Geothermie und ihre Nutzung, Perspektiven der Geothermie

Im Inneren der Erde steckt eine enorme thermische Energie. Die Schätzungen gehen hier noch recht unterschiedlich aus, aber wenn wir uns auf eine Tiefe von 3 km beschränken, ergeben sich nach konservativsten Schätzungen 8 x 1017 kJ Erdwärme. Gleichzeitig ist das Ausmaß seiner tatsächlichen Anwendung in unserem Land und auf der ganzen Welt unbedeutend. Worum geht es hier und welche Perspektiven bietet die Nutzung der Geothermie?

Geothermie ist die Energie der Erdwärme. Energie, die aus der natürlichen Wärme der Erde freigesetzt wird, wird Geothermie genannt. Als Energiequelle kann die Wärme der Erde in Kombination mit vorhandenen Technologien den Bedarf der Menschheit über viele, viele Jahre hinweg decken. Und damit ist noch nicht einmal die Wärme gemeint, die zu tief in bisher unerreichbare Bereiche vordringt.

Über Millionen von Jahren wird diese Wärme aus den Eingeweiden unseres Planeten freigesetzt, und die Abkühlungsrate des Kerns überschreitet nicht 400 °C pro Milliarde Jahre! Gleichzeitig beträgt die Temperatur des Erdkerns laut verschiedenen Quellen derzeit nicht weniger als 6650 °C und nimmt zur Oberfläche hin allmählich ab. 42 Billionen Watt Wärme werden ständig von der Erde abgestrahlt, nur 2 % davon befinden sich in der Erdkruste.

Die innere Wärmeenergie der Erde manifestiert sich von Zeit zu Zeit bedrohlich in Form von Ausbrüchen Tausender Vulkane, Erdbeben, Bewegungen der Erdkruste und anderen, weniger auffälligen, aber nicht weniger globalen natürlichen Prozessen.

Der wissenschaftliche Standpunkt zu den Ursachen dieses Phänomens ist, dass der Ursprung der Erdwärme mit dem kontinuierlichen Prozess des radioaktiven Zerfalls von Uran, Thorium und Kalium im Inneren des Planeten sowie mit der gravitativen Trennung der Materie zusammenhängt im Kern.

Die Granitschicht der Erdkruste in einer Tiefe von 20.000 Metern ist die Hauptzone des radioaktiven Zerfalls der Kontinente, und für die Ozeane ist der obere Erdmantel die aktivste Schicht. Wissenschaftler gehen davon aus, dass auf den Kontinenten in einer Tiefe von etwa 10.000 Metern die Temperatur am Boden der Kruste etwa 700 °C beträgt, während in den Ozeanen die Temperatur nur 200 °C erreicht.

Zwei Prozent der Geothermie in der Erdkruste sind konstant 840 Milliarden Watt, und das ist technologisch zugängliche Energie. Die besten Orte zur Gewinnung dieser Energie sind Gebiete in der Nähe der Ränder von Kontinentalplatten, wo die Kruste viel dünner ist, sowie Gebiete mit seismischer und vulkanischer Aktivität – wo sich die Erdwärme sehr nahe an der Oberfläche manifestiert.

Wo und in welcher Form entsteht Geothermie?

Derzeit ist die Entwicklung der Geothermie aktiv in den USA, Island, Neuseeland, den Philippinen, Italien, El Salvador, Ungarn, Japan, Russland, Mexiko, Kenia und anderen Ländern, wo die Wärme aus den Eingeweiden des Planeten stammt steigt in Form von Dampf und heißem Wasser an die Oberfläche und erlischt bei Temperaturen von bis zu 300 °C.

Als anschauliche Beispiele können die berühmten Geysire Islands und Kamtschatkas sowie der berühmte Yellowstone-Nationalpark in den amerikanischen Bundesstaaten Wyoming, Montana und Idaho mit einer Fläche von fast 9.000 Quadratkilometern genannt werden.

Wenn es um Geothermie geht, ist es sehr wichtig zu bedenken, dass sie meist ein niedriges Potenzial hat, d. h. die Temperatur des Wassers oder Dampfs, die den Brunnen verlässt, ist nicht hoch. Und dies wirkt sich erheblich auf die Effizienz der Nutzung dieser Energie aus.

Tatsache ist, dass es für die Stromerzeugung heute wirtschaftlich sinnvoll ist, dass die Temperatur des Kühlmittels mindestens 150 °C beträgt. In diesem Fall wird es direkt zur Turbine geleitet.

Es gibt Anlagen, die Wasser mit niedrigerer Temperatur verwenden. In ihnen erhitzt geothermisches Wasser das sekundäre Kühlmittel (z. B. Freon), das einen niedrigen Siedepunkt hat. Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an. Die Leistung solcher Anlagen ist jedoch gering (10–100 kW) und daher sind die Energiekosten höher als in Kraftwerken, die Wasser mit hoher Temperatur verwenden.

GeoPP in Neuseeland

Geothermische Lagerstätten sind poröse Gesteine, die mit heißem Wasser gefüllt sind. Es handelt sich im Wesentlichen um natürliche Erdwärmekessel.

Was aber, wenn das auf der Erdoberfläche verbrauchte Wasser nicht weggeworfen, sondern in den Kessel zurückgeführt wird? Ein Zirkulationssystem schaffen? Dabei wird nicht nur die Wärme des Thermalwassers, sondern auch der umliegenden Gesteine ​​genutzt. Ein solches System wird seine Gesamtzahl um das 4- bis 5-fache erhöhen. Das Problem der Umweltverschmutzung durch Salzwasser wird beseitigt, da es in den unterirdischen Horizont zurückkehrt.

In Form von heißem Wasser oder Dampf wird die Wärme an die Erdoberfläche abgegeben, wo sie entweder direkt zur Beheizung von Gebäuden und Häusern oder zur Stromerzeugung genutzt wird. Nützlich ist auch die Oberflächenwärme der Erde, die üblicherweise durch Bohren von Brunnen erreicht wird, wobei der Gradient alle 36 Meter um 1 °C zunimmt.

Um diese Wärme aufzunehmen, nutzen sie Wärmepumpen… Heißes Wasser und Dampf werden zur Stromerzeugung und zur Direktheizung genutzt und die in der Wasserfreiheit tief konzentrierte Wärme durch Wärmepumpen in eine nutzbare Form umgewandelt. Die Energie des Magmas und die Wärme, die sich unter Vulkanen ansammelt, werden auf ähnliche Weise gewonnen.

Im Allgemeinen gibt es eine Reihe von Standardmethoden zur Stromerzeugung in Geothermiekraftwerken, jedoch entweder direkt oder in einem wärmepumpenähnlichen Schema.

Im einfachsten Fall wird der Dampf einfach über eine Rohrleitung zur Turbine eines elektrischen Generators geleitet. In einem aufwändigen System wird der Dampf vorgereinigt, damit gelöste Stoffe die Rohre nicht zerstören. Bei einem gemischten System werden in Wasser gelöste Gase nach der Kondensation von Dampf in Wasser eliminiert.

Schließlich gibt es ein binäres Schema, bei dem eine andere Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt (Wärmetauscherschema) als Kühlmittel fungiert (um Wärme aufzunehmen und die Generatorturbine anzutreiben).

Am vielversprechendsten sind Vakuum-Absorptionswärmepumpen mit Wasser und Lithiumchlorid. Erstere erhöhen die Temperatur des Thermalwassers durch den Stromverbrauch in der Vakuumwasserpumpe.

Brunnenwasser mit einer Temperatur von 60 – 90 °C gelangt in den Vakuumverdampfer. Der erzeugte Dampf wird durch einen Turbolader verdichtet. Der Druck wird abhängig von der erforderlichen Kühlmitteltemperatur gewählt.

Wenn das Wasser direkt in die Heizungsanlage gelangt, beträgt die Temperatur 90 – 95 °C, in den Wärmenetzen 120 – 140 °C. Im Kondensator gibt der kondensierte Dampf seine Wärme an das in der Stadtheizung zirkulierende Wasser ab Netzwerke, Heizungsanlagen und Warmwasser.

Welche weiteren Möglichkeiten gibt es, die Nutzung von Geothermie zu steigern?

Eine der Richtungen betrifft die Nutzung weitgehend erschöpfter Öl- und Gasvorkommen.

Wie Sie wissen, erfolgt die Gewinnung dieses Rohstoffs in alten Feldern durch die Methode der Wasserflutung, das heißt, es wird Wasser in die Brunnen gepumpt, wodurch Öl und Gas aus den Poren der Lagerstätte verdrängt werden.

Mit fortschreitender Erschöpfung werden die porösen Lagerstätten mit Wasser gefüllt, das die Temperatur des umgebenden Gesteins annimmt, und so verwandeln sich die Lagerstätten in einen Geothermiekessel, aus dem gleichzeitig Öl gefördert und Wasser zum Erhitzen gewonnen werden kann.

Natürlich müssen zusätzliche Brunnen gebohrt und ein Zirkulationssystem geschaffen werden, aber das ist deutlich günstiger als die Erschließung eines neuen Geothermiefeldes.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, trockenem Gestein Wärme zu entziehen, indem man künstliche durchlässige Zonen bildet. Der Kern der Methode besteht darin, durch Explosionen in trockenem Gestein Porosität zu erzeugen.

Die Wärmegewinnung aus solchen Systemen erfolgt wie folgt: Es werden zwei Brunnen in einem bestimmten Abstand voneinander gebohrt. In einen wird Wasser gepumpt, das durch die gebildeten Poren und Risse in den zweiten gelangt, dem Gestein Wärme entzieht, sich erwärmt und dann an die Oberfläche steigt.

Solche experimentellen Systeme sind bereits in den Vereinigten Staaten und England im Einsatz. In Los Alamos (USA) werden zwei Brunnen – einer mit einer Tiefe von 2.700 m und der andere mit einer Tiefe von 2.300 m – durch hydraulisches Brechen verbunden und mit auf eine Temperatur von 185 °C erhitztem zirkulierendem Wasser gefüllt. In England, im Rosemenius Im Steinbruch wird das Wasser auf 80 °C erhitzt.

Geothermiekraftwerk

Die Wärme des Planeten als Energieressource

In der Nähe der italienischen Stadt Larederello gibt es eine elektrische Eisenbahn, die mit Trockendampf aus einem Brunnen betrieben wird. Das System ist seit 1904 in Betrieb.

Geysirfelder in Japan und San Francisco sind zwei weitere berühmte Orte auf der Welt, die ebenfalls trockenen heißen Dampf zur Stromerzeugung nutzen. Was den feuchten Dampf betrifft, so liegen die größeren Vorkommen in Neuseeland und die kleineren in Japan, Russland, El Salvador, Mexiko und Nicaragua.

Wenn wir Erdwärme als Energieressource betrachten, dann sind ihre Reserven Dutzende Milliarden Mal höher als der jährliche Energieverbrauch der Menschheit weltweit.

Nur 1 % der thermischen Energie der Erdkruste, entnommen aus einer Tiefe von 10.000 Metern, würde ausreichen, um die von der Menschheit kontinuierlich produzierten Reserven an fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas um das Hundertfache zu überdecken und zu einer irreversiblen Erschöpfung zu führen des Untergrundes und der Umweltverschmutzung.

Dies hat wirtschaftliche Gründe. Geothermiekraftwerke haben jedoch sehr moderate Kohlendioxidemissionen, etwa 122 kg pro erzeugter Megawattstunde Strom, was deutlich weniger ist als die Emissionen bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen.

Perspektiven für industrielles GeoPE und Geothermie

Das erste industrielle geoPE mit einer Leistung von 7,5 MW wurde 1916 in Italien gebaut. Seitdem wurden unschätzbare Erfahrungen gesammelt.

Im Jahr 1975 betrug die weltweit installierte Gesamtleistung von GeoPP 1278 MW, 1990 waren es bereits 7300 MW. Die größten Mengen an geothermischer Energieentwicklung finden in den Vereinigten Staaten, Mexiko, Japan, den Philippinen und Italien statt.

Das erste geoPE auf dem Territorium der UdSSR wurde 1966 in Kamtschatka gebaut, seine Leistung beträgt 12 MW.

Seit 2003 ist in Russland das geografische Kraftwerk Mutnowskaja in Betrieb, dessen Leistung derzeit 50 MW beträgt – es ist derzeit das leistungsstärkste geoelektrische Kraftwerk in Russland.

Das größte GeoPP der Welt ist Olkaria IV in Kenia mit einer Kapazität von 140 MW.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass in Zukunft die thermische Energie des Magmas in den Regionen des Planeten genutzt wird, in denen es nicht zu tief unter der Erdoberfläche liegt, sowie die thermische Energie erhitzter kristalliner Gesteine, wenn kaltes Wasser vorhanden ist wird in mehrere Kilometer Tiefe in ein Bohrloch gepumpt und das heiße Wasser oder Dampf an die Oberfläche zurückgeführt, wo es dann erhitzt oder Strom erzeugt wird.

Es stellt sich die Frage: Warum gibt es derzeit so wenige abgeschlossene Projekte, die Geothermie nutzen? Erstens, weil sie sich an günstigen Orten befinden, an denen das Wasser entweder auf die Erdoberfläche strömt oder sehr flach liegt. In solchen Fällen ist es nicht notwendig, Tiefbrunnen zu bohren, die den teuersten Teil der Geothermieentwicklung darstellen.

Die Nutzung von Thermalwässern zur Wärmeversorgung ist weitaus größer als zur Stromerzeugung, sie ist jedoch noch gering und spielt im Energiesektor keine nennenswerte Rolle.

Die Wärmeenergie macht erst die ersten Schritte und aktuelle Forschung sowie experimentell-industrielle Arbeiten sollten eine Antwort auf das Ausmaß ihrer weiteren Entwicklung geben.