Mögliche Emissionen bei der Strom- und Wärmeerzeugung aus Geothermie durch den Einsatz von F-Gasen im Energiewandlungsprozess mittels ORC

Titelangaben

Heberle, Florian ; Obermeier, Andreas ; Brüggemann, Dieter:
Mögliche Emissionen bei der Strom- und Wärmeerzeugung aus Geothermie durch den Einsatz von F-Gasen im Energiewandlungsprozess mittels ORC.
Umweltbundesamt
Dessau-Roßlau , 2012 . - 17 S. - (Climate Change ; 16 )

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Abstract

Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist neben dem Kalina Cycle einer der wenigen Kreisprozesse, der für eine Stromerzeugung auf Niedertemperaturniveau geeignet ist. Durch Optimierungsan-sätze, die auf eine gute Anpassung der Temperaturprofile von Wärmequelle bzw. -senke mit dem ORC abzielen, können Effizienzsteigerungen im Bereich von 15 % bis 25 % erreicht wer-den. Optimierungsmaßmahmen sind z.B. die Auswahl geeigneter Arbeitsmedien, die zweistufi-ge Entspannung, die überkritische Fahrweise oder der Einsatz zeotroper Gemische als Arbeits-medien. Durch den Einsatz fluorierter Kohlenwasserstoffe erhöht sich die Anzahl potentieller Arbeitsmedien und die damit verbundene Leistungssteigerung signifikant. Mit der Effizienz-steigerung sind aber auch zusätzliche Emissionen aufgrund von Leckagen im Betrieb sowie bei der Befüllung und Entsorgung verbunden. Solche Emissionen können nicht vollständig vermie-den werden und liegen nach Hersteller- und Betreiberinformationen jährlich im Bereich von 1 % bis 3 % der Füllmenge. Im Rahmen gesetzlicher Regelungen sind ORC-Anlagen durch eine Berichtspflicht gemäß UStatG und in der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 hinsichtlich der Ver-wendungsmengen und der für diese Anwendung in den Verkehr gebrachten Mengen erfasst. Eine Berichtspflicht besteht für die nationale Emissionsberichterstattung basierend auf der Kli-marahmenkonvention. Um mögliche Treibhausgasemissionen durch geothermische Kraftwerke einschätzen zu kön-nen, wurden in dieser Studie verschiedene Szenarien in Abhängigkeit der Emissionsrate und Ausbaustufe der geothermischen Stromerzeugung berechnet. Kommt es zu einem Ausbau der geothermischen Stromerzeugung im vorhergesagten Rahmen, so sind die Emissionen bis zum Jahr 2030 als gering einzustufen. Bei maximaler Ausbaustufe, entsprechend dem technisch-ökologisch nutzbarem Potential von 2120 Kraftwerken, und einer Emissionsrate von 3 % liegen die Emissionen in Abhängigkeit von den betrachteten Szenarien in einem Bereich von 0,24 Mio. t/a bis 3,02 Mio. t/a CO2-Äquivalenten. Ein Vergleich mit den 2009 freigesetzten Treibhausgasemissionen durch F-Gase von 15,6 Mio. t/a CO2-Äquivalenten zeigt, dass die Emis-sionen in dieser Ausbaustufe durchaus relevant sind. Eine Einbeziehung von ORC Anlagen, die fluorierte Kohlenwasserstoffe als Arbeitsmittel nutzen, in der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 über die Meldung der für diese Anwendung in den Verkehr gebrachten Mengen hinaus er-scheint nach den derzeitigen Diskussionen und Positionen der EU-Kommission möglich.Für einen umweltverträglichen Ausbau der geothermischen Stromerzeugung muss der durch diese Studie unterlegte Zielkonflikt zwischen Effizienzsteigerung und zusätzlichen Emissionen weiter thematisiert werden. In diesem Zusammenhang ist eine verlässliche Datenlage zu den Emissionsraten von ORC-Anlagen zu schaffen. Darüber hinaus werden die angestellten Emissi-onsberechnungen weiter vertieft. Hier wird eine systematische Wahl der eingesetzten Arbeits-medien in Abhängigkeit der Thermalwassertemperatur vorgenommen, wobei die Bewertung des Ausbaupotentials der jeweiligen Temperaturklasse gemäß Paschen et al. [27] erfolgt. Zudem müssen generelle Ansätze zur Senkung der Emissionen und zur Effizienzsteigerung intensiviert werden. Dies sind beispielsweise alternative Kreisprozesse, eine stetige Weiterentwicklung des ORC oder der Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln mit geringem GWP.

Abstract in weiterer Sprache

In case of low temperature heat sources Organic Rankine Cycle (ORC) is next to Kalina Cycle one of the few thermodynamic cycles suitable for power generation. Optimization strategies provide a better glide matching of the temperature profiles of heat source or sink to the ORCcompared to the standard cycle. This leads to an increase in efficiencies in the range of 15 % to 25 %. In this context, selection of suitable working fluids, two-stage expansion, supercritical cycles or the usage of zeotropic mixtures as working fluids has to be mentioned. Due to the use of fluorinated hydrocarbons, the number of potential fluids as well as the efficiency increase significantly. However, an increase in emissions due to leakages during operation, filling and disposal is associated with fluorinated fluids compared to natural hydrocarbons. Such emissions cannot be completely avoided and according to information of manufacturers and operators they are annually in the range of 1 % to 3 % of the capacity. Based on legal regulations record-ing of the use levels of fluorinated hydrocarbons in ORC systems according to UStatG and EU Regulation 842/2006 is obligatory. The recording obligation exists regarding the national emis-sion inventory based on the framework convention on climate change. To evaluate potential greenhouse gas emissions by geothermal power plants, in this study different scenarios de-pending on rate of emission and number of power plants are calculated. If a development in geothermal power generation as predicted takes place, the emissions until the year 2030 are to be classified as low. In case of the technical-ecological potential with 2120 power plants and a rate of emission of 3 % the emissions are between 0.24 Million t/a and 3.02 Million t/a depend-ing on the considered scenario. A comparison to the greenhouse gases by fluorinated hydro-carbons in the year 2009 with 15.6 Million t/a shows that the emissions for this number of power plants are definitely relevant. Regarding actual discussion and positions of the EU-Commission an inclusion of the ORC in the ChemKlimaSchutzV and EU Regulation 842/2006 because of the use of fluorinated hydrocarbons seems to be possible. For a sustainable expansion of geothermal power generation the conflict of objectives, hig-hlighted by this study, between efficiency increase and additional emissions has to be discussed in more detail. Therefore, reliable data for rates of emissions by ORC systems are important. Furthermore, the performed calculations will be extended by selecting working fluids accord-ing to the geothermal water temperature. In addition general approaches for the reduction of emissions and the increase in efficiency have to be intensified. In this context alternative ther-modynamic cycles, steady improvement of ORC systems or the use of refrigerants with low global warming potential are examples.