Dampfkraftwerke lohnen erst ab etwa 180 Grad

Bei niedrigeren Fördertemperaturen wird überwiegend mit "binären" Anlagen gearbeitet

Natürliche Heißwasser- und Heißdampfquellen wie in Larderello, die sich einfach und billig erschließen lassen, gibt es leider nur an wenigen Punkten der Erde. Im Jahre 2000 zählte man weltweit eine geothermische Kraftwerksleistung von rund 8000 Megawatt. Davon entfielen auf die USA 2300 MW, die Philippinen 1909 MW, Italien 785 MW, Indonesien 590 MW, Mexiko 755 MW, Japan 547 MMW, Neuseeland 437 MW und Island 170 MW.

Betrachtet man diese Zahlen im Verhältnis zum Stromverbrauch des jeweiligen Landes, so trug die Erdwärme in den USA nur 0,4 Prozent zur nationalen Stromerzeugung bei, obwohl dieses Land im internationalen Vergleich über die größten Kapazitäten verfügte. Auch in Japan (0,4 Prozent) und in Italien (1,7 Prozent) hatte die Geothermie nur einen bescheidenden Anteil an der Stromerzeugung. Deutlich höher lagen die Anteile in Mexiko (3,2 Prozent), Indonesien (5,1 Prozent), Island (14,7 Prozent) und auf den Philippinen (21,5 Prozent). Von erheblicher Bedeutung war die installierte geothermische Stromleistung ferner für die lateinamerikanischen Staaten El Salvador (161 MW/20 Prozent), Nicaragua (70 MW/17,2 Prozent) und Costa Rica (142,5 MW/10,2 Prozent).

Seltener Idealfall: Das geothermische Feld von "The Geysers" in Kalifornien liefert Heißdampf, der direkt in die Turbinen eingespeist werden kann.

Stromerzeugung mit Dampfkraftwerken

Mehr als neunzig Prozent dieser weltweiten geothermischen Stromproduktion wurden mit Dampfkraftwerken erzielt. Von den üblichen Dampfkraftwerken, die mit Kohle, Gas oder Öl befeuert werden, unterschieden sich diese Dampfkraftwerke allerdings durch die mehr oder weniger umfangreiche Anpassung ihrer Technik an die jeweiligen Temperaturen der unterirdischen Heißwasser- und Dampfvorkommen. Grundsätzlich gelten etwa 180 Grad Celsius als untere Grenze für die Verwendung von (Wasser-)Dampf als Arbeitsmittel.

In Ausnahmefällen kann Heißdampf aus der Erde direkt die Turbinen des Dampfkraftwerkes antreiben. Solche Ausnahmen sind die Anlagen in Larderello (Italien), "The Geysers" (USA) und Matsukawa (Japan). Aber auch hier sind die Drücke und Temperaturen erheblich niedriger als bei konventionellen Dampfkraftwerken. Man benötigt deshalb spezielle Turbinen, die als Sonderanfertigung teurer als normale Turbinen sind, während der Wirkungsgrad geringer ist.

Die Turbinen geothermischer Dampfkraftwerke müssen auf die niedrigeren Drücke und Temperaturen des Dampfes abgestimmt sein.

In allen anderen Fällen steht für den Betrieb eines Dampfkraftwerks der benötigte Heißdampf nicht oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. Stattdessen verfügt man über heißes Wasser mit einer Temperatur von mehr als 100 Grad. Dieses Wasser konnte nicht beim üblichen Siedepunkt verdampfen, der an der Erdoberfläche vom Luftdruck bestimmt wird, weil es im Untergrund unter einem höheren Druck steht. Um die Dampfbildung anzuregen, wird es deshalb zunächst einmal entspannt, das heißt auf einen niedrigeren Druck gebracht. Der so erzeugte Dampf wird in einem "Separator" abgeschieden und treibt die Turbine. Das abgekühlte Wasser wird in den Untergrund zurückgeleitet. Der Wirkungsgrad verdoppelt sich, wenn man den Dampf nach Durchströmen der Turbine nicht einfach in die Atmosphäre entläßt, sondern in einem "Kondensator" durch Abkühlung verflüssigt. Denn durch die Verflüssigung des Dampfes entsteht im Kondensator ein Unterdruck. Je nach Temperatur des Wassers läßt sich dieser Entspannungsprozeß ("Flash"-Prozeß) auch zwei- oder dreimal durchführen, was den Wirkungsgrad weiter erhöht.

In der Regel reicht die natürliche Dampfbildung nicht aus und wird deshalb durch Entspannung des heißen Wassers verstärkt, wie bei diesem japanischen "Flash"-Kraftwerk.

Binäre Verfahren

Wenn die Temperatur des Wassers nicht ausreicht, um genügend Dampf für den Betrieb einer Turbine abscheiden zu können, muß auf sogenannte binäre Verfahren zurückgegriffen werden. Dabei durchläuft das heiße Wasser einen Wärmetauscher und wird komplett in den Untergrund zurückgeführt. Der Wärmetauscher erhitzt einen zweiten Kreislauf, in dem sich ein spezielles Medium befindet, das bei normalem Luftdruck schon weit unter 100 Grad Celsius in den gasförmigen Zustand übergeht. Beispielsweise Frigen/Freon (Fluorchlorkohlenwasserstoffe mit Siedepunkten zwischen 50°C und -40°C) oder Isobutan (Kohlenwasserstoff, Siedepunkt -11,7°C). Auf diese Weise können sogar mit Wassertemperaturen unterhalb des Siedepunktes noch Gasdrücke erzeugt werden, die für den Betrieb entsprechend konstruierter Turbinen ausreichen. Die binären Anlagen lösen also das Problem der mangelnden Dampfbildung, indem sie das heiße Wasser lediglich dazu verwenden, ein anderes Medium zu verdampfen, das sich bei diesem relativ geringen Temperaturniveau besser für die Energieübertragung an eine Wärmekraftmaschine eignet.

Die Naturgesetze lassen sich mit diesem technischen Kniff allerdings nicht aufheben. Nach wie vor gilt, daß der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen vom Ausgangsniveau der Temperatur und vom nutzbaren Gefälle abhängt. Im Bereich unter hundert Grad Celsius ist da nicht mehr viel herauszuholen. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung aus 80 Grad heißem Wasser nur ein Prozent. Bei einer Temperatur von 100 Grad kann dagegen bereits mit sieben und bei 140 Grad mit zehn Prozent gerechnet werden. Bei 180 Grad sind es sogar rund 13 Prozent. In diesem Bereich wird aber der Wirkungsgrad binärer Prozesse schon vielfach von normalen Dampfkraftwerken überboten.

In Deutschland kommen für die geothermische Stromerzeugung ausschließlich binäre Verfahren in Betracht. Sie werden deshalb im folgenden ausführlicher geschildert.