Geothermie: Wie die Wärme der Erde in eine effiziente Energiequelle umgewandelt wurde

Gegeben: Es gibt einen heißen Kern in der Erde, mit dem Sie Strom erzeugen müssen.
Frage: Wie geht das?
Antwort: Bau eines Geothermiekraftwerks.
Wir finden genau heraus, wie, woher der Dampf im Untergrund kommt und welchen Nutzen ein solches Kraftwerk hat.

Die älteste und beliebteste Methode zur Stromerzeugung im industriellen Maßstab ist heute die Rotation der Generatorturbine mit einem starken Strom von heißem Dampf aus kochendem Wasser aufgrund von Zwangserwärmung. Wenn Sie darüber nachdenken, ist das Wesentliche der Arbeit in einem Kohlekraftwerk und in einem modernen Kernkraftwerk das Kochen von Wasser, mit dem einzigen Unterschied, dass Kohle zu diesem Zweck verbrannt wird und im Reaktor des Kernkraftwerks durch Heizelemente gekocht wird, die infolge einer kontrollierten Kettenreaktion erhitzt werden.

Aber warum Wasser erhitzen, wenn es an einigen Stellen schon heiß aus dem Boden kommt? Ist es möglich, es direkt zu verwenden? Sie können: 1904 brachte der Italiener Pierrot Ginori Conti den ersten Generator auf den Markt, der von zwei natürlichen geothermischen Quellen angetrieben wird und in Italien reichlich vorhanden ist. So entstand das erste Geothermiekraftwerk der Welt, das noch funktioniert.

Um das Geothermiekraftwerk jedoch mit akzeptablem Wirkungsgrad und akzeptablen Kosten zu versorgen, benötigen Sie Wasser mit einer bestimmten Temperatur, die nicht tiefer als ein bestimmtes Niveau ist. Wenn Sie ein Geothermiekraftwerk bauen möchten (z. B. in Ihrem Sommerhaus), müssen Sie zuerst Brunnen zu Grundwasserleitern bohren, wo sich Wasser unter hohem Druck auf 150-200 ° C erwärmt und bereit ist, in Form von überhitztem kochendem Wasser oder Dampf an die Oberfläche zu gelangen. Nun, wie bei Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen dreht der einströmende Dampf eine Turbine, die einen Generator antreibt, der Strom erzeugt. Nutzen Sie die natürliche Wärme des Planeten, um Dampf zu erzeugen - das ist Geothermie. Und jetzt zu den Details.

Ein bisschen über die Wärme der Erde

Die Oberflächentemperatur des festen Erdkerns in einer Tiefe von ca. 5100 km beträgt ca. 6000 ° C. Bei Annäherung an die Erdkruste sinkt die Temperatur allmählich.


Ein klares Diagramm der Gesteinstemperatur ändert sich, wenn Sie sich zum Erdmittelpunkt bewegen. Quelle: Wikimedia / Bkilli1

Der sogenannte geothermische Gradient - eine Temperaturänderung in einem bestimmten Bereich der Erddicke - beträgt durchschnittlich 3 ° C pro 100 Meter. Das heißt, in einer Mine in einer Tiefe von 1 km herrscht eine Hitze von 30 Grad - jeder, der eine solche Mine besucht hat, wird dies bestätigen. Aber je nach Region ändert sich der Temperaturgradient - zum Beispiel wurde im Kola-Superdeep-Bohrloch an einem Horizont von 12 km eine Temperatur von 220 ° C aufgezeichnet, und an einigen Orten des Planeten, in der Nähe von tektonischen Verwerfungen und Zonen vulkanischer Aktivität, reicht es aus, aus einigen hundert Metern zu bohren, um ähnliche Temperaturen zu erreichen bis zu mehreren Kilometern, normalerweise von 0,5 bis 3 km. Im US-Bundesstaat Oregon beträgt der geothermische Gradient 150 ° C pro 1 km und in Südafrika nur 6 ° C pro 1 km. Daher die Schlussfolgerung: Sie können nirgendwo eine gute Geothermiestation bauen (stellen Sie vor Arbeitsbeginn sicher, dass sich Ihr Sommerhaus an einem geeigneten Ort befindet). Geeignete Orte sind in der Regel Orte mit starker geologischer Aktivität - Erdbeben treten häufig auf und es gibt aktive Vulkane.

Arten von Geothermiekraftwerken

Abhängig davon, welche Geothermiequelle verfügbar ist (z. B. in Ihrem DSC), wählen Sie den Kraftwerkstyp. Wir werden verstehen, was sie sind.

Hydrothermale Station

Ein vereinfachtes Diagramm eines Hydrothermalkraftwerks mit direktem Kreislauf ist selbst für ein Kind klar: Heißer Dampf steigt aus dem Boden durch ein Rohr auf, das die Turbine des Generators dreht, und strömt dann in die Atmosphäre. Es ist wirklich so einfach, wenn wir das Glück haben, eine geeignete Dampfquelle zu finden.


GeoTES-Direktzyklus. Quelle: Energie sparen

Wenn der verfügbare Dampf nicht Dampf schlägt, sondern Dampf-Wasser-Gemische mit Temperaturen über 150 ° C, ist eine kombinierte Fahrradstation erforderlich. Vor der Turbine trennt der Abscheider den Dampf vom Wasser - der Dampf gelangt zur Turbine und das heiße Wasser wird entweder in den Brunnen abgelassen oder zum Expander geleitet, wo es unter Niederdruckbedingungen zusätzlichen Dampf für die Turbine abgibt.

Wenn Ihr Feriendorf kein Glück mit heißen Quellen hat - zum Beispiel wenn die Temperatur des Grundwassers in einer wirtschaftlich akzeptablen Tiefe weniger als 100 ° C beträgt - und Sie wirklich ein GeoTES haben möchten, müssen Sie eine komplexe binäre Geothermiestation bauen , deren Zyklus in der UdSSR erfunden wurde . Darin wird die Flüssigkeit aus dem Bohrloch in keiner Form der Turbine zugeführt. Stattdessen erwärmt es in einem Wärmetauscher ein anderes Arbeitsmedium mit einem niedrigeren Siedepunkt, das sich in Dampf verwandelt, die Turbine dreht, kondensiert und in die Wärmeaustauschkammer zurückkehrt. Solche Arbeitsflüssigkeiten können beispielsweise Freon sein, von denen eine Spezies (Fluordichlormromethan) sogar bei 51,9 ° C siedet. Der binäre Zyklus kann mit dem kombinierten kombiniert werden, wenn einer Turbine Dampf zugeführt wird und das abgetrennte Wasser einem anderen Kreislauf zugeführt wird, um das Kühlmittel mit einem niedrigen Siedepunkt zu erwärmen.


GeoTES-Binärzyklus. Quelle: Energie sparen

Petrothermische Station

Wie Sie wahrscheinlich feststellen können, sind beheizte unterirdische Quellen auf planetarischer Ebene ein sehr seltenes Phänomen, das den potenziellen Bereich für die Einführung von Geothermie stark einschränkt. Daher wurde ein alternativer Ansatz entwickelt: Wenn sich in den heißen Tiefen der Erdkruste kein Wasser befindet, muss es dort gepumpt werden. Das petrothermische Prinzip beinhaltet die Injektion von Wasser in einen tiefen Brunnen mit erhitztem Gestein, wo die Flüssigkeit in Dampf umgewandelt wird und zur Turbine des Kraftwerks zurückkehrt.


Vereinfachtes Diagramm eines petrothermischen Kraftwerks

Es ist notwendig, mindestens zwei Brunnen zu bohren: Einer wird von der Oberfläche mit Wasser versorgt, damit aus der Hitze der Felsen Dampf wird und durch einen anderen Brunnen austritt. Und dann wird der Prozess der Stromerzeugung dem hydrothermalen Kraftwerk völlig ähnlich sein.

Natürlich ist es unrealistisch, zwei unterirdische Brunnen in einer Tiefe von mehreren Kilometern miteinander zu verbinden - das Wasser zwischen ihnen kommuniziert aufgrund von Brüchen, die durch das Pumpen von Flüssigkeit unter enormem Druck entstehen (hydraulisches Brechen). Um zu verhindern, dass sich Spalten und Hohlräume im Laufe der Zeit schließen, werden dem Wasser Granulate, beispielsweise Sand, zugesetzt.

Im Durchschnitt erzeugt eine Bohrung für einen petrothermischen Prozess einen Dampf-Wasser-Gemischfluss, der ausreicht, um 3 bis 5 MW Energie zu erzeugen. Bisher wurden solche Systeme auf industrieller Ebene nirgendwo implementiert, aber insbesondere in Japan und Australien wird derzeit daran gearbeitet.

Die Vorteile der Geothermie

Aus dem Vorstehenden folgt, dass die Nutzung der Erdwärme zur Stromerzeugung im industriellen Maßstab das Unternehmen nicht billig ist. Aber aus mehreren Gründen sehr vorteilhaft.

Unerschöpflichkeit. Kraftwerke, die fossile Brennstoffe verwenden - Erdgas, Kohle, Heizöl - sind in hohem Maße von der Versorgung mit demselben Brennstoff abhängig. Darüber hinaus besteht die Gefahr nicht nur in der Einstellung der Versorgung aufgrund von Katastrophen oder Veränderungen in der politischen Situation, sondern auch in einem ungeplanten krampfhaften Anstieg der Rohstoffpreise. In den frühen 1970er Jahren brach aufgrund der politischen Turbulenzen im Nahen Osten eine Kraftstoffkrise aus, die zu einem vierfachen Anstieg der Ölpreise führte. Die Krise gab der Entwicklung des elektrischen Verkehrs und alternativer Energiearten neue Impulse. Einer der Vorteile der Nutzung irdischer Wärme ist ihre praktische Unerschöpflichkeit (zumindest aufgrund menschlicher Handlungen). Der jährliche Wärmefluss der Erde zur Oberfläche beträgt etwa 400.000 TW · h pro Jahr, 17-mal mehr als im gleichen Zeitraum, den alle Kraftwerke der Welt produzieren. Die Temperatur des Erdkerns beträgt 6000 ° C und die Abkühlrate wird für 1 Milliarde Jahre auf 300-500 ° C geschätzt. Machen Sie sich keine Sorgen, dass die Menschheit diesen Prozess beschleunigen kann, indem sie Brunnen bohrt und dort Wasser pumpt - ein Abfall der Kerntemperatur um 1 Grad setzt 2 · 1020 kWh Energie frei, was millionenfach mehr ist als der jährliche Stromverbrauch der gesamten Menschheit.

Stabilität Wind- und Sonnenenergie reagieren extrem empfindlich auf Wetter und Tageszeit. Es gibt kein Sonnenlicht - es gibt keine Generation, die Station gibt eine Reserve an Batterien auf. Der Wind hat nachgelassen - wieder gibt es keine Erzeugung, wieder kommen Batterien mit keineswegs unendlicher Kapazität ins Spiel. Vorbehaltlich der technischen Verfahren für die Rückführung von Wasser in den Brunnen wird das Wasserkraftwerk rund um die Uhr kontinuierlich betrieben.

Kompaktheit und Komfort für schwierige Bereiche. Die Versorgung abgelegener Gebiete mit isolierter Infrastruktur ist keine leichte Aufgabe. Noch komplizierter wird es, wenn das Gebiet über eine schlechte Verkehrsanbindung verfügt und das Gelände nicht für den Bau traditioneller Kraftwerke geeignet ist. Einer der wichtigen Vorteile von Geothermiekraftwerken ist ihre Kompaktheit: Da das Kühlmittel buchstäblich aus dem Boden entnommen wird, werden auf der Oberfläche eine Turbinenhalle und ein Generator sowie ein Kühlturm gebaut, die zusammen sehr wenig Platz beanspruchen.

Ein Geothermiekraftwerk mit einer Erzeugung von 1 GW · h / Jahr wird eine Fläche von 400 m2 einnehmen - selbst im Hochland eines Geothermiekraftwerks werden eine sehr kleine Fläche und eine Autobahn benötigt. Für eine Solarstation mit der gleichen Leistung werden 3240 m2 benötigt, für eine Windstation 1340 m2.

Umweltfreundlichkeit. Die Funktion der Geothermie-Station selbst ist praktisch harmlos: Ihre Kohlendioxidemission in die Atmosphäre wird auf 45 kg CO2 pro 1 kWh erzeugter Energie geschätzt. Zum Vergleich: An Kohlestationen entfallen auf dieselbe Kilowattstunde 1000 kg CO2, an Ölstationen 840 kg, auf Gas 469 kg. Kernkraftwerke machen jedoch nur 16 kg aus - etwas, und sie produzieren ein Minimum an Kohlendioxid.

Die Möglichkeit des Parallelabbaus. Überraschenderweise ist es eine Tatsache: Bei einigen GeoTES-Kraftwerken produzieren sie neben Elektrizität auch Gase und Metalle, die in einem Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Untergrund gelöst sind. Sie könnten einfach zusammen mit dem verbrauchten kondensierten Dampf in den Brunnen zurückgeführt werden, aber angesichts der Menge nützlicher Elemente, die das Geothermiekraftwerk passieren, wäre es sinnvoller, ihre Produktion einzurichten. In einigen Gebieten Italiens enthält Dampf aus Brunnen 150-700 mg Borsäure pro Kilogramm Dampf. Eines der lokalen 4-MW-Wasserkraftwerke verbraucht 20 kg Dampf pro Sekunde, sodass die Borsäureproduktion dort auf industrieller Basis erfolgt.

Nachteile der Geothermie

Das Arbeitsmedium ist gefährlich. Wie oben erwähnt, erzeugen Geo-TPPs keine zusätzlichen toxischen Emissionen, sondern nur eine geringe Menge Kohlendioxid, eine Größenordnung kleiner als die von gasbefeuerten TPPs. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Grundwasser und Dampf immer reine Substanzen sind, ähnlich wie mineralisches Trinkwasser. Ein Dampf-Wasser-Gemisch aus den Tiefen der Erde ist mit Gasen und Schwermetallen gesättigt, die für einen bestimmten Teil der Erdkruste charakteristisch sind: Blei, Cadmium, Arsen, Zink, Schwefel, Bor, Ammoniak, Phenol usw. In einigen Fällen fließt ein so beeindruckender Cocktail durch die Rohre zum GeoTES, dass seine Abgabe in die Atmosphäre oder in Gewässer sofort zu einer lokalen Umweltkatastrophe führt.


Das Ergebnis der Einwirkung von geothermischem Wasser auf Metalle.

Vorbehaltlich aller Sicherheitsanforderungen wird der in die Atmosphäre gesendete Dampf sorgfältig aus Metallen und Gasen gefiltert und das Kondensat in den Brunnen zurückgepumpt. Im Notfall oder bei vorsätzlichen Verstößen gegen technische Vorschriften kann die Geothermiestation jedoch Umweltschäden verursachen.

Hohe Kosten pro Kilowatt. Trotz der relativ einfachen Gestaltung des GeoTES sind die anfänglichen Investitionen in deren Bau beträchtlich. Für Exploration und Analyse wird viel Geld ausgegeben, wodurch die Kosten für Geothermiestationen in Höhe von 2800 USD / kW installierter Leistung schwanken. Zum Vergleich: TPP - 1000 USD / kW, Windkraftanlagen - 1600 USD / kW, Solarkraftwerk - 1800-2000 USD / kW, Kernkraftwerk - ca. 6000 USD / kW. Darüber hinaus werden die durchschnittlichen Kosten für das Geothermiekraftwerk angegeben, die je nach Land, Topographie, chemischer Zusammensetzung des Dampfes und Bohrtiefe stark variieren können.

Relativ geringe Leistung. Geo-TPPs können im Hinblick auf die Stromerzeugung grundsätzlich noch nicht mit Wasserkraftwerken, Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken verglichen werden. Selbst wenn eine große Anzahl von Brunnen gebohrt wird, bleibt der Dampfstrom gering, und der erzeugte Strom reicht nur für Kleinstädte aus.

Der leistungsstärkste Geothermiekomplex The Geysers für 2019 erstreckt sich über eine Fläche von 78 km2 in Kalifornien, USA. Es besteht aus 22 hydrothermalen Stationen und 350 Brunnen mit einer installierten Gesamtleistung von 1.517 MW (tatsächliche Produktion von 955 MW), die bis zu 60% des Energiebedarfs der Nordküste des Bundesstaates decken. Die Gesamtkapazität der Geysire ist vergleichbar mit dem sowjetischen Reaktor RBMK-1500, der einst im KKW Ignalina arbeitete, wo es zwei gab, und das KKW selbst befand sich auf einer Fläche von 0,75 km2. Geo-TPPs mit einer Leistung von 200 bis 300 MW gelten als sehr leistungsfähig, während die meisten Stationen auf der ganzen Welt mit zweistelligen Zahlen arbeiten.


Die hydrothermale kombinierte Station des Geysir-Komplexes in Kalifornien. Und es gibt 22. Quelle: Wikimedia / Stepheng3

Wo funktioniert das alles und wie vielversprechend ist es?

Ab 2018 erzeugen Geothermiekraftwerke weltweit mehr als 14,3 GW Energie, während sie 2007 nur 9,7 GW produzierten. Ja, keine geothermische Revolution, aber Wachstum ist offensichtlich.

Führend in der geothermischen Produktion sind die USA mit 3.591 MW. Beeindruckender Wert, der jedoch nur 0,3% der Gesamtproduktion des Landes ausmacht. Als nächstes kommt Indonesien von 1948 MW und 3,7%. Aber an dritter Stelle beginnt der Spaß: Auf den Philippinen haben Geothermiekraftwerke eine installierte Leistung von 1868 MW, während sie 27% des Stroms des Landes ausmachen. Und in Kenia - 51%! Japan gehört auch zu den Top Ten in Bezug auf die Anzahl der von Geo-TPP erzeugten Kilowatt.

Das erste Geothermiekraftwerk, Matsukawa, wurde 1966 in Japan eröffnet. Es erzeugte 23,5 MW und Toshiba produzierte die Turbine und den Generator dafür. In den 2010er Jahren wurde Geothermie in den Ländern Afrikas am gefragtesten, in denen mit dem aktiven Vertragsabschluss und dem Bau von GeoTPS begonnen wurde. Im Jahr 2015 eröffnete Kenia die Olkaria IV-Station, eine von vier Stationen im Gebiet Olkaria, 120 km von Nairobi entfernt, mit einer Leistung von 140 MW. Mit ihrer Hilfe verringert die Regierung ihre Abhängigkeit von Wasserkraftwerken, deren Abfluss häufig zu verheerenden Überschwemmungen führt.


GeoTES Olkaria IV in Kenia. Olkaria V und Olkaria VI sollen 2021 in Betrieb genommen werden. Quelle: Toshiba

Geo-TPPs werden auch in Uganda, Tansania, Äthiopien und Dschibuti aktiv gebaut.

In Russland schreitet die Entwicklung der Geothermie sehr gemächlich voran, da kein besonderer Bedarf für den Bau zusätzlicher Kraftwerke besteht. Im Jahr 2015 machten solche Stationen nur 82 MW aus.

Die 1966 in Kamtschatka errichtete Geothermiestation Pauzhet war die erste in der UdSSR. Die ursprünglich installierte Leistung betrug nur 5 MW, jetzt wurde sie auf 12 MW erhöht. Im Anschluss daran erschien die Station Paratunskaya mit einer Leistung von nur 600 kW - das erste binäre GeoTES der Welt.

Jetzt gibt es in Russland nur vier Stationen, von denen drei Kamtschatka versorgen, eine weitere, 3,6 MW Mendeleev GeoPP, versorgt die Kunashir-Insel des Kurilenkamms.

Es gibt viele Möglichkeiten, auf unserem Planeten ohne Hilfe fossiler Brennstoffe Strom zu erzeugen. Einige von ihnen, zum Beispiel Solar- und Windenergie, werden jetzt erfolgreich genutzt. Einige, wie Wasserstoffbrennstoffzellen, befinden sich noch im Anfangsstadium der Anpassung. Geothermie ist unsere Grundlage für die Zukunft, deren volles Potenzial wir noch nicht freigesetzt haben.