Randbedingungen

G

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

Parallel

G

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

HHT

G

Strom- und Wärmeerzeugungskonzepte

LT

Szenario-Betrachtung

A B

C

D

E F

Szenario-Betrachtung

(1 )

E E

C K

i

   

 

Formelzeichen Erläuterung

E

Erträge aus der Strom- und Wärmeerzeugung K

Investitionskosten Fernwärmenetz

i Kalkulationszinssatz 9,36 % n Lebensdauer: 30 Jahre

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

60/35 90/60

+5%

+1,3%

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

60/35 90/60

+9% +10%

Variation der Vor- und Rücklauftemperaturen

Elektrische Energieerzeugung Exergetischer Wirkungsgrad Jahreserträge

-1%

+3,7%

-4% -5%

Jährlicher exergetischer Wirkungsgrad

5 MW 20 MW

+5%

+20%

Jahreserträge

5 MW 20 MW

+9%

+37%

Verschiedene Spitzenlasten des Fernwärmenetzes

Exergetischer Wirkungsgrad Jahreserträge Elektrische Energieerzeugung

-20%

+20% +37%

Szenario-Betrachtung

-3% +6%

www.zet.uni-bayreuth.de