Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1225
Main Title: Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse - Analyse und Prozessvergleich binärer Kraftwerke
Translated Title: Geothermal Power Plants - Analysis and Comparison of Binary Cycles
Author(s): Köhler, Silke
Advisor(s): Ziegler, Felix
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die tiefe Geothermie in Deutschland erschließt Reservoirs in 3 bis 5 km Tiefe mit Temperaturen von 100 °C bis 200°C. Für die Wandlung dieser Niedertemperaturwärme in elektrische Energie kommen voraussichtlich nur Kraftwerke mit Sekundärkreislauf in Frage. Die zwei zur Zeit verfügbaren Systeme, der Organic Rankine Cycle (ORC) und der Kalina-Prozess werden analysiert und bewertet. Die aus den Wasserdampfprozessen bekannten Methoden zur Verbesserung des Wirkungsgrades werden hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit geprüft, alternative Möglichkeiten der Verbesserung untersucht und daraus praktikable Vorgehensweisen beim Entwurf der Prozesse entwickelt. Im Vergleich der beiden Prozesse für Thermalwassertemperaturen von 100 °C bis 200 °C bei Berücksichtigung von Luftkühlung und Frischwasserkühlung zeigen sich die Kalina-Anlagen im unteren Temperaturbereich, und zwar insbesondere bei Luftkühlung überlegen, während die ORC-Anlagen im oberen Temperaturbereich höhere Netzanschlussleistungen erzielen. Die Kalina-Anlagen entziehen dem Thermalwasser weniger Wärme als die ORC-Anlagen, wandeln diese Wärme aber mit einem höheren thermischen Wirkungsgrad in elektrische Energie. Im Gegensatz zu den ORC-Anlagen verschiebt sich bei den Kalina-Anlagen der Punkt der maximalen Leistung mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle hin zu höheren Rücklauftemperaturen des Thermalwassers. Der Auskühlungswirkungsgrad der Kalina-Anlagen liegt daher ab Thermalwassertemperaturen von 150 °C deutlich unter dem Auskühlungswirkungsgrad der ORC-Anlagen. Abhilfe könnte durch eine Modifikation der Prozessführung geschaffen werden. Andererseits ermöglich aber gerade diese geringe Auskühlung eine weitere Nutzung des Thermalwassers zum Beispiel zur kombinierten Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme. Die ORC-Anlagen dagegen leiden unter dem niedrigeren thermischen Wirkungsgrad, der ihnen insbesondere bei Luftkühlung hohen Eigenbedarf einbringt. Die wirtschaftlichen Betrachtungen geben Hinweise zu den zu erwartenden Investitionskosten sowie zu den aus wirtschaftlicher Sicht erforderliche Mindesttemperaturen und Mindestförderraten des Thermalwassers. Die spezifischen Investitionskosten für ein geothermisches Kraftwerk werden stärker von der Thermalwassertemperatur und der Art der Kühlung als von der Wahl des Systems (ORC- oder Kalina-Anlage) beeinflusst. In den Kalina-Anlagen wird zwar aufgrund des höheren thermischen Wirkungsgrades weniger Wärmeleistung umgesetzt, durch die kleineren Temperaturdifferenzen und die geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten bei Desorption und Absorption kann aber die dafür benötigte Wärmeübertragerfläche größer werden als bei den ORC-Anlagen. Letztendlich scheint es möglich, beide Systeme so zu dimensionieren, dass bei gegebener Eintrittstemperatur des Thermalwassers und gegebener Art der Kühlung identische spezifische Investitionskosten erreicht werden können. In dem Fall muss dann aber unterschiedliche Generatorleistung – bei gleicher Thermalwasserschüttung – bzw. unterschiedliche Thermalwasserschüttung – bei gleicher Generatorleistung - in Kauf genommen werden.
Geothermal reservoirs in Germany are located at 3 – 5 km depth and provide hot brine at 100 °C – 200 °C. Power plants with binary system may convert this heat to electrical energy. A extensive analysis of the two available systems of binary plants, Organic Rankine Cycle (ORC) and Kalina Cycle, is carried out. Design procedures for each system are derived by combining methods of conventional power plant design with specific approaches tailored to the use of geothermal energy. The two systems are assessed considering the above mentioned temperature range of the heat source and water cooling as well as air cooling. The Kalina Cycle shows better performance for lower temperature of the heat source (< 150 °C), and especially for air cooling, while the ORC yields higher gross capacity for a heat source temperature above 150 °C. All systems using a heat source of limited heat capacity will have a maximum power point. The maximum power points of the Kalina plants are found at higher return temperatures of the brine than those of the ORC. This quality would be beneficial if the brine is used for electricity production and heating purposes at the same time. A shift of the maximum power point to lower return temperatures of the brine could be achieved by changing the set-up such as additional heat exchangers. In summary, the Kalina plants generally extract less heat from the geothermal brine than the ORC, but convert this heat with a higher thermal efficiency. On the other hand, the ORC suffer from a comparatively low thermal efficiency, especially in the lower temperature range and for air cooling. Here, the parasitic loads to drive pumps and fans become significant. A cost model completes the analysis and comparison of the systems. The specific investment costs of a binary geothermal power plant are ruled by the heat source temperature, the heat sink temperature and the chosen conversion cycle. The heat source temperature is the main factor, followed by the temperature of the heat sink. The cost model may be used to gain information on minimum required mass flow rate of the brine depending on the brine temperature. In the considered temperature range the mass flow rates of the brine should exceed 7 l/s for 200 °C brine and 50 l/s for 100 °C brine.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11338
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1522
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1225
Exam Date: 23-Aug-2005
Issue Date: 28-Oct-2005
Date Available: 28-Oct-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Entwurf
Geothermie
Kalina
Kraftwerk
ORC
Design
Geothermal
Kalina
ORC
Power plant
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Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Energietechnik » Publications

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