Ein Arbeitsmittel ist eine Substanz, oft ein Flüssigkeit, die meist in einem Kreislauf geführt due Erledigung einer Aufgabe unterstützt oder ermöglicht. Arbeistmittel werden beispielsweise in Kraftwerken oder in in Wärmepumpen in vrschiedenen Kreisläufen verwendet, um aus den relativ niederen Wassertemperaturen Wärme oder Strom gewinnen zu können. Im unterirdischen Teil von Anlage der Oberflächennahen oder Tiefen Geothermie kommen unterschiedliche Arbeitsmittel zu Einsatz insbesonders wenn geschlossene Systeme verwendet werden. Der richtigen Auswahl des Arbeitsmittels kommt immer eine große Bedeutung zu.
Das Kältemittel ist das Arbeitsmittel einer Wärmepumpe. An Kältemittel werden mehrere Anforderungen gestellt. Sie sollten:
Kein Kältemittel kann alle diese Anforderungen zu 100 Prozent erfüllen, sodass immer ein Kompromiss gemacht werden muss.
Aus ökologischen Gründen ist die Menge an Kältemitteln möglichst gering zu halten. Außerdem sollten Kältemittel mit geringem Treibhauspotenzial (GWP) verwendet werden.
Es gibt vier Kältemittelgruppen:
In der jüngeren Wärmepumpengeneration werden überwiegend synthetische Kältemittel bzw. aus Kostengründen auch Mischungen verwendet.
In Niedertemperatur-Regionen wie Deutschland liegen die zur Stromerzeugung geeigneten Reservoirtemperaturen meistens zwischen 100 °C bis 200 °C. Ein Direktantrieb von Turbinen durch das geförderte Thermalwasser mittels Flash-Verdampfung ist bei diesen niedrigen Temperaturen nicht möglich / wirkungsgradtechnisch uninteressant. Die Stromerzeugung findet stattdessen über Binärkreisläufe statt, in denen die Wärmeenergie des geförderten Thermalwassers in einem Wärmetauscher auf ein sekundäres Arbeitsmittel übertragen wird. Durch den niedrigen Siedepunkt des Arbeitsmittels entsteht die Dampfphase für den Turbinenantrieb bei Temperaturen, die deutlich unter denen des geothermischen Fluids liegen. Der Wirkungsgrad solcher ORC-Anlagen liegt in der Regel je nach Thermalwassertemperatur zwischen 8-14 %.
Der Wahl des geeigneten Arbeitsmittels für binäre Kreislaufsysteme kommt eine besondere Bedeutung zu, denn das Arbeitsmittel muss den hohen Anforderungen an optimale Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit bei gegebenen Temperaturbedingungen mit maximalem Wirkungsgrad Stand halten. Gleichzeitig muss eine möglichst große Umweltverträglichkeit des Arbeitsmittels gegeben sein und dessen Einsatz allen rechtlichen Rahmenbedingungen entsprechen.
Als Arbeitsmittel für Niederenthalpie-Anwendungen dienen Kältemittel in Form halogenierter Fluorkohlenwasserstoffe bzw. fluorierter Kohlenwasserstoffe (HFKW/ FKW) oder brennbarer Kohlenwasserstoffe.
Da fluorierte Treibhausgase (F-Gase) wesentlich den Treibhausgaseffekt beeinflussen, soll die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen. Dies führt zu erheblichen Betreiberpflichten, wie:
Die Reduzierung der klimagefährdeten Arbeitsmittel wird auch durch ORC-Hersteller und Betreiber nachvollzogen, jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung, da für jedes neue Arbeitsmittel eine neue ORC-Anlage konzipiert werden muss.
Die derzeit in den deutschen Projekten eingesetzten Arbeitsmittel in ORC Anlagen sind folgende:
Alle bis jetzt in Deutschland installierten Anlagen arbeiten mit unterkritischen Prozessparametern, d. h., dass es zwischen den Aggregatzuständen flüssig und dampfförmig noch eine klare Unterscheidung / einen Dichte-Unterschied gibt. Im überkritischen Bereich eines Stoffes ist die Dampf- von der Flüssigphase nicht mehr zu unterscheiden. ORC-Anlagen mit überkritischen Arbeitsmitteln werden derzeit erforscht. Für den Betrieb eines überkritischen ORCs sind in jedem Fall höhere Drücke und je nach Arbeitsmittel hohe Temperaturen notwendig. Die überkritische Fahrweise ergibt zwar hohe Bruttoleistungen, der Eigenstrombedarf ist aber nicht zu vernachlässigen.
Aktuell laufen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Einsatz der neuen Arbeitsmittel der Klassen R1233 und R1234 mit einem GWP um ca. 1 für ORC-Kraftwerke. Erste Arbeitsergebnisse zeigen, dass diese neuen Arbeitsmittel auch eine höhere Stromproduktion ermöglichen im Vergleich zu den bisher verwendeten.
Bei geschlossenen Systemen hat das in dem Rohrsystem fließende Arbeitsmittel, das für den Energietransport in dem geschlossenen System zuständig ist eine besondere Bedeutung. In den meisten Fällen ist es Wasser, möglicherweise mit Zusätzen aber auch grundsätzliche Alternativen sind denkbar.
In der Oberflächennahen Geothermie wird fast immer Wasser mit Zusätzen verwendet. Der Zusatz ist meist ein Frostschutzmittel, das eine Beschädigung der Anlage beim Hineinfahren in Minustemperaturen verhindert. Alternative Arbeitsmittel, wie CO2 werden angedacht und erprobt. Hier sind dann auch Technologien wie Phasenwechselsonden (heatpipes) möglich.
Auch in der Tiefen Geothermie wird vorwiegend Wasser als Arbeitsmittel verwendet. Zusätze können hier zugegeben werden um z.B. Korrosion oder scaling zu vermeiden oder zu mindern. Eine grundsätzliche Alternative ist, neben anderem, CO2 oder überkritisches CO2. Diese Arbeitsmittel haben verglichen mit Wasser andere physikalische Eigenschaften. Beispielsweise ist bei CO2 die Anhängigkeit der Dichte von der Temperatur größer als bei Wasser, was den Thermosyphon-Effekt begünstigt.
Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018
Drescher U., Optimierungspotentiale des Organic Rankine Cycle für biomassebefeuerte und geothermische Wärmequellen, 2008
Weitere Literatur siehe:
zuletzt bearbeitet Oktober 2024, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
