Wie ein Geothermiekraftwerk funktioniert, Definition und Arten

Geothermiekraftwerk in Island
In der oberen Erdkrustenschicht speichert sich Wärme, die direkt zur Stromerzeugung abgezapft wird. Die zwei möglichen Konstruktionsprinzipien beim Geothermiekraftwerk zielen darauf ab, Wasserdampf zu erzeugen. Kaltes oder heißes Wasser wird in ein Bohrloch gepumpt und durch ein Reservoir mit warmem Wasser geleitet. Der entstehende Dampf steigt durch ein Rohr direkt in eine Dampfturbine oder in
einen zwischengeschalteten Entspannungstank auf. Die Turbine bringt durch Bewegung einen Generator zum Laufen, der Strom erzeugt.

Als Bedingungen muss für die Funktion eines Geothermiekraftwerks ausreichender Druck gegeben sein. Weitere Voraussetzung ist der Grad der Erderwärmung und die damit verbunden Tiefe. Beides muss ausreichen und erreichbar sein.

Trockendampf, Entspannung oder Binärkreislauf

Die Funktionsweise eines Geothermiekraftwerk kann in drei Ausführungsarten konstruiert werden:

Variante Erklärung
1. Die „einfachste“ Variante ist das sogenannte Trockendampfmodell. Kaltes Wasser wird in den Boden eingeleitet und der bei der Erwärmung im Erdinneren entstehende Dampf direkt von der Dampfturbine verwertet.
2.

Als Alternative kann erhitztes Wasser in den Boden gepumpt werden, das weiterhin heiß wieder nach oben geleitet wird. Beim Aufstieg verliert es Druck, was zu Dampfbildung durch führt. Ein spezieller Tank verstärkt die Dampfbildung aus dem Druckabfall zusätzlich. Das abgekühlte aber immer noch heiße Wasser wird aus dem Tank wieder in die Bodenleistung eingespeist und der Dampf in die Turbine geführt.

Dieses Modell macht ein Geothermiekraftwerk zu einem schonenderen Ressourcenverbraucher. Sowohl der Wasserbedarf reduziert sich als auch die Ausbeutung der vorhandenen Erdwärme schwächt sich ab.

3.

Bei der dritten Funktionsweise bildet das warm in den Boden eingeleitete und wieder aufsteigende Wasser einen eigenen Kreislauf. In einem Hitzewechsler, einem Wärmetauscher ähnlich, wird die Wasserwärme in einen zweiten unabhängigen Kreislauf abgegeben.

Die Wärmetransportflüssigkeit im dampferzeugenden Zweitkreislauf erzeugt durch einen geringeren Siedepunkt effektiver Dampf als das Wasser.

Geothermiekraftwerk: Bohrtiefen und Temperaturvoraussetzungen

Die Wärmevorkommen im Erdreich entscheiden, ob ein Geothermiekraftwerk betrieben werden kann. Zur Wärmeausbeute reichen, wie von Erdwärmepumpen bekannt, schon geringere Temperaturdifferenzen.

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Um ein Geothermiekraftwerk betreiben zu können, müssen Wassertemperaturen von mindestens 80 Grad Celsius vorliegen. Erdwärmebohrungen bis 3000 Meter werden realisiert, wenn die notwendigen Temperaturen als erreichbar gelten.

Der Aufbau, die Struktur und Verteilung der Wärmeschichten in der Erdkruste ist sehr ungleichmäßig. Um die Kosten und die technische Umsetzung in wirtschaftlichen Grenzen zu halten, müssen gezielt Wärmelagerstätten gefunden und „angebohrt“ werden.

Technische Entwicklung und Perspektiven

Ein Geothermiekraftwerk ist mehreren technischen Herausforderungen ausgesetzt:

  • Die Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf müssen ausreichen
  • Dazu kommt der Erhalt des Temperaturniveaus im Wärmereservoir durch erdeigene Wiedererwärmung
  • Geologisch sind Wärmelagerstätten oft fragile Zonen, in denen seismische Bewegungen verbreitet sind
  • Die Auswahl eines Standortes ist immer mit einem Risiko bezüglich Aufwand, Kosten und dauerhafter Ergiebigkeit behaftet

Wenn neue und effektivere Technologien vor allem bezüglich Binärkreislaufsystemen entwickelt werden, kann auch in Deutschland an eine ökonomisch zunehmend sinnvolle Ausbreitung und Nutzung gedacht werden. Noch ist Deutschland geothermisches Entwicklungsland.