DE102006043409A1

DE102006043409A1 - Stromerzeugung im Grundlastbereich mit geothermischer Energie

Info

Publication number: DE102006043409A1
Application number: DE200610043409
Authority: DE
Inventors: Matthias Schuhknecht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008031613A3; WO2008031613A2

Abstract

Ein Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt (bei 48, 32, 56, 60), verrichtet im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung (70, 78) Arbeit, wobei im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess.
Die Stromerzeugung durch thermodynamische Kreisprozesse ist in der Technik an sich bekannt. Als theoretischer Vergleichsprozess derartiger Kreisprozesse dient der Clausius-Rankine-Prozess. Dabei wird in der Regel ein Kreisprozessmedium durch Zufuhr von Wärmeenergie oder/und durch Druckerhöhung auf ein höheres Energieniveau gehoben, wobei das Kreisprozessmedium ausgehend von diesem erhöhten Energieniveau Arbeit an einer Stromerzeugungsvorrichtung, wie etwa einer Turbinenanordnung verrichtet. Nach der Verrichtung von Arbeit an der Stromerzeugungsvorrichtung befindet sich das Kreisprozessmedium wieder auf dem Energieniveau, auf welchem eine Zufuhr von Wärmeenergie oder/und eine Druckerhöhung erfolgt. In der Regel findet am Kreisprozessmedium während des Kreisprozesses ein Phasenübergang statt, d.h. das Kreisprozessmedium wird ausgehend von einem Zustand als (überhitzter) Dampf durch eine Turbinenanordnung entspannt, nach dem endgültigen Durchgang durch die Turbinenanordnung kondensiert, im flüssigen Zustand durch eine Pumpe auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und schließlich durch Zufuhr von Wärmeenergie wieder in den Zustand (überhitzten) Dampfes übergeführt.
Ein Problem bei der Nutzung geothermischer Energie zur Stromerzeugung liegt in den verglichen mit Kraftwerken, die auf Grundlage von fossilen oder nuklearen Brennstoffen arbeiten, niedrigen zur Verfügung stehenden sogenannten „Soleeintrittstemperaturen" (oder auch als Brine-Inlet-Temperature bezeichnet). Die „Soleeintrittstemperatur" stellt eine maximale Temperatur des nutzbaren Wärmeträgermediums dar. Sie bildet eine Temperaturobergrenze, über welche hinaus das Kreisprozessmedium nicht erwärmt werden kann.
Auf Grund geophysikalischer Gegebenheiten steht ein Wärmeträgermedium, welches untertage Erdwärme aufnimmt und zutage gefördert wird, in der Regel mit nicht mehr als 300° C zur Verfügung. In manchen Gegenden steht ein derartiges Wärmeträgermedium häufig nur mit Temperaturen um die 90° C zur Verfügung. Insbesondere bei letzteren ist eine aus Wirkungsgradgründen gewünschte Überhitzung des Kreisprozessmediums in der Dampfphase bei herkömmlichen Kreisprozessmedien kaum zu erreichen.
Aus dem Stand der Technik ist als Lösung der oben geschilderten Problematik zum einen der sogenannte Organic-Rankine-Cycle (ORC) bekannt, bei welchem organische Stoffe, wie z.B. n-Pentan, Iso-Butan oder auch Silikonöle als Kreisprozessmedien verwendet werden.
Weiterhin ist der sogenannte Kalina-Prozess bekannt, bei welchem eine Mischung aus Ammoniak und Wasser als Kreisprozessmedium verwendet wird. Hierzu wird verwiesen auf die US 2004 0148935 A1 .
Diese bekannten Kreisprozesse in geothermischen Kraftanlagen weisen jedoch einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, mit welcher geothermische Energie bei besserem Wirkungsgrad als bisher in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die vorliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium verwendet wird.
Mit einem Wärmeträgermedium, das beispielsweise Wasser oder überkritisches CO₂ sein kann, wird untertage Erdwärme aufgenommen und das erwärmte Wärmeträgermedium zutage gefördert, wo es in einer Wärmeübertragungseinrichtung thermische Energie an das vom Wärmeträgermedium gesonderte Kreisprozessmedium überträgt. Dabei hat sich gezeigt, dass im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium bei den bei geothermischen Kraftanlagen zur Verfügung stehenden Energien eine hohe Nutzenergieausbeute in Form von elektrischem Strom gestattet.
Mit „im Wesentlichen reiner Ammoniak" soll nicht ausgeschlossen sein, dass in dem Ammoniak als Kreisprozessmedium Spuren anderer Substanzen enthalten sind. Es soll jedoch ausgeschlossen sein, dass es sich um eine Stoffmischung im Sinne des Kalina-Prozesses handelt.
Wenn oben gesagt ist, dass das Kreisprozessmedium Arbeit verrichtet, so ist damit gemeint, dass unter Antrieb der Stromerzeugungsvorrichtung durch das Kreisprozessmedium diesem Energie entzogen und, je nach Wirkungsgrad, in elektrische Energie umgewandelt wird.
Ammoniak als Kreisprozessmedium ist dann besonders geeignet, wenn die maximal erreichbare Temperatur des Kreisprozessmediums auf Grund der zur Verfügung stehenden geothermischen Energie ca. 90°C nicht unterschreitet und 160° C nicht übersteigt. In diesem Temperaturbereich kann Ammoniak bereits zumindest als Nassdampf (nahe der Untergrenze von ca. 90° C) durch Turbinenstufen geleitet werden und dabei Enthalpie in elektrische Energie umwandeln.
Aus Wirkungskraftgründen besonders vorteilhaft wird eine Zwischenüberhitzung durchgeführt, so dass der Ammoniak als Kreisprozessmedium als überhitzter Dampf durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung hindurch geleitet wird, nach diesem Durchgang zwischenüberhitzt wird und anschlie ßend als zwischenüberhitzter Dampf durch eine von der ersten gesonderte zweite Stromerzeugungsvorrichtung geleitet wird.
Weiterhin ist denkbar, Ammoniak nach dem Durchgang durch die oben genannte ersten Stromerzeugungsvorrichtung vom Kreisprozess abzuzweigen und für eine Kraft-Wärme-Kopplung zu nutzen, d.h. die im Ammoniak enthaltene thermische Energie als Fernwärme zum Beheizen von Gebäuden zu nutzen, die nahe der geothermischen Kraftanlage gelegen sind, in der das oben bezeichnete Verfahren durchgeführt wird.
Vorteilhafterweise wird der Ammoniak während des ersten Durchgangs durch die erste Stromerzeugungsvorrichtung bis zum Sattdampfzustand entspannt, so dass in der ersten Stromerzeugungsvorrichtung noch keine Ammoniaktröpfchen auftreten. Von diesem Sattdampfzustand ausgehend wird der Ammoniak durch die Zwischenüberhitzung erwärmt und steht vor dem zweiten Durchgang erneut als überhitzter Dampf zur Verfügung. Auf Grund der Materialeigenschaften von Ammoniak kann die Zwischenüberhitzung wiederum mit einer Wärmeübertragungseinrichtung durch das Wärmeträgermedium erfolgen, welches lediglich die untertage aufgenommene Erdwärme an den Ammoniak überträgt.
Bei herkömmlichen stets zur Verfügung stehenden Kühlmedien, wie etwa der Umgebungsluft, kann der Ammoniak als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 20° bis 35° C kondensiert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kondensationstemperatur von etwa 30° C erwiesen. Bei dieser Temperatur kann der Ammoniak mit herkömmlichem apparativen Aufwand, etwa durch Hybridkühltürme, durch Umgebungsluft gekühlt und kondensiert werden.
Wie oben bereits angedeutet wurde, ist die Stromerzeugungsvorrichtung vorteilhafterweise eine Turbinenanordnung, bei welcher eine Turbinenwelle mit Turbinenschaufeln in einem Turbinengehäuse aufgenommen ist. Die Turbinenschaufeln sind drehfest mit der Turbinenwelle zur Drehung um die Turbinenwellenachse verbunden. Zum Betrieb eines Generators muss die Turbinenwelle aus dem Turbinengehäuse herausgeführt sein. An der Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle das Turbinengehäuse durchsetzt, besteht die Gefahr, dass Ammoniakdampf in die Umgebung austritt. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch verhindert werden, dass Stickstoff der Durchsetzungsstelle als Sperrgas zugeführt wird. Hierzu kann konstruktiv die Durchsetzungsstelle mit einer Labyrinthdichtung versehen sein, welcher Stickstoff mit einem höheren Druck zugeführt wird als dieser im Turbinengehäuse an der Durchsetzungsstelle herrscht.
Entsprechend dem oben bezeichneten Verfahren wird die eingangs genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reiner Ammoniak ist. Zu den Vorteilen einer derartigen Vorrichtung sei auf die oben im Zusammenhang mit dem entsprechenden Verfahren genannten Vorteile verwiesen.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung jedoch auch gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei im Wesentlichen reines Wasser als Kreisprozessmedium verwendet wird.
Im Gegensatz zu dem bekannten Kalina-Prozess wird wiederum ein einziger Stoff, nämlich Wasser als Kreisprozessmedium verwendet. Wasser als Kreisprozessmedium ist aus Kraftanlagen, die auf Grundlage von fossilen oder nuklearen Brennstoffen arbeiten, bekannt, nicht jedoch als Kreisprozessmedium in geothermischen Anlagen, bei welchen selbst die höchsten erzielbaren Temperaturen des Kreisprozessmediums ca. 270 K bis 300 K unter jenen von Kraftanlagen mit fossilen oder nuklearen Brennstoffen liegen.
Mit der Bezeichnung „im Wesentlichen reines Wasser" soll wiederum nicht ausgeschlossen sein, dass in dem Wasser als Kreisprozessmedium Spuren anderer Substanzen enthalten sind. Jedoch soll eine Mischung, also ein Zweistoffsystem, wie es aus dem Kalina-Prozess bekannt ist, ausgeschlossen sein.
Wasser als Kreisprozessmedium eignet sich besonders gut dann, wenn die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses ca. 300° nicht übersteigt und ca. 160° C nicht unterschreitet. In diesem Temperaturbereich kann Wasser als Kreisprozessmedium zumindest in eine Nassdampfphase (nahe der Untergrenze von ca. 160° C) oder sogar in den Zustand schwach überhitzten Dampfes (nahe der Obergrenze von ca. 305° C) überführt werden.
Bei üblicherweise verfügbaren Umgebungstemperaturen kann das Wasser als Kreisprozessmedium mit herkömmlichem apparativen Aufwand, etwa durch Hybridkühltürme, bei einer Kondensationstemperatur von 20° C bis 35° C, besonders bevorzugt von ca. 33° C kondensiert werden. Beispielsweise kann das Wasser bei einem absoluten Kondensationsdruck von 50 mbar bei einer Temperatur von 32,88° C kondensiert werden.
Auf Grund der Materialeigenschaften von Wasser liegt dieses als Kreisprozessmedium nach dem Durchgang durch die Stromerzeugungsvorrichtung und vor dem Kondensationsvorgang im Nassdampfzustand vor. Dabei sollte der Dampfanteil von 85 % nicht unterschritten werden, um die mechanische Belastung der Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere einer Turbinenanordnung, durch Tröpfchenbildung im vertretbaren Rahmen zu halten.
Der gesamte Wirkungsgrad einer geothermischen Kraftanlage, unabhängig davon, ob sie in dem niedrigen Temperaturbereich mit Ammoniak als Kreisprozessmedium oder in dem oben bezeichneten höheren Temperaturbereich mit Wasser als Kreisprozessmedium arbeitet, kann weiter vorteilhaft dadurch erhöht werden, dass wenigstens ein Teil des Kreisprozessmediums zur Wärmeerzeugung, insbesondere zur Fernwärmeauskopplung, vor Ende des Arbeitsprozesses zur Stromerzeugung aus diesem entnommen wird und kondensiert wird. In diesem Falle kann die vom Kreisprozessmedium erhaltene Wärme als Nutzwärme Gebäuden zugeführt werden, um diese zu heizen. Eine derartige Entnahme des Kreisprozessmediums kann beispielsweise nach Durchgang durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung erfolgen, wenn mehr als eine Stromerzeugungsvorrichtung verwendet wird.
Entsprechend dem gerade geschilderten Verfahren wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reines Wasser ist.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar:
1 ein log(p)-h-Diagramm eines thermodynamischen Kreisprozesses eines Stromerzeugungsverfahrens in einer geothermischen Kraftanlage mit Ammoniak als Kreisprozessmedium,
2 ein T-S-Diagramm eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Stromerzeugung in einer geothermischen Kraftanlage mit Wasser als Kreisprozessmedium,
3 ein schematisches Beispiel einer geothermischen Kraftanlage, welche den Kreisprozess gemäß 1 durchführt,
4 eine alternative geothermische Kraftanlage, welche den Kreisprozess gemäß 2 durchführt.
In 1 ist ein Kreisprozess mit Ammoniak als Kreisprozessmedium in einem Diagramm aufgetragen, in welchem der Logarithmus des Absolutdrucks des Kreisprozessmediums gegenüber seiner Enthalpie aufgetragen ist. Eine Kurve 10 begrenzt das Zweiphasengebiet 12 von Ammoniak, in welchem Ammoniak zu einem Teil flüssig und zu einem anderen Teil gasförmig vorliegt. Im Bereich 14 kleinerer Enthalpie als das Zweiphasengebiet 12 ist der Ammoniak vollständig flüssig, im Bereich 16 höherer Enthalpie als das Zweiphasengebiet 12 ist der Ammoniak vollständig gasförmig. Der kritische Punkt K von Ammoniak liegt bei 113,5 bar Absolutdruck und einer Temperatur von 132,35° C.
Die Betrachtung des Kreisprozesses von 1 beginnt bei einem Punkt 18 bei einem Absolutdruck p von 11,67 bar und einer Temperatur T gleich 30° C auf der Grenzlinie 10 zwischen dem Zweiphasengebiet 12 und dem Flüssigphasengebiet 14. Ausgehend von diesem Punkt 18 wird durch eine Pumpe der flüssige Ammoniak unter Erhöhung seiner Enthalpie h auf ein höheres Druckniveau zu dem Punkt 20 im log(p)-h-Diagramm gebracht. Dann wird durch Wärmezufuhr in drei Schritten der Ammoniak zunächst bis zum Punkt 22 an der Grenze zwischen dem Flüssigphasengebiet 14 und Zweiphasengebiet 12 erwärmt, weiter bis zur Grenze zwischen dem Zweiphasengebiet 12 und dem Dampfphasengebiet 16 verdampft (Punkt 24) und von dort aus in die Dampfphase zu Punkt 26 überhitzt. Mit der am Punkt 26 vorhandenen Enthalpie h und bei dem dort herrschenden Druck p wird der Ammoniak längs der Linie 28 bis zur Sattdampfgrenze bei Punkt 30 in einer ersten Turbinenstufe entspannt. Nachfolgend wird der Ammoniak durch Wärmeübertragung erneut in das Dampfphasengebiet 16 zu Punkt 32 zwischenüberhitzt und von dort erneut längs der Linie 34 bis zum Sattdampfpunkt 36 in einer zweiten Turbinenstufe entspannt. Schließlich wird der Ammoniak in einem Kondensator von Punkt 36 zu Punkt 18 kondensiert, von wo aus der Kreisprozess erneut durchlaufen wird.
Der in 1 gezeigte Kreisprozess mit Ammoniak als Kreisprozessmedium wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich verwendet, bei welchem die Temperaturen des Ammoniaks bei den Punkten 26 bzw. 32, d.h. die Maximaltemperaturen, 165° C nicht überschreiten und 90° C nicht unterschreiten. Bei Ammoniak-Maximaltemperaturen von 90° C bis 110° C läuft der Kreisprozess ohne Zwischenüberhitzung ab.
In 2 ist ein alternativer Kreisprozess einer geothermischen Kraftanlage in einem Temperatur-Entropie-Diagramm dargelegt. Entsprechende Punkte sind mit entsprechenden Zahlen wie in 1 gekennzeichnet, jedoch erhöht um die Zahl 100.
In 2 ist die Linie 110 die Grenzlinie zwischen Einphasengebieten und dem Zweiphasengebiet 112 von Wasser. Das Flüssigphasengebiet ist mit 114 bezeichnet, das Dampfphasengebiet mit 116. Der kritische Punkt K liegt bei einem Absolutdruck von 220,55 bar und einer Temperatur von 373,98° C. Wiederum wird die Betrachtung des Kreisprozesses von 2 an der Grenze zwischen dem Flüssigphasengebiet 114 und dem Zweiphasengebiet 112 bei Punkt 118 begonnen. Ausgehend von diesem Punkt 118 wird das Wasser mit einer Pumpe zum Punkt 120 verdichtet. Von dort wird das Wasser in drei Schritten zum Punkt 122 auf der Grenzlinie zwischen dem Flüssigphasengebiet 114 und dem Zweiphasengebiet 112 erwärmt, dann bis zum Sattdampf bei Punkt 124 verdampft und schließlich bis zum Punkt 126 überhitzt. Ausgehend vom überhitzten Zustand des Punktes 126 wird der dort vorliegende Wasserdampf in einer Turbine in das Nassdampf gebiet bzw. Zweiphasengebiet 112 entspannt. Der Entspannungspunkt im Zweiphasengebiet 112 ist mit 137 bezeichnet. Ausgehend von diesem Punkt wird das Wasser kondensiert bis zum Punkt 118, in welchem das gesamte Wasser des Kreisprozesses kondensiert ist. Der Dampfanteil bei Punkt 137 liegt bei ca. 85 %.
Der in 2 gezeigte Kreisprozess mit Wasser als Kreisprozessmedium wird für geothermische Kraftanlagen empfohlen, bei welchen die Temperatur am Punkt 126 nicht größer als 305° C jedoch größer als 160° C ist. In diesem Temperaturbereich können mit Wasser als Kreisprozessmedium bessere Wirkungsgrade erzielt werden als mit Ammoniak.
In 3 ist schematisch eine geothermische Kraftanlage zur Stromerzeugung dargestellt. Im Folgenden werden lediglich die wesentlichen Bauteile der Anlage von 3 erläutert.
Mit einer Pumpe 40 wird in der Leitung 42 ein Wärmeträgermedium, etwa Wasser oder überkritisches CO₂, aus einer Tiefenbohrung zu einem Verteiler 44 gefördert. In der Tiefenbohrung hat das Wärmeträgermedium Erdwärme aufgenommen. Als Faustregel gilt, dass die Temperatur des Erdeichs pro 100 m Bohrungstiefe um ca. 3 K zunimmt.
Ausgehend von dem Verteiler 44 wird das Wärmeträgermedium über die Leitung 46 einem Überhitzungs-Wärmetauscher 48 zugeführt. Ebenfalls wird Wärmeträgermedium über die Leitung 50 vom Verteiler 44 einem Zwischenüberhitzungs-Wärmetauscher 52 zugeführt.
Über die gemeinsame Ablaufleitung 54 wird das aus den Wärmetauschern 48 und 52 austretende Wärmeträgermedium, welches nun eine geringere Temperatur aufweist als vor Eintritt in die jeweiligen Wärmetauscher, einem Verdampfer-Wärmetauscher 56 zugeführt. Das aus dem Verdampfer-Wärmetauscher 56 ablaufende Wärmeträgermedium wird, wiederum mit einer geringeren Temperatur als in der Leitung 54 über die Leitung 58 einem Vor wärm-Wärmetauscher 60 zugeführt. Vom Vorwärm-Wärmetauscher 60 wird das Wärmeträgermedium über die Leitung 62 wieder in das Erdreich zurückgeführt, wo es erneut Erdwärme aufnimmt. Die Leitungen 42, 46, 50, 54, 58 und 62 bilden somit einen Wärmeträgermedium-Kreislauf.
In dem Vorwärm-Wärmetauscher 60 wird Ammoniak als Kreisprozessmedien eines gesonderten Ammoniakkreislaufs vom Punkt 20 zum Punkt 22 von 1 vorgewärmt. Der vorgewärmte flüssige Ammoniak wird in einer Kesseltrommel 64 gesammelt. Von dort wird der Ammoniak über die Leitung 66 und einer Abschlämmeinrichtung 68 dem Verdampfungs-Wärmetauscher 56 zugeführt und durch diesen zum Punkt 24 von 1 verdampft. Der Ammoniakdampf wird als Dampfphase ebenfalls in der Kesseltrommel 64 gesammelt und über die Leitung 67 dem Überhitzungs-Wärmetauscher 48 zugeführt. Dort wird der Ammoniakdampf zum Punkt 26 von 1 überhitzt und über die Leitung 68 der Hochdruckturbinenstufe 70 zugeführt. Von dort kann der Ammoniak, welcher am Ende der Hochdruckturbinenstufe 70 am Punkt 30 von 1 als Sattdampf vorliegt, entweder durch eine erste Kondensatoreinrichtung 72 kondensiert werden oder/und kann über eine Leitung 74 dem Zwischenüberhitzungs-Wärmetauscher 52 zugeführt werden, wo der Sattdampf zum Punkt 32 von 1 überhitzt wird und über die Leitung 76 einer Niederdruckturbinenstufe 78 zugeführt wird.
Am Ausgang der Niederdruckturbinenstufe 78 liegt der Ammoniak als kühler Sattdampf bei Punkt 36 von 1 vor, wobei der Druck und die Temperatur des Ammoniaks durch den zweiten Kondensator bzw. Hauptkondensator 80 bestimmt wird. Am Kondensator 80 wird der Ammoniak zum Punkt 18 von 1 kondensiert und dann in flüssiger Phase über eine Pumpenanordnung 82, welche über Leitung 84 mit dem Kondensator 80 in Verbindung steht, auf den Punkt 20 von 1 mit erhöhtem Druckniveau angehoben und von der Pumpenanordnung 82 über die Leitung 86 in den Vorwärm-Wärmetauscher 60 eingeleitet.
Am ersten Kondensator 72 kann auch lediglich nur ein Teilstrom des Am moniaks aus der Hochdruckturbinenstufe 70 entnommen und für eine Fernwärmekopplung genutzt werden. Die Turbinenstufen 70 und 78 sitzen auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 88, welche über ein Getriebe 90 mit einem Generator 92 mechanisch gekoppelt ist. Durch die Turbinenstufen 70 und 78 wird der Generator 92 in Drehung versetzt und dadurch Strom erzeugt.
In 4 ist schematisch eine geothermische Kraftanlage dargestellt, welche den in 2 gezeigten Kreisprozess mit Wasser als Kreisprozessmedium ausführt. Gleiche Bauteile wie in 3 sind dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100. Im Folgenden wird die 4 nur insoweit beschrieben werden, als sie sich von 3 unterscheidet. Ansonsten wird ausdrücklich auf die Beschreibung von 3 verwiesen.
Die Anlage von 4 unterscheidet sich von der Anlage gemäß 3 lediglich dadurch, dass nur eine einzige Turbinenstufe 170 den Generator antreibt. Dementsprechend ist kein Zwischenüberhitzungs-Wärmetauscher erforderlich.
Je nach den geologischen Verhältnissen, d.h. der aus dem Erdinneren erzielbaren Temperatur des Wärmeträgermediums im Primärkreislauf wird entweder die ammoniakbasierte oder die wasserbasierte geothermische Kraftanlage realisiert.
Als wirtschaftliche Grenze zwischen den beiden geschilderten Verfahren hat sich eine erreichbare Kreisprozessmedium-Temperatur von ca. 160° C bis 165° C erwiesen.

Claims

Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses ca. 160°C nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses nicht unter ca. 90°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak als das Kreisprozessmedium vor einem ersten Durchgang durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung überhitzt wird und nach diesem ersten Durchgang vor einem zweiten Durchgang durch eine von der ersten gesonderte zweite Stromerzeugungsvorrichtung zwischenüberhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak sich nach dem ersten Durchgang und vor der Zwischenüberhitzung im Sattdampfzustand befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 20°C bis 35°C, vorzugsweise von ca. 30°C kondensiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsvorrichtung eine Turbinenanordnung mit einer Turbinenwelle und einem Turbinengehäuse ist, wobei einer Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle das Turbinengehäuse durchsetzt, Stickstoff als Sperrgas zugeführt wird.
Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen reines Wasser als Kreisprozessmedium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses 305°C nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses nicht unter 160°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 20°C bis 35°C, vorzugsweise von ca. 33°C kondensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kreisprozessmedium nach dem Durchgang durch die Stromerzeugungsvorrichtung und vor dem Kondensationsvorgang im Nassdampfzustand vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Kreisprozessmediums zur Wärmeerzeugung, insbesondere zur Fernwärmeauskopplung, vor Ende des Arbeitsprozesses zur Stromerzeugung aus diesem entnommen wird und kondensiert wird.
Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (48, 52, 56, 60), in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung (70, 78) Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reiner Ammoniak ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsvorrichtung (70, 78) eine Turbinenanordnung mit einer Turbinenwelle (88) und einem Turbinengehäuse ist, wobei an einer Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle (88) das Turbinengehäuse durchsetzt, eine Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der durch eine Stickstoffleitung Stickstoff als Sperrgas zugeführt wird.
Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (148, 156, 160), in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung (170) Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reines Wasser ist.