Geothermie
Pfalzwerke - Geothermie - ein Projekt besonderer Art. Geothermieprojekt, Soultz-sous-Forêts/Kutzenhausen.
Unterirdische Wärmeaustauscher holen Wärme aus "Hot Dry Rocks"
HDR-Projekt in Soultz-sous-Forêts
In Mitteleuropa gibt es keine Dampf- oder Heißwasserlagerstätten. Wenn man jedoch tief genug bohrt, erreicht man auch bei uns Gesteinschichten, die zwar trocken sind, deren Temperaturen aber ausreichen, um Strom zu gewinnen.
Neben Forschungsprojekten in Japan und den USA gibt es auch in Soultz-sous-Forêts im Elsass seit 1987 ein Projekt, um die dafür benötigten Technologien zu entwickeln. Soultz liegt im Zentrum der größten Wärmeanomalie Mitteleuropas, sodass die Bohrungen eine relativ geringe Tiefe von nur 3000 bis 4000 Metern benötigen.
In 3900 Metern Tiefe wurden durch Hydrofraktur zwei ausgedehnte Risssysteme erzeugt. Das Gestein hat dort eine Temperatur von 165 °C. Die beiden Forschungsbohrungen liegen 450 Meter voneinander entfernt. Zusätzlich wurden vier "Lauschbohrungen" durchgeführt, über die die Wasserbewegungen im Untergrund verfolgt werden können. Im Rahmen des Projektes wurden Hydraulische Injektions- und Produktionsversuche durchgeführt, die ergaben, dass pro Sekunde kontinuierlich 25 Liter Wasser mit einer Temperatur von über 140°C zwischen den beiden Bohrlöchern ohne Wasserverluste zirkulieren. Mit einer Pumpenergie von nur 250 Kilowatt werden 10 Megawatt thermische Energie gewonnen.
Als nächste Stufe sollen nun "kommerzielle" Tiefen von 5000 Metern mit Gesteinstemperaturen von 200 °C erschlossen werden. Bei einem dort vorherrschenden Wasserfluss von 40 Litern pro Sekunde und einer Wassertemperatur von 190°C könnte damit ein erstes Versuchs-Kraftwerk eine Leistung von 5 Megawatt produzieren.
Ein nach heutigen Maßstäben wirtschaftlich zu betreibendes HDR-Kraftwerk muss aber eine Leistung zwischen 25 und 100 Megawatt über einen Zeitraum von 20 Jahren garantieren. Dies erfordert eine Wärmeaustauschfläche von drei bis zehn Quadratkilometern, die bei einem Bohrlochabstand von etwa 500 Metern mit Fließraten zwischen 50 und 100 Litern pro Sekunde durchströmt werden muss.
Weiter Informationen über das HDR-Projekt in Soultz-sous-Forêts.
(c) G.O. - Wissen Online - http://www.g-o.de/
infosabout ... über Erdwärme ... Island heizt mit Strom oder Heißwasser aus ... Toskana wird das älteste Geothermie-Kraftwerk mit heißem Dampf ...
Der Tagesspiegel, 13.11.2000
Ökologische Energiegewinnung
Tief unten ist es höllisch heiß
Erdwärme auf dem Weg zum viel versprechenden Energieträger / Bau von Versuchsanlagen zur Stromgewinnung kommt in Schwung
Gideon Heimann
Während beim Thema ökologische Energiegewinnung die Sonne immer noch allzu oft im Vordergrund steht, mausert sich still und leise eine andere Technik, die räumlich in die entgegengesetzte Richtung zielt: die Geothermie. In diesem Jahr wurden mehr Projekte begonnen als in den zehn Jahren davor zusammen.
Es sind natürlich größere Vorhaben, die da etwa in Dortmund, Hamm, Hannover, Herford, Iserlohn, Schwerte, Vlotho und Wene, aber auch in Ungarn laufen, denn um mit Erdwärme wirtschaftlich zu arbeiten, muss man schon reichlich tief bohren. Für den Eigenheimbesitzer kommt daher nur die deutlich kleinere Erdwärmepumpe in Frage.
Auch diese Technik hat sich ohne großes Aufsehen fortentwickelt. Bereits in den 80er Jahren gab es geradezu eine Wärmepumpen-Euphorie, die allerdings schnell abgeebbt ist. Zu Zeiten hoher Strom- und niedriger Ölpreise rentierte sich die Erdwärmepumpe nicht, zumal sie - bei geringen Bodentiefen - eben auch nur ein schmales Energieangebot erreichen konnte. So zogen die Geräte reichlich viel Strom.
Inzwischen wird je nach Bedarf meist nur eine Sonde, aber diese dafür zwischen 30 und 100 Meter tief ins Erdreich gesetzt. Dort herrschen bis zu 15 Grad Celsius, die Anlage muss die Temperatur also nicht mehr so kräftig "hinaufpumpen" wie früher. Dies wiederum reduziert den Stromverbrauch deutlich, was die Betriebskosten gering hält. Die Amortisationszeiten betragen heute etwa sieben Jahre.
Die Funktionsweise und die Zuverlässigkeit solcher Systeme stehen ohnehin schon lange außer Frage, denn im Prinzip handelt es sich dabei auch nur um einen Kühlschrank. Bei diesem verdampft die Wärmetransportsubstanz in den Kühlschlangen am Gefrierfach, bei der Wärmepumpe entzieht das Mittel dem Boden (oder dem in der Sonde zirkulierenden Wasser) die Energie. Das Gas wird komprimiert, es kondensiert und gibt die Wärme ab - beim Kühlschrank an der Rückseite, bei der Wärmepumpe an den Heizungs-Kreislauf.
Bei größeren Geothermie-Anlagen freilich kann man die Erdwärme direkt nutzen. Im Bereich warmer Quellen braucht man gar nicht so tief zu graben, aber solche Gegenden sind selten in Deutschland. Immerhin, Bad Urach in der Schwäbischen Alb etwa nutzt die immer tiefer angezapften Thermalquellen inzwischen nicht mehr allein für den Heilbad-Betrieb. Schließlich fanden die Schwaben in 769 Meter Tiefe 58 Grad Celsius warmes Wasser.
Kraftwerk mit drei Megawatt
Und dabei blieb es nicht. In Tiefen von über 4000 Metern lässt sich 175 Grad heißes Wasser gewinnen, das reicht sogar für ein besonderes Kraftwerk, das eine elektrische Leistung von drei Megawatt (MW) und eine thermische Leistung von 20 MW bringen soll - in der ersten Ausbaustufe, die 2003 fertig gestellt sein soll. Das Kraftwerk kann den Wasserdampf nicht direkt an Turbinen ausnutzen, dazu reicht der Druck nicht. Deshalb erhitzt die Erdwärme erst einmal eine organische Flüssigkeit, die leicht verdampft und dabei den nötigen Druck aufbaut.
Die Grundlagen des auch bei Urach angewandten "Hot-dry-rock"-Verfahrens wurden seit 1987 in Soulz-sous-Forêts erkundet. Beteiligt sind Forschungsgruppen aus fast ganz Europa, den USA und Japan. Der Versuchsstandort liegt am westlichen Rand des Oberrheingrabens, etwa 50 Kilometer nördlich von Straßburg. Hier finden sich im Untergrund bereits von Natur aus Risse und Spalten im Gestein. Presst man Wasser hinein, entstehen Kanäle. Setzt man dann etwa 500 Meter entfernt eine weitere Bohrung, kommt dort das vom Gestein erwärmte Wasser wieder nach oben: Ein riesiger Wärmetauscher ist entstanden.
In Soulz wurde die erreichte Bohrungstiefe von knapp 4000 Metern um weitere 1000 erweitert, damit eine Wassertemperatur von 200 Grad "geerntet" werden kann. Gedacht ist an eine reine Forschungsinstallation, die 50 MW thermische und fünf MW elektrische Leistung bringt.
Mittlerweile hat dieser Versuch einen Stand erreicht, der erkennen lässt, dass die Erdwärmenutzung quasi an jedem Standort auch für die Stromproduktion interessant wird. Und damit wächst das Interesse an Vorhaben in der Umgebung. Zumal solche Kraftwerke durchaus wirtschaftlich zu betreiben wären: In Modellrechnungen wird von einem Kilowattstundenpreis in Höhe von 15 bis 20 Pfennigen ausgegangen.
Damit kann man zwar noch nicht mit einem abgeschriebenen Kernkraftwerk konkurrieren, aber liegt schon in einem Bereich, der von ökologisch gesinnten Kunden mit Sicherheit akzeptiert würde. Und noch ein Vorteil: Im Gegensatz zu allen anderen regenerativen Energieträgern kann man hier mit einer beständigen Lieferung rechnen, ohne Rücksicht auf Sonnenschein und Witterung.
So viel zu der Absicht, aus Erdwärme Strom zu produzieren. Aber viel interessanter ist es heute schon, die Wärme der Erdkruste zur Heizung von Wohnungen einzusetzen. Eine international beachtete Anlage arbeitet seit fünf Jahren in Neustadt/Glewe (Mecklenburg). Hier gibt es auch den wärmsten Tiefenwasserspeicher Deutschlands, der bereits in 2450 Meter Tiefe 100 Grad warmes Wasser bereithält. Nach der Passage durch den Wärmetauscher der Heizzentrale wird das Wasser mit einer Temperatur von 50 Grad Celsius wieder dem Boden zur erneuten Erwärmung zugeführt.
Rund 95 Prozent der von 1300 Haushalten und 20 Gewerbekunden bezogenen Wärme wird hier aus dem Boden bezogen. Nur wenn's ganz kalt ist, springen Gas-Spitzenlastkessel an. Da das Wasser auf Grund des Syphon-Effektes von unten bis auf 90 Meter unter die Geländeoberkante aufsteigt, wird auch wenig Strom für die Förderung des Wassers gebraucht. Unter dem Strich spart Neustadt also etwa 6000 Tonnen Kohlendioxid jährlich - diese Emissionsmenge käme bei herkömmlichen Heizungen zusammen.
Ehrgeiziges Projekt in Ungarn
Mit einer Jahresarbeit, die fast doppelt so groß ist wie die in Neustadt, hat das ungarische Kecskemét jetzt ein noch ehrgeizigeres Projekt gestartet. Hier geht es um die Versorgung eines knappen Drittels der 108 000 Einwohner zählenden Stadt, 80 Kilometer südöstlich von Budapest. Nun verfügt Ungarn über sehr große geothermische Ressourcen, Thermalwasser findet sich fast überall. Daher ist auch die Nutzung recht weit verbreitet, freilich nicht in den nun geplanten Größenordnungen. Schließlich wird in Kecskemét mit Gesamtinvestitionen von etwa 100 Millionen Mark gerechnet.
Die Geothermie kommt in Schwung: ob in Straubing - dort wurde vergangenes Jahr eine Sechs-MW-Anlage in Betrieb genommen - oder in Unterschleißheim bei München. Hier sind im Endausbau 25 MW Ausbeute geplant. Da dürfen auch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, das Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben und das Niedersächsische Landesamt für Bodenforschung (alle in Hannover) nicht tatenlos bleiben. Sie planen auf dem Gelände der Bundesanstalt zwei 3500 Meter tiefe Bohrungen, denn dort wäre Wasser auf 120 bis 140 Grad zu erwärmen. Daraus lässt sich eine Dauerleistung von sechs MW und mehr herausholen. Die Ämter benötigen zwei MW, der größere Rest könnte in das Fernwärmenetz der Stadt eingespeist werden. Pro Jahr wird mit einem CO2
Einsparpotenzial von 15 000 Tonnen gerechnet (gegenüber herkömmlichen Heizungen). Obwohl es ein Demonstrationsvorhaben werden soll, wird mit jährlichen Einnahmen von 2,5 Millionen Mark aus dem Wärmeverkauf gerechnet.
Und richtig in die Vollen geht Nordrhein-Westfalen, denn hier gibt's ja schon infolge des Bergbaus viele tiefe Löcher in der Erde. Aber auch der Häuslebauer soll etwas davon haben, jedenfalls wird hier an einer Potenzialkarte im Maßstab 1 : 100 000 gearbeitet. Anfang 2002 soll sie als CD-ROM erhältlich sein und über alle für die geothermische Nutzung relevanten geologischen und hydrogeologischen Grunddaten informieren.
Ob Deutschland allerdings den Anschluss an Island gewinnt, ist eher auszuschließen. Dort werden etwa 95 Prozent aller Haushalte von Mutter Erde beheizt - schließlich schießen dort die Fontänen wie Pilze aus dem Boden. Dass aber etwas dran sein muss an der Energieform, das sieht man an den Zahlen: Weltweit werden immerhin schon mehr als 7000 MW elektrische Leistung und mehr als 8000 MW Wärme aus dem Boden geholt.
Es werden grundsätzlich vier Arten der Erdwärmenutzung unterschieden:
Oberflächennahe Geothermie
In 1-2 m Bodentiefe sinken die Temperaturen auch im Winter gewöhnlicherweise nicht unter 5°C. Mit im Erdreich verlegten Rohren, die von einer Sole durchflossen werden, kann Energie aufgenommen und einer Wärmepumpe zugeführt werden. Der Temperaturhub der Wärmepumpe kann so übers Jahr relativ konstant gehalten werden, der Energieeinsatz bleibt niedrig.
Erdwärmenutzung mit tiefen Erdwärmesonden
Prinzipiell kann bei jeder erfolgten Tiefbohrung eine Sonde eingebracht werden, in der Wasser zirkulieren und sich in der Tiefe aufheizen kann. Das Verfahren funktioniert wie bei der Oberflächengeothermie mit einer Wärmepumpe, der Unterschied liegt lediglich in der Tiefe der Bohrung.
Doppelrohrsonden können bis zu 4 km Tiefe eingebracht werden. Auf diese Weise wird es möglich, u.a. auch nicht produktive, zur Prospektion angelegte Bohrlöcher zur umweltfreundlichen Energienutzung zu verwenden.
Das technische Potential solcher Sonden liegt in Deutschland bei etwa 3.000 PJ/a.
Die hohen Kosten sind derzeit noch das Hauptproblem bei der Einführung dieser Technologie. Je nachdem, ob ein neues oder ein bereits vorhandenes Bohrloch benutzt werden kann, liegen die Wärmegestehungskosten zwischen 16 und 21 Pf/kWh für Raum- und Gebäudeheizung (2.000 h/a), bzw. bei 7 bis 9 Pf/kWh für industrielle Prozeßwärmenutzung (5.000 h/a).
Hydrothermale Erdwärmenutzung
Die Nutzung von niedrigthermalen Tiefengewässern zwischen 40°C und 100°C ist vor allem im süddeutschen Molassebecken (Malmkarst, im Oberrheingraben und in Teilen der norddeutschen Tiefebene möglich. Das Thermalwasser wird gewöhnlich aus 1 .000 bis 2.500 m Tiefe über Bohrungen an die Erdoberfläche gefördert und gibt hier seine Wärme an einen Verbraucher ab. Anschließend wird es über eine zweite Bohrung wieder in die Tiefe gebracht, um die Mengenbilanz im Untergrund zu erhalten. Die hochmineralisierten Thermalwässer können aus Umweltschutzgründen meistens nicht oberirdisch entsorgt werden.
Hydrothermale Erdwärme wird zur Gebäude- und Wasserheizung, in Thermalbädern und zu gewerblichen Zwecken (z.B. zur Beheizung von Gewächshäusern) genutzt. An sehr guten Standorten ist auch Stromerzeugung aus Erdwärme mit Hilfe eines Dampfkraftprozesses möglich, der zum Antrieb der Dampfturbine Wasser oder ein leicht flüchtiges, organisches Medium benutzt.
Die Investitionskosten einer geothermischen Heizzentrale liegen bei Anlagen mit einer installierten Leistung zwischen 3 und 30 MW im Bereich von 1.000 bis 1 .500 DM/kW. Dazu kommen meist noch Kosten für ein Wärmeverteilungsnetz. Je nach Temperaturniveau und Ergiebigkeit der Quelle können die Wärmegestehungskosten zwischen 4 und 8 Pf/kWh liegen. Dabei wird von einer Auslastung mit 2.500 bis 3.000 Vollaststunden pro Jahr ausgegangen. Bei industriellen Abnehmern mit hoher Auslastung (über 5.000 h/a) können die Wärmegestehungskosten unter 4 Pf/kWh sinken.
Hot Dry Rock Verfahren
Die Nutzung heißer, trockener Gesteinsschichten in bis zu 5 km Tiefe ist eine weitere Möglichkeit der geothermischen Wärme- und Stromerzeugung.
Zuerst wird eine Tiefbohrung angelegt. Anschließend erfolgt die sogenannte hydraulische Stimulation zur Erzeugung unterirdischer Wärmeaustauschflächen. Dazu wird Wasser unter sehr hohem Druck und mit hohen Fließraten aus der Bohrung in das Gestein gepresst. Dabei werden natürlich vorhandene Risse und Spalten hydraulisch aufgeweitet und geschert bzw. neue Risse aufgebrochen und so die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht. Das in den heißen Tiefengesteinen erhitzte Wasser kann zur Speisung von Nah- und Fernwärmenetzen und bei einem entsprechend hohen Temperaturniveau auch zur Bereitstellung von Industriedampf genutzt werden. Bei einer angenommenen Betriebstemperatur von 180 °C kann über ein mit organischem Arbeitsmedium betriebenes Dampfkraftwerk auch Strom erzeugt werden. Der elektrische Wirkungsgrad liegt dabei bei etwa 10 - 16 %.
Theoretisch kann überall eine Bohrung mit der nötigen Tiefe erzeugt werden, um ein HDR-Heiz-Kraftwerk zu installieren. Mit Leistungsgrößen von 20 bis 50 MW könnten solche Kraftwerke etwa 30 % des deutschen Stromverbrauchs bereitstellen.
Die Kosten für eine Bohrung von 5.000 m Tiefe liegen bei etwa 8 Mio. DM. Die gesamten Investitionskosten werden derzeit auf etwa 5.000 - 6.000 DM/kW geschätzt. Für die Stromgestehungskosten werden bei einer Auslastung von 8.000 Vollaststunden pro Jahr etwa 1 5 - 20 Pf/kWh angegeben.
Erste Nutzung der Erdwärme
Die Energie, die die Erde in Form von Wärme ständig abgibt, könnte - würde sie "eingefangen" - alle Energieprobleme der Menschen auf einen Schlag lösen. Der durchschnittliche Wärmestrom beträgt 0,06 Watt Energie pro Quadratmeter Erdoberfläche. Dies entspricht mehr als dem Doppelten der gesamten Energie, die zurzeit durch die Verbrennung von Holz, Kohle, Öl und Gas produziert wird. Für die Gewinnung von Energie ist der Wärmestrom der Erde dennoch zu gering.
Anders sieht es dagegen bei der gespeicherten Erdwärme im Bereich geothermischer Anomalien aus. Dort wird sie schon seit Urzeiten vom Menschen für verschiedene Zwecke genutzt. Germanen, Gallier und Kelten badeten in heißen Quellen. Die Römer bauten die ersten richtigen Bäder, die Thermen.
Den Wärmefluss der Erde nutzten auch arktische Völker, wie die Bewohner von Kamtschatka in Ostsibirien, bei Bau ihrer Erdhäuser, um sich vor der Kälte zu schützen. In ihren unterirdischen Behausungen isolierte das Erdreich zum einen gegen die Kälte der Luft. Zugleich strömte von unten her Erdwärme nach, sodass ab etwa fünf Metern Tiefe ganzjährig um die 10°C herrschten.
Die erste industrielle Nutzung der Erdwärme gelang dem jungen Franzosen Francois Larderel. Dieser gründete zwischen 1818 und 1835 neun Borsäure-Fabriken. Borsäure wird als Desinfektionsmittel, zur Herstellung von Glasuren für Steingut- und Porzellanwaren und Blechgeschirre - "Emaille" - sowie temperaturbeständigen und optischen Gläsern verwendet. Die Borsäure gewann er aus dem Wasser der "lagoni". Dies sind aus der Erdtiefe gespeiste Teiche zwischen Volterra und Massa Marittima. Um das stark mineralhaltige Wasser zu verdampfen und Borsäurekristalle zu erhalten, heizte man die Eisenkessel zunächst mit Holz. Nachdem dieses jedoch immer teurer wurde, ließ Larderel 1827 über einigen "lagoni" Kuppeln aufmauern, welche den ausströmenden Wasserdampf einfingen und als Prozesswärme an die Kessel leiteten.
1828 veranlasste Larderel die erste gezielte Bohrung nach Erddampf und hatte Erfolg. Daraufhin siedelte sich immer mehr chemische Industrie an. Larderel wurde 1837 der Titel eines Grafen von Montecerboli verliehen. 1846 verlieh man sogar einer von ihm errichteten Fabrik mit der zugehörigen Arbeitersiedlung den Namen Larderello. Ein Nachfahre Larderels, der Prinz Piero Ginori Conti nahm dort 1913 das erste Erdwärme-Kraftwerk der Welt in Betrieb. Die Leistung: 220 Kilowatt. Bis 1930 wurde das Kraftwerk mehrfach verbessert und lieferte schließlich Erdwärme von zwölf Megawatt. Larderello-Strom wurde nach Volterra, Siena, Livorno und Florenz übertragen.
Heute speist in dieser Gegend 245°C heißer, meist in etwa 1000 Meter Tiefe erbohrter Dampf mehrere Kraftwerksblöcke mit 390 Megawatt Gesamtleistung. Außerdem werden in Larderello Wohnungen, gewerbliche Räume und Treibhäuser mit Erddampf beheizt.
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