Turbine ohne Wasserdampf

Das ORC-Verfahren verwendet niedrig siedende Substanzen als Arbeitsmedium und erzeugt so den notwendigen Gasdruck

In Deutschland kommen normale Dampfprozesse mit Wasserdampf als Arbeitsmedium bis auf weiteres nicht in Betracht, da die dafür erforderlichen Temperaturen allenfalls mit dem "Hot-Dry-Rock"-Verfahren erreicht werden könnten, das sich noch in der Erprobung befindet. Die bisher bekannten Thermalwasser-Vorkommen erreichen aber höchstens 150 Grad. Die geothermische Stromerzeugung erfolgt deshalb bei uns ausschließlich mit sogenannten "binären Systemen", bei denen das heiße Wasser seine Energie über einen Wärmetauscher an einen zweiten Kreislauf abgibt, der die Turbine mit dem Generator antreibt. In diesem zweiten Kreislauf zirkuliert kein Wasser bzw. Wasserdampf, sondern ein spezielles Arbeitsmedium, das bereits bei Temperaturen unter 100 Grad siedet und damit den entsprechenden Stoff vom flüsssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen läßt. Auf diese Weise können sogar Thermalwässer mit 100 Grad und weniger für die Stromerzeugung verwendet werden. Der Wirkungsgrad ist allerdings recht gering. Die Vorzüge dieses Verfahrens liegen vor allem im Bereich oberhalb des Siedepunktes bis zur Schwelle von etwa 180 Grad, ab der die Dampfprozesse dominieren. Da als niedrigsiedende Arbeitsmedien organische Stoffe verwendet werden, spricht man auf Englisch bzw. Neudeutsch vom "Organic Rankine Cycle" (ORC) in Anlehnung an den "Clausius-Rankine-Cycle" für den normalen Kreislauf in einem Dampfkraftwerk.

Eine Variante des ORC-Prozesses ist das Kalina-Verfahren, das anstelle organischer Arbeitsmittel ein Wasser-Ammoniak-Gemisch verwendet. Es deckt auch Bereiche ab, die der ORC-Prozeß nicht erfaßt, und ist besonders für niedrige Thermalwasser-Temperaturen geeignet.

Es gibt wesentlich mehr geothermische Kraftwerke nach dem ORC- oder Kalina-Prinzip als Dampfkraftwerke. Letztere bestreiten aber über neunzig Prozent der weltweiten Stromerzeugung aus Erdwärme. Dieses Mißverhältnis vermittelt eine Vorstellung davon, wie gering die Wirkungsgrade und Einzelleistungen der ORC-Anlagen gegenüber ergiebigeren Formen der Erdwärme sind.

Dieser Vergleich hinkt allerdings ein bißchen, denn bei Geothermie entfallen die Brennstoffkosten. Insofern kann man bei der geothermischen Stromerzeugung auch mit Wirkungsgraden um zehn Prozent zufrieden sein. Hinzu kommt, daß die Stromgewinnung in aller Regel nicht der alleinige Zweck ist, sondern eher als Nebenprodukt bei der Wärmeversorgung anfällt. Sie eignet sich beispielsweise hervorragend, um in der warmen Jahreszeit, wenn die Heizzentrale stillsteht, das überschüssige Angebot an Erdwärme zu verwerten.

Die ORC-Anlage in Neustadt-Glewe

Am 12. November 2003 wurde in Deutschland die erste ORC-Anlage zur Erzeugung von Strom aus Erwärme in Betrieb genommen. Sie befindet sich in Neustadt-Glewe, wo die Erdwärme bereits seit 1995 den größten Teil des Fernwärmebedarfs der ostdeutschen Kleinstadt deckt. Sie nutzt das 98 Grad heiße Wasser aus einer Tiefe von 2250 Metern, soweit dieses nich für für den eigentlichen Zweck der Fernwärmeversorgung benötigt wird. Der Generator kann deshalb nur im Sommer seine maximale elektrische Leistung von 155 Kilowatt erbringen. Bei winterlichen Temperaturen (unter minus fünf Grad) muß das kleine Geothermie-Kraftwerk sogar ganz abgestellt werden, da dann das Thermalwasser ohne Temperatureinbußen für die Fernwärmeversorgung benötigt wird.

Als Arbeitsmedium verwendet die Anlage in Neustadt-Glewe den Stoff Perfluorpetan, der unter Normaldruck bereits bei 31 Grad verdampft und ein 22fach höheres Molekulargewicht als Wasser hat. In der ORC-Anlage verdampft er unter einem Druck von etwa 4 bar bei etwa 75 Grad Celsius und treibt eine Turbine, deren einstufiger Schaufelkranz mit 3000 Umdrehungen pro Minute rotiert und getriebelos mit dem Generator gekoppelt ist. Auf diese Weise kann das Thermalwasser, das mit einer Temperatur von 98 Grad für den Betrieb einer Wasserdampfturbine bei weitem nicht ausreichen würde, dennoch energetisch genutzt werden. Beim Austritt aus dem Wärmetauscher hat das für die Stromerzeugung abgezweigte Thermalwasser noch eine Temperatur von 71 Grad. Es wird dann wieder mit dem Hauptstrom vereinigt, der von der Förderpumpe direkt zum Wärmetauscher im Heizhaus fließt. Dort überträgt das Thermalwasser seine Wärme an den Heizkreislauf, bevor es wieder in den Boden zurückgepumpt wird (eine direkte Verwendung des Thermalwassers für die Fernwärmeversorgung kommt wegen seiner Salzhaltigkeit nicht in Frage).

Hoher Eigenverbrauch verringert die effektive Stromerzeugung

Der Wirkungsgrad solcher ORC-Anlagen beträgt bei einer Thermalwassertemperatur von 100 Grad Celsius etwa 6,5 Prozent, bei 120 Grad 9 Prozent und steigt bis 200 Grad auf etwa 13 Prozent an. Noch nicht berücksichtigt ist dabei allerdings der Eigenverbrauch des ORC-Kraftwerks. Viel Strom benötigen vor allem die Pumpen, die das heiße Wasser fördern und wieder in den Untergrund zurückpressen. Bei Berücksichtigung dieses Pumpaufwands sinkt der Gesamtwirkungsgrad des ORC-Kraftwerks erheblich. Beispielsweise verbraucht in Neustadt-Glewe allein die Pumpe zur Förderung des Thermalwassers 140 Kilowatt. Hinzu kommen bis zu 15 Kilowatt für die Pumpe, die das Kühlwasser für den Kondensator umwälzt. Dieser Strombedarf muß eigentlich - soweit er sich eindeutig der Stromproduktion zurechnen läßt - von der schon recht geringen Leistung des ORC-Kraftwerks abgezogen werden. Man gerät dann bei geringen Temperaturen und Thermalwassermengen sogar schnell in einen Bereich, wo der Eigenverbrauch die Generatorleistung übersteigt. So beträgt in Neustadt-Glewe der Eigenverbrauch sechzig bis siebzig Prozent der Generatorleistung. Die Leistungsbilanz wäre sogar negativ, wenn man nicht anstelle von Luftkühltürmen die effektiveren Wasserkühltürme verwendet hätte.

Nun wird allerdings Strom aus Geothermie aufgrund des Erneuerbare-Energien-Gesetzes vergleichsweise hoch subventioniert. Für den Betreiber eines solchen Kleinkraftwerks ist es deshalb vorteilhafter, den Eigenverbrauch der Anlage aus dem Netz der allgemeinen Stromversorgung zu decken, anstatt ihn von der eigenen Erzeugung abzuzweigen. Wenn er beispielsweise als Industriekunde die Kilowattstunde für neun Cent erhält, liegt die Vergütung für für den geothermisch erzeugten Strom um sechs Cent höher. Unter diesen Umständen könnten geothermische Kraftwerke selbst dann noch rentabel sein, wenn sie dem Netz mehr Strom entziehen als zuführen - sicher ein Widersinn, der bei der nächsten Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes bedacht werden sollte.

Das erste geothermische Kraftwerk in Deutschland ist somit nicht gerade ein Muster für leistungsstarke Stromerzeugung. Seine Besonderheit liegt woanders: Es demonstriert die untere Grenze, an der die Verstromung von Erdwärme noch sinnvoll sein kann.