Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern. Am

Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern.
Am Beispiel Grünwald, Kirchweidach und Traunreut.
Am 24. & 25. August 2015 besuchten zwei Mitarbeitende der Geo-Energie Suisse AG, drei Aktionärsvertreterinnen (EWZ, ewb), sowie ein Journalist insgesamt fünf verschiedene Geothermie-Kraftwerke in
Bayern. Organisiert und geleitet wurde die Studienreise von Thorsten Weimann, Geschäftsführer der
gec-co GmbH.
Übersicht über die Nutzung der Tiefengeothermie in Bayern
Derzeit sind im Bundesland Bayern 20 tiefengeothermische Anlagen in Betrieb. Das erste Heizwerk
nahm 1992 in Straubing den Betrieb auf. 2009 startete in Unterhaching das erste Geothermiekraftwerk
Bayerns mit der Produktion von Strom und Wärme. 2012 gründete die Gemeinde Grünwald zusammen
mit Unterhaching den ersten geothermischen Wärmeverbund Deutschlands. Die Anlage in Grünwald
liefert seit 2011 Wärme und produziert seit Ende 2014 Strom.
Abbildung 1: Übersicht über Tiefengeothermie-Anlagen im Bayrischen Molassebecken.
Quelle: Pressemappe TIGER (Tiefe Geothermie-Deutschland).
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Grünwald – regenerative Wärme und grüner Strom
Das Projekt Erdwärme Grünwald (EWG) nahm 2008 seinen Anfang. Das kommunale Geothermieprojekt
verfolgt das Ziel, die Grundversorgung der Gemeinde mit regenerativer Wärmeenergie zu sichern und
zusätzlich grünen Strom zu produzieren. Die Erdwärme Grünwald GmbH (100 % in Gemeindebesitz) betreibt das Kraftwerk und vermarktet die produzierte Energie. Das Kraftwerk steht in Laufzorn, in der
Nachbargemeinde Oberhaching.
Die Grünwalder Geothermie-Anlage ist wärmegeführt. Das bedeutet, dass die Wärmeversorgung vor der
Stromproduktion steht. Wird weniger Wärme benötigt, kann mehr Strom produziert werden – und umgekehrt. Seit die Fündigkeit beider Tiefenbohrungen im Juni 2010 bestätigt wurde, baute die Gemeinde
Grünwald ihr Fernwärmenetz kontinuierlich aus. Der Langzeitproduktionstest ergab mit rund 130-140
Litern pro Sekunde und ca. 125-130°C sehr gute Werte, welche die erhoffte Prognose von 100 Litern pro
Sekunde bei 120°C deutlich übertraf. Mit Beginn der Wärmeproduktion im Oktober 2011 konnten erste
private Haushalte, Unternehmen sowie kommunale Liegenschaften (Kindergärten, Schulen, Rathaus) mit
der neuen, einheimischen, regenerativen Wärmeenergie versorgt werden. Seither wird das Fernwärmenetz stetig ausgebaut und verdichtet. 2012 haben sich die beiden Geothermie-Gemeinden Unterhaching
und Grünwald zu einem Wärmeverbund zusammengeschlossen. Im Oktober 2013 wurde in der Produktionsbohrung in 760 Metern Tiefe eine leistungsstarke Tauchkreiselpumpe eingebaut. Damit ist eine
maximale Förderrate von 160 Litern pro Sekunde möglich. Der Ausbau des Fernwärmenetzes in Grünwald, der Wärmeverbund mit Unterhaching und die Inbetriebnahme des ORC-Kraftwerks zur Stromproduktion erfordern die Bereitstellung einer maximalen Menge an thermischer Leistung. Ende 2014 erreicht das Fernwärmenetz eine Länge von rund 35 km. Zusammen mit der Wärmeverbundsleitung nach
Unterhaching erstreckt sich das Fernwärmenetz der Grünwalder Anlage zurzeit über knapp 40 Kilometer.
Bis 2017 sollen weitere rund 24,5 Kilometer Fernwärmenetz hinzugebaut werden.
Die geothermisch erzeugte Wärme, die aus der Grünwalder Anlage in Laufzorn über die rund 5 km lange
Verbindungsleitung nach Unterhaching fliesst, wird im dortigen Geothermiekraftwerk einerseits für die
Einspeisung ins eigene Fernwärmenetz und andererseits für die Stromproduktion genutzt. Der Wärmetransfer baut auf bi-direktionale Wärmetauscher von Sondex sowie Pumpen für die Thermalwasserförderung von Baker Hughes. Der Wärmeverbund bringt beiden Geothermie-Gesellschaften Vorteile:
Grünwald lastet seine Bohrung aus, Unterhaching deckt seinen Energiebedarf für das KalinaStromkraftwerk und, am wichtigsten, beide Gemeinden erhöhen ihre Versorgungssicherheit in der Wärmeversorgung. Denn der Wärmeverbund ermöglicht auch eine Redundanznutzung der beiden verbundenen Geothermie-Anlagen, was den Einsatz der Öl-Heizkessel reduziert und das Klima durch die damit
verbundene Reduktion des CO2-Ausstosses zusätzlich schont.
Seit Dezember 2014 betreibt die Erdwärme Grünwald GmbH in Laufzorn zusätzlich ein ORCStromkraftwerk. Die ORC ( Organic Rankine Cycle) Technologie ist im Gegensatz zur in Unterhaching eingesetzten Kalina-Technologie bereits etabliert. Als Arbeitsmittel wird in Laufzorn Isobutan verwendet,
ein umweltfreundliches, nicht toxisches Arbeitsmittel. Die Radialturbine ist auf eine maximale Leistung
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von 4.3 MW ausgelegt. Der Generator besitzt eine Nennleistung von 4.75 MVA. Die verstellbare Düseneinstellung der Turbinen garantiert einen hohen Wirkungsgrad auch bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und Thermalwasser Massenströmen. Die Wärmeübertragung vom Thermalwasserkreislauf
auf den ORC-Kreislauf erfolgt mittels Wärmetauschern. Nach der Verdampfung und Turbinierung wird
das Isobutan wieder verflüssigt. Die Kühlung erfolgt über Luftkondensatoren.
Auch aufgrund der Tatsache,
dass sich das Kraftwerk auf
benachbartem Gemeindegebiet befindet, wurde der Einbettung der Anlage in die
Landschaft sowie den Lärmschutzvorschriften grosse
Bedeutung beigemessen.
Im August 2015 waren die
Umgebungsarbeiten noch im
Gange.
Die Luftkondensatoren befinden sich im hinteren Gebäudeteil hinter der Holzverkleidung
(Siehe auch Abb.7).
Abbildung 2: Geothermiekraftwerk der Erdwärme Grünwald GmbH in Laufzorn in der Gemeinde Oberhaching.
Links sieht man das Produktionsbohrloch. Die integrierte
Förderpumpe hat eine maximale Leistung von 1.35 MWel,
maximal 1'800 PS und kann bis
zu max. 160 Liter Wasser /
Sekunde fördern. Die Pumpe
der neusten Generation ist
rund 33 Meter lang und wurde
in 730 Metern Tiefe im Produktionsbohrloch befestigt. Rechts
sieht man das Injektionsbohrloch. Über dieses wird das
abgekühlte Wasser wieder dem
Malmkalk zugeführt.
Abbildung 3: Geothermiekraftwerk Laufzorn mit der Produktions- und der Injektionsbohrung.
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Heizzentrale mit Fernwärmevor- und Rücklauf,
Druckausgleichsbehältern
für das Fernwärmenetz
(rechts unten) sowie den
Umwälzpumpen für das
Fernwärmenetz (unten,
Mitte).
Links unten, ausserhalb des
Bildausschnitts, befinden
sich die Wärmetauscher.
Diese entziehen dem geförderten Thermalwasser
Energie, die dem Fernwärmenetz zugeführt wird.
Abbildung 4: Blick in die Heizzentrale des EWG-Kraftwerks.
Die Umwälzpumpen transportieren das heisse Wasser
in den Vorlauf des Fernwärmenetzes und befördern
das abgekühlte Wasser aus dem Fernwärmerücklauf
zurück in den Thermalwasserkreislauf.
Abbildung 5: Fernwärmenetz-Umwälzpumpen.
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Durch die Rohrleitung im Vordergrund strömt das gasförmige Arbeitsmittel zu den Luftkondensatoren hinter
der Holzverkleidung.
Mit dem Gas wird eine Radialturbine angetrieben und
mit einem Generator Strom erzeugt.
Die Turbine ist für eine maximale Leistung von 4.3 MW
ausgelegt. Die Nennleistung des Generators beträgt
4.75 MVA.
Der Tank in der Mitte des Bildes nimmt das gekühlte
Arbeitsmittel – nun wieder in flüssigem Zustand – auf
und der Prozess des Verdampfens und Turbinierens
kann von neuem beginnen.
Abbildung 6: Teil der Stromproduktionsanlage (ORC-Kraftwerk).
Die Luftkondensatoren, zur
Verflüssigung des ORC
Arbeitsmittels befinden sich
hinter einer Holzverkleidung, relativ nahe am Boden.
Die Anlage hält die strengen
Lärmschutzgrenzwerte des
Landratsamts München und
der Gemeinde Oberhaching
ein.
Abbildung 7: Teil der Stromproduktionsanlage Untersicht Luftkondensatoren.
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Geothermiekraftwerk Grünwald. Zahlen und Fakten:
Art der Anlage
Bohrtiefe
Temperatur Thermalwasser
Schüttung
Länge Fernwärmenetz (Stand 2014)
Länge Verbundtrasse LaufzornUnterhaching
Redundanzheizwerk
Installierte thermische Leistung
Installierte elektrische Leistung
Stromerzeugungsverfahren
6
Hydrothermale Dublette
4'083 Meter (Produktionsbohrung)
4'453 Meter (Reinjektionsbohrung)
128 – 130 °C
140 Liter / Sekunde
39 km (inkl. Wärmeverbund mit Unterhaching)
5.3 km
Heizölkessel
50 MW
4.5 MW
ORC (Organic Rankine Cycle)
Kirchweidach – einheimische Tomaten und Paprika dank Geothermie
In einem knapp 12 Hektaren grossen Gewächshaus produziert der Gartenbauunternehmer Josef Steiner
das ganze Jahr über Tomaten und Paprika für den lokalen Markt. Insgesamt rund 5 Millionen Kilogramm
pro Jahr. Beheizt wird das Gewächshaus mit Fernwärme aus dem naheliegenden Geothermiekraftwerk
Kirchweidach sowie der Abwärme aus dem Rücklauf des Heizwassers aus dem Fernwärmenetz von
Kirchweidach. Eine Biogasanlage sowie eine PV-Anlage für Eigenstrom auf dem Dach der Betriebshalle
ergänzen die umweltfreundliche Energieversorgung. Über einen grossen Warmwasserpuffertank können
Wärmebedarfsspitzen und kurzfristige Unterbrechungen der Wärmeversorgung kompensiert werden.
Bewässert wird mit Regenwasser, das über die Dachflächen der Gewächshausanlage in einem Wasserbecken gesammelt wird.
Zur Produktion von Tomaten und Paprika ist eine konstante Temperatur zwischen 18 und 22 °C notwendig. Gewächshäuser dieser Grösse werden in der Regel mit Erdgas oder Erdöl beheizt. Der grosse Vorteil
der Geothermie liegt in der CO2-Neutralität des Energieträgers. Eine Beheizung mit Erdgas hätte einen
jährlichen CO2-Ausstoss von rund 8.4 Millionen Kilogramm CO2 zur Folge. Eine Beheizung mit Erdöl sogar
einen CO2-Ausstoss von rund 10.2 Millionen Kilogramm. Mit der lokalen Produktion von Gemüse, das
ansonsten aus Spanien oder Holland importiert wird, können zusätzlich rund 300'000 LKW-Kilometer pro
Jahr eingespart werden.
Das Gewächshaus erstreckt
sich über eine Fläche von
2
115'000 m .
Der Warmwasserpuffertank
(hinter dem weissen Heizungsgebäude) ermöglicht,
Wärmebedarfsspitzen abzudecken und kurzfristige
Unterbrechungen der
Wärmelieferung zu kompensieren.
Abbildung 8: Gemüsebau Steiner, Kirchweidach.
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Abbildung 9: Angebaut werden Tomaten...
Abbildung 10: ... und Paprika. Geerntet wird von Mitte März bis Mitte November.
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Abbildung 11: Das frisch geerntete und voll ausgereifte Gemüse wird direkt vor Ort für den lokalen Verkauf verpackt.
Abbildung 12: Heizgebäude des Gewächshauses,
im Vordergrund die Wärmetauscher.
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Abbildung 13: Heizgebäude des Gewächshauses,
im Vordergrund die Fernwärme-Umwälzpumpen.
Betreiberin des Geothermie-Kraftwerks Kirchweidach ist die Kirchweidacher Energie GmbH. Diese wurde
von der Gemeinde Kirchweidach gegründet mit dem Zweck, die Kirchweidacher mit günstiger und umweltfreundlicher Wärme zu versorgen. Die Gemeinde Kirchweidach verfügt zurzeit über ein Fernwärmenetz von rund 24 km Länge. Die Gemüsebau Steiner GmbH ist Hauptabnehmerin der regenerativen, CO2
freien Wärme. Der Spatenstich für die Erweiterung des Gewächshauses von 12 auf 20 ha erfolgte im Mai
2015. Insgesamt verzeichnet die Kirchweidacher Energie GmbH 345 Fernwärmeversorgungsverträge.
Gebohrt wurde vom 19. November 2010 bis am 2. Dezember 2011 in eine Tiefe von rund 3'800 Meter.
Die Wassertemperatur beträgt 125 °C und die Förderrate beläuft sich auf 105 Liter / Sekunde.
Geothermiekraftwerk Kirchweidach. Zahlen und Fakten
Art der Anlage
Bohrtiefe
Temperatur Thermalwasser
Schüttung
Hauptabnehmer Wärme
Wärmequelle 2
Länge Fernwärmenetz
Redundanzheizwerk
thermische Leistung
10
Hydrothermale Dublette (Fernwärmenetz)
3'800 Meter
125 °C
105 Liter / Sekunde
Gemüsebau Steiner GmbH
Abwärme aus Biogasanlage (400 KW / Leistung)
24 km
Heizölkessel
40 MW
Traunreut – Wärme und Strom aus der Erde
Die Bohrarbeiten für das Geothermiekraftwerk in Traunreut begannen im Juli 2011. Die erste Bohrung
konnte ein Jahr später, im Juli 2012, die zweite Bohrung Anfang März 2013 in einer Tiefe von über 5'000
Metern in den Zielhorizont des Malms abgeteuft werden. Die Bohrungen wurden jeweils abgelenkt in
Störungszonen niedergebracht und weisen eine hohe Fündigkeit von über 150 Litern pro Sekunde aus.
Die Temperatur des Tiefengrundwassers ist hingegen unterdurchschnittlich: Es lag bei beiden Bohrungen
unter 120°C, was einem geothermischen Gradienten unter 30°C pro Kilometer entspricht.
Nach intensiven Tests wurde im Juni 2013 mit dem Bau des Fernwärmegebäudes begonnen. Die Fernwärmezentrale und der Thermalwasserkreislauf wurden im Januar 2014 fertiggestellt. Seit Februar 2014
wird Fernwärme in das Fernwärmenetz der Stadtwerke Traunreut eingespeist. Die thermische Leistung
der Anlage beträgt 12 MW. Mit der Fernwärme aus dem Geothermiekraftwerk Traunreut können rund
1'500 Haushalte, öffentliche Einrichtungen und Unternehmen in Traunreut mit regenerativer Wärme
versorgt werden.
Dem ca. 118 °C heissen Wasser wird im Fernwärmegebäude mit Hilfe von Wärmetauschern Energie entzogen und an den Fernwärmekreislauf abgegeben. Das auf rund 55 °C abgekühlte Thermalwasser fliesst
– in einem geschlossenen Kreislauf – über die zweite Bohrung (Injektionsbohrung) wieder in die Kalksteinschicht zurück.
In der letzten Projektphase wurde zusätzlich zum Heizwerk auch ein ORC-Kraftwerk zur Stromerzeugung
mit einer Leistung von bis zu 5 MW errichtet. Die Stromproduktion wurde im Januar 2016 aufgenommen. Zur Stromerzeugung wird das Thermalwasser dem Wärmetauscher zugeleitet und die darin vorhandene Wärme an das Arbeitsmittel des binären Kreislaufs im Kraftwerk übertragen. Dabei wird das
Arbeitsmittel verdampft und der Dampf anschliessend in einer Turbine entspannt. Diese wiederum treibt
einen Generator an und erzeugt somit elektrische Energie. Die Verflüssigung des nach der Turbinierung
immer noch dampfförmigen Arbeitsmittels erfolgt in luftgekühlten Kondensatoren, welches danach erneut den Verdampfern zugeleitet wird. Der Prozess beginnt von neuem.
Die im Generator erzeugte Spannung wird mittels eines Transformators auf die erforderliche Netzspannung von 20 kV transformiert und in das Schalthaus West der E.ON Bayern AG eingespeist.
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Im Jahr 2014 wurde die
Fernwärmeanlage in Traunreut fertiggestellt.
Abbildung 14: Fernwärmeanlage Geothermiekraftwerk Traunreut.
Mit Wärmetauschern wird
im Fernwärmegebäude dem
Thermalwasser Energie entzogen. Das heisse Wasser,
das in das Fernwärmenetz
der Stadt Traunreut eingespeist wird, ist rund 100 °C
warm.
Abbildung 15: Wärmetauscher in der Wärmezentrale.
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Die Fernwärmeverteiler sind
die Schnittstelle zwischen
dem Fernwärmenetz der
Stadt Traunreut und der
Geothermie-Anlage Traunreut.
Wasserdruck und Durchflussmenge werden in der
Traunreuter-GeothermieAnlage rund um die Uhr
überwacht.
Abbildung 16: Wärmezentrale mit Fernwärmeverteilern.
Links im Bild befindet sich
der Tank für das Arbeitsmittel des ORC-Kreislaufs.
Am rechten Bildrand ist (angeschnitten) das Gebäude
mit der Turbine sichtbar.
Zentral sieht man die Wärmetauscher mit den Röhrenverdampfern.
Durch die roten Röhren zirkuliert das Arbeitsmittel des
ORC-Kreislaufs.
Abbildung 17: ORC-Anlage zur Stromerzeugung.
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Mit der Wärmeenergie des
Thermalwassers wird das
Arbeitsmittel des ORCKreislaufs verdampft.
Mit einer Dampfturbine, die
einen Generator antreibt,
wird so Strom produziert.
Das gasförmige Arbeitsmittel
wird anschliessend in den
Luftkondensatoren abgekühlt und so wieder verflüssigt.
Abbildung 18: Luftkondensatoren (im Bau) der Geothermie-Anlage Traunreut.
Geothermiekraftwerk Traunreut. Zahlen und Fakten:
Art der Anlage
Bohrtiefe
Temperatur Thermalwasser
Schüttung
Installierte thermische Leistung
Installierte elektrische Leistung
Erzeugte Wärmemenge (2015)
Erzeugte Strommenge (2016 / erwartet)
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Hydrothermale Dublette (Fernwärmenetz)
4'100 Meter (Produktionsbohrung)
4'050 Meter (Reinjektionsbohrung)
118 Grad Celsius
165 Liter/Sekunde
12 MW
5 MW
20’349 MWh
34'000 MWh