Geothermie

Geothermische Energie zur Stromerzeugung

Geothermische Energie zur Stromerzeugung

Eine der Anwendungen der Geothermie ist die Stromerzeugung. Ein Geothermiekraftwerk ist wie jedes andere Kraftwerk, mit der Ausnahme, dass Dampf nicht durch Verbrennen von fossilen Brennstoffen oder anderen Brennstoffen erzeugt wird, sondern aus dem Boden gepumpt wird. Die zusätzliche Dampfbehandlung entspricht der eines konventionellen Kraftwerks: Der Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt, die den Rotor eines elektrischen Generators antreibt. Nachdem die Dampfturbine in den Kondensator eingetreten ist, kondensiert sie, um das so gewonnene Wasser zur Erdwärmequelle zurückzuführen. Der Begriff Geothermie bezeichnet die Energie, die aus dem Erdinneren gewonnen und für Energie oder andere Zwecke genutzt werden kann.

Geothermie wird ebenso wie Sonnen- oder Windenergie als erneuerbare und nachhaltige Energiequelle angesehen, da die Wärmeentnahme im Vergleich zum Wärmegehalt der Erde gering ist. Die Treibhausgasemissionen von Geothermiekraftwerken betragen durchschnittlich 45 Gramm Kohlendioxid pro Kilowattstunde Strom oder weniger als 5% der Menge herkömmlicher Kohlekraftwerke.

Umwandlung von Geothermie in Strom

Eine der am häufigsten genutzten Anwendungen der Geothermie ist die Stromerzeugung. Die Wahl der Technologie zur Stromerzeugung hängt von der Art der geothermischen Lagerstätte ab.

Geothermie treibt die Dampfturbine mit Dampf an. Dampf (nass oder trocken) kann direkt aus dem Reservoir gewonnen werden und er kann auch künstlich in heißen und trockenen Gesteinen erzeugt werden, den sogenannten fortschrittlichen geothermischen Systemen.

In Betten mit niedrigeren Fluidtemperaturen wird Dampf zum Antreiben der Turbinen indirekt durch Erhitzen des Arbeitsfluids mit einem Siedepunkt erhalten, der unter dem Siedepunkt von Wasser liegt. Rankins organischer Kreislauf ist anders und wird als Kalina-Prozess bezeichnet. Der Unterschied liegt in der Zusammensetzung des Arbeitsmediums. Im organischen Kreislauf von Rankin werden organische Inhaltsstoffe wie Toluol, Pentan, Propan und andere Kohlenwasserstoffe verwendet, während im Kalina-Kreislauf eine Mischung aus Ammoniak und Wasser verwendet wird. Der Kalina-Zyklus ist gerade für die Verwendung von Ammoniak kein bevorzugter Ansatz.

In jedem Fall können Geothermiekraftwerke in drei Grundtypen unterteilt werden: Trockendampfkraftwerke, Verdampfungsanlagen (Einzel- und Doppelanlagen) und binäre Anlagen.

Trockendampf-Geothermiekraftwerke

Trockendampfkraftwerke sind die ersten Arten von Geothermiekraftwerken, die den kommerziellen Status erreichen.

Dampf kann direkt aus der Produktionsbohrung der Turbine zugeführt und nach Expansion in die Atmosphäre abgegeben werden. In der Regel wird wiedererhitzter Dampf erzeugt, der nur geringe Mengen anderer Gase enthält. Ein solcher direkter Kondensationskreislauf ist die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit, aus dieser erneuerbaren Energiequelle Strom zu erzeugen. Sie werden dort eingesetzt, wo Dampf einen hohen Anteil nicht kondensierender Gase enthält.

In Kondensationsanlagen kondensiert der Dampf am Turbinenaustritt und kühlt in herkömmlichen Kühltürmen. Das anfallende Kondensat kann in das Kraftwerkskühlsystem eingespeist und in die Wanne zurückgepresst werden. Auf diese Weise wird das Lager wiederhergestellt und der erforderliche Druck aufrechterhalten.

Geothermische Verdunstungskraftwerke

In wasserdominanten Schichten wird die Technologie der Verdunstungs-Geothermie-Kraftwerke angewendet. Die Energie ist in diesem Fall Druckwasser. Da der Druck in der Quelle im Allgemeinen niedriger ist als der Druck in der Quelle, fließt Wasser unter Druck in der Quelle an die Oberfläche. Infolge des Druckabfalls verdampft ein bestimmter Teil der Flüssigkeit und der Brunnen erzeugt gleichzeitig heißes Wasser und Dampf, wobei Wasser die dominierende Phase ist.

Die Doppelverdampfungsanlage ist eine Verbesserung gegenüber der Einzelverdampfungsanlage, da sie bei gleichen geothermischen Flüssigkeitsbedingungen 15-25% mehr Produktion liefert. Die Anlage ist komplexer, teurer und wartungsintensiver, aber die höhere Ausgangsleistung rechtfertigt in der Regel die Installation solcher Anlagen.

Erdwärmestationen mit Binärzyklus

Die Erdwärmekraftwerke mit binärem Kreislauf sind aus thermodynamischer Sicht diejenigen, die den Wärmekraftwerken mit fossilen Brennstoffen oder Kernkraftwerken am nächsten kommen, in denen das Arbeitsmedium einen echten geschlossenen Kreislauf durchläuft. Das aufgrund seiner günstigen thermodynamischen Eigenschaften ausgewählte Arbeitsfluid erhält Wärme aus dem Erdwärmefluid. Dank der Gesetze der Thermodynamik verdampft dieses Fluid, dehnt sich in der Turbine aus, kondensiert und gelangt über eine Förderpumpe zum Verdampfer zurück.

Binäre Anlagen ermöglichen die Umwandlung von Erdwärme in Elektrizität aus Warmwasserspeichern bei niedrigen Temperaturen (den sogenannten Dominant Water Tanks) mit Temperaturen über 85 ° C. Darüber hinaus eignet sich diese Technologie zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen von Mittlere Temperatur mit feuchtem Dampf mit hohem Wasser / Dampf-Verhältnis bei Temperaturen, die für die praktische Anwendung des Verdampfungssystems zu niedrig sind. Binäre Anlagen wandeln Wärme aus Quellen mittlerer Temperatur effizienter in Strom um als andere Technologien.

Die Verwendung von binären Pflanzen wurde durch die Einführung der Kalina-Technologie verbessert. Ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak verdampft in einem begrenzten Temperaturbereich und erzeugt im Gegensatz zum Rankin-Kreislauf, der auf reinen Flüssigkeiten basiert, die verdampfen, Zweikomponentendampf (z. B. 70% Ammoniak und 30% Wasser) bei einer gegebenen Verdampfungstemperatur.

Vergleich von Geothermiekraftwerken mit konventionellen Kraftwerken

Ob Erdwärme zur Stromerzeugung oder direkt genutzt wird, die Eigenschaften von Erdwärmelagerstätten bestimmen die zu nutzende Technologie. Die Erdwärmeflüssigkeit enthält häufig große Mengen an Gasen wie Schwefelwasserstoff und verschiedene chemische Lösungen, die sehr giftig sein können. Daher können Korrosions-, Erosions- und Ablagerungsprobleme chemischer Verbindungen auftreten, die zum Ausfall von Rohren und Turbinen und sogar zu einer Abnahme der Anlageneffizienz führen. Diese Probleme werden durch eine Kombination aus der Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien, der Steuerung der Flüssigkeitstemperatur, der Dampfreinigung und der Verwendung von Korrosionsschutzmitteln vermieden.

Spezifität geothermischer Anlagen:

  • In geothermischen Anlagen werden keine fossilen Brennstoffe verbrannt, was die Kosten senkt, aber auch die Umweltverschmutzung minimiert.
  • Die niedrige Temperatur und der niedrige Dampfdruck führen zu einem niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad der Anlage (typischerweise ~ 15%) im Vergleich zu Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen (35-38%).
  • Ein langer und komplexer Inbetriebnahmevorgang macht Geothermiekraftwerke eher zur Deckung der Grundlast als zur Deckung der Maximallast geeignet;
  • Geothermische Kraftwerke sollten so nah wie möglich an der Produktion liegen, um Transportverluste zu vermeiden.
  • Ein 100-MW-Geothermiekraftwerk verbraucht rund 80 Tonnen Dampf pro Stunde. Dieser Fluss wird im Allgemeinen durch mehrere Produktionsbohrungen erreicht, die dasselbe Lager pumpen.
  • Der Dampf enthält eine gute Menge an Mineralien, die zu Erosion und Korrosion der Turbinenelemente führen. Dies erfordert eine kontinuierliche und sinnvolle Wartung.
  • Die Anschaffungskosten eines Geothermiekraftwerks sind höher, da zusätzlich zum Kraftwerk ein Brunnen gebaut werden muss, was eigentlich die höchsten Kosten darstellt. Mit der Zeit sinken jedoch die Kosten, da die Verfügbarkeit von Ressourcen stabil und vorhersehbar ist. Darüber hinaus ist ein Geothermiekraftwerk nicht von Marktbewegungen der Energiepreise abhängig.
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Geändert am: 26. August 2019