Geothermische Kraftwerke sind die Anlagen, die geothermische Energie in Strom umwandeln. Ein Geothermiekraftwerk ist eine Anlage, in der Strom aus Wärme aus der Erde erzeugt wird.
Geothermie ist die in der Erde enthaltene Wärmeenergie. Diese Anlagen führen einen thermodynamischen Austausch in einer bestimmten Tiefe der Erdschichten durch, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und Strom zu erzeugen.
Die Temperatur im Erdinneren steigt zwischen 25 und 30 Grad Celsius pro Kilometer Tiefe an. Diese Temperaturänderung wird als geothermischer Gradient bezeichnet.
Da die Wärmeenergie im Erdinneren unerschöpflich ist, kann man sagen, dass diese Form der Stromerzeugung eine erneuerbare Energiequelle ist. Darüber hinaus ist es eine saubere Energie, die die globale Erwärmung nicht begünstigt.
Wie funktioniert eine Geothermieanlage?
Geothermische Kraftwerke ähneln anderen Dampfturbinenkraftwerken.
In allen thermoelektrischen Kraftwerken wird Wärme in der einen oder anderen Form erzeugt, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Mit dem erzeugten Dampf wird eine mit einem elektrischen Generator verbundene Dampfturbine angetrieben. Auf diese Weise wird Strom erzeugt. Anschließend wird das Fluid abgekühlt und zur Wärmequelle zurückgeführt.
Der Unterschied zwischen verschiedenen thermoelektrischen Kraftwerken beruht auf der Art und Weise, wie die Anfangswärme gewonnen wird. In konventionellen Wärmekraftwerken wird Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, meist Kohle oder Erdgas, gewonnen. In Kernkraftwerken wird Wärme durch Kernspaltungsreaktionen von Atomen gewonnen.
Bei geothermischen Kraftwerken wird Wärme aus geothermischen Reservoirs in den inneren Erdschichten gewonnen.
Arten von Geothermiekraftwerken
Je nach Temperatur, Tiefe und Qualität des entnommenen Wassers und Dampfes lassen sich drei Typen von geothermischen Kraftwerken unterscheiden.
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Geothermische Kraftwerke mit binärem Zyklus
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Trockendampf-Geothermieanlagen.
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Geothermische Entspannungsdampfanlagen oder Entspannungsdampfanlagen.
Geothermische Anlagen mit binärem Zyklus
Diese Art von thermoelektrischen Kraftwerken kann mit nicht sehr hohen Temperaturen von nur 57 Grad Celsius betrieben werden.
Das Hauptmerkmal dieses Kraftwerkstyps ist, dass mäßig heißes Wasser zusammen mit einer anderen Flüssigkeit mit einem viel niedrigeren Siedepunkt als Wasser geleitet wird. Da das Sekundärfluid einen so niedrigen Siedepunkt hat, verdampft es schnell und kann zum Antrieb von Dampfturbinen verwendet werden.
Geothermische Kraftwerke mit binärem Zyklus sind die jüngsten Entwicklungen.
Dies ist die häufigste Art von Geothermiekraftwerken in derzeit im Bau befindlichen Projekten. Sowohl der Rankine-Zyklus als auch der Kalina-Zyklus werden verwendet.
Der thermische Wirkungsgrad von geothermischen Anlagen mit binärem Kreislauf beträgt etwa 10-13%.
Trockendampf-Geothermiekraftwerke
Trockendampf-Geothermiekraftwerke sind die einfachsten und ältesten geothermischen Anlagen. Sie nutzen geothermischen Dampf von 150 Grad Celsius oder höher direkt, um Dampfturbinen anzutreiben.
Trockendampf-Geothermiekraftwerke nutzen direkt Dampf, der aus Erdspalten kommt, um eine Turbine anzutreiben, die Strom erzeugt.
Flash- oder Flash-Dampf-Geothermiekraftwerke
Flash- oder Flash-Dampf-Geothermieanlagen verwenden Wasser aus der Tiefe der Erde. Dieses Wasser hat aufgrund der vom Magma übertragenen Wärmeenergie eine Temperatur von etwa 200 Grad Celsius oder 473 Grad Kelvin.
Entspannungsdampfanlagen fördern heißes Hochdruckwasser durch Brunnen und in Niederdrucklagerstätten. Aufgrund dieser Druckänderung tritt der thermodynamische Prozess auf, bei dem flüssiges Wasser in Dampf umgewandelt wird.
Da der Erdmittelpunkt unter hohem Druck steht, wird Wasser bei dieser Temperatur dank Druck- und thermodynamischen Gesetzen in flüssigem Zustand gehalten. In dem Moment, in dem flüssiges Wasser abgepumpt wird, wo der Druck Atmosphärendruck ist, wird es zu Dampf.
Der am Auslass erzeugte Dampf wird zum Antrieb der Dampfturbine verwendet, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Auf diese Weise wird elektrische Energie erzeugt.
Der Rest des nicht verdampften Wassers wird in die Reserve zurückgeführt. Das überschüssige flüssige Wasser und der kondensierte Dampf können wieder in die geothermischen Lagerstätten eingespritzt werden. Diese Maßnahme trägt dazu bei, den Prozess nachhaltiger zu gestalten.
Wie hoch ist die Energieeffizienz von Geothermiekraftwerken?
Die Energieeffizienz von Geothermieanlagen ist gering, ca. 10 bis 23%, da geothermische Flüssigkeiten im Vergleich zu Dampfkesseln niedrige Temperaturen aufweisen. Nach den Gesetzen der Thermodynamik begrenzt diese niedrige Temperatur den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen.
Bei der Gewinnung von Nutzenergie bei der Stromerzeugung geht Abwärme verloren, sofern sie nicht direkt und lokal genutzt werden kann, beispielsweise in Gewächshäusern, Sägewerken oder in der Fernwärme.
Die schlechte Energieeffizienz des Systems wirkt sich nicht so stark auf die Betriebskosten aus wie bei einem Kohle- oder anderen fossilen Brennstoffkraftwerk, belastet jedoch die Rentabilität der Anlage.
Um mehr Energie zu produzieren, als Wärmepumpen verbrauchen, benötigt die Stromerzeugung Hochtemperatur-Geothermiefelder und spezialisierte Wärmekreisläufe.
Da die Geothermie nicht auf intermittierende Energiequellen angewiesen ist, wie andere erneuerbare Energiequellen wie Windenergie oder Solarenergie, kann ihr Lastfaktor sehr hoch sein.