Grundlagen der Energiegewinnung: Geothermie, Windkraft und KWK

Geothermische Reservoire und Lagerstätten

Hydrothermale Lagerstätten

Die hydrothermale Lagerstätte enthält Wasser im Erdinneren, das durch Niederschlag (Regen, Schneeschmelze) und Flüsse in den Boden gelangt. Das Wasser kann je nach Druck (P) und Temperatur (T) im Reservoir gasförmig oder flüssig vorliegen.

Die Oberfläche wird gebildet durch:

• Deckschicht aus hitzeundurchlässigem Gestein.

Durch die Wärme steigt die Temperatur des Wassers und damit der Druck. Bei sehr hohen Temperaturen (T) entsteht Wasserdampf. Der Wasserdampf oder das Wasser durchdringt das undurchlässige Gestein und steigt auf, wobei es unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten nutzt.

Geopressurierte Lagerstätten

Diese Lagerstätten ähneln den hydrothermalen, jedoch steht das Wasser/der Dampf unter tieferem und höherem Druck. Sie liegen typischerweise bei etwa 200 °C. Oft findet man bei diesen Temperaturen auch Erdgas, sodass drei Arten von Energie gewonnen werden können:

1. Der thermische Wert des Wassers (Heizwert).
2. Der Druck des Wassers.
3. Die chemische Energie des Erdgases.

Hot-Dry-Rock-Lagerstätten (HDR)

Diese Lagerstätten bestehen aus heißem, wasserundurchlässigem Gestein und können Temperaturen von bis zu 300 °C erreichen. Normalerweise befindet sich keine Flüssigkeit im Gestein. Das große Problem ist, dass das gesamte Gestein undurchlässig ist und Wasser nicht von einer Seite zur anderen zirkulieren kann.

Windenergie

Ursachen des Windes

Wind wird verursacht durch:

• Die Sonneneinstrahlung, welche die Luft erwärmt und zum Aufsteigen bringt. Kalte Luftmassen treten an deren Stelle, wodurch Wind entsteht.
• Die Wetterbedingungen eines Ortes.
• Die Rotation der Erde.

Klassifizierung von Windkraftanlagen

Horizontalachsen-Windkraftanlagen

Sie sind aufgrund ihrer technologischen und kommerziellen Reife am weitesten verbreitet. Ihr Betrieb besteht darin, eine vertikale Achse auf dem Boden zu errichten und Rotorblätter in Windrichtung auszurichten, damit diese bewegt werden.

• Niedrige Leistung (bis 50 kW): Die Anzahl der Blätter ist in der Regel hoch (bis zu 24). Sie werden oft in ländlichen Gebieten zur Wasserförderung oder als elektrische Unterstützung für Wohnungen eingesetzt.
• Hohe Leistung (mehr als 50 kW): Sie haben in der Regel 3 Flügel mit aerodynamischen Profilen (ähnlich der Luftfahrt). Sie benötigen Winde über 5 m/s, um sich zu bewegen. Der Ertrag steigt mit der Windgeschwindigkeit, wobei die maximale Leistung bei einer Windgeschwindigkeit von 15 m/s erreicht wird. Oft werden mehrere Windkraftanlagen in einem Gebiet zu Windparks verbunden.

Vertikalachsen-Windkraftanlagen

Sie sind weniger weit fortgeschritten als die Horizontalachsen-Anlagen, aber ihre Nutzung wird in Zukunft gerechter werden. Die bekanntesten Typen sind:

• Darrieus-Windkraftanlage
• Savonius-Anlage

Typen von Wasserkraftwerken

Klassische Wasserkraftwerke

• Kleinwasserkraftwerke (Captive): Sie haben eine Leistung von weniger als 10 MW. Über viele Jahre hinweg waren sie die Hauptversorgungsquelle für kleine Städte und Unternehmen in der Nähe von Flüssen.
• Großwasserkraftwerke (Grand Central): Sie haben eine Leistung von über 10 MW. Sie werden in der Regel in Einzugsgebieten von Flüssen mit großen Strömen errichtet.

Pumpspeicherkraftwerke

• Reine Pumpspeicherkraftwerke: Sie verfügen über zwei Stauseen. Während Zeiten erhöhter Nachfrage werden die Tore geöffnet, um Wasser in eine Turbine fallen zu lassen und durch Rotation Strom zu erzeugen. Bei geringer Nachfrage wird überschüssige Energie genutzt, um das Wasser vom unteren in den oberen Stausee zu pumpen.
• Gemischte Pumpspeicherkraftwerke: Sie können die gleiche Funktion wie die reinen Pumpspeicherkraftwerke erfüllen, auch ohne das Pumpen von Wasser aus dem unteren in den oberen Stausee. Da dieser See von einem Fluss gespeist wird, muss Wasser nur dann gepumpt werden, wenn ein Energieüberschuss oder ein geringer Wasserfluss vorliegt.

KWK-Systeme (Kraft-Wärme-Kopplung)

Derzeit verfügen viele Industrien über eigene elektrische Generatoren, da die selbst erzeugte Energie die Stromrechnung senkt. Gewöhnlich werden zwei Modelle verwendet:

KWK mit Dieselmotoren

Der Betrieb besteht darin, einen Standard-Dieselmotor über einen Generator zur Stromerzeugung zu betreiben. Die überschüssige Wärme wird normalerweise über einen Kühler oder einen Ventilator abgeführt oder über Kanäle zur Wärmeerzeugung genutzt.

KWK mit Gasturbinen (Dampf)

Der Betrieb ähnelt dem von Flugzeugtriebwerken. Sie werden dort eingesetzt, wo eine Leistung von mehr als einem Megawatt erforderlich ist. Als Brennstoff werden Erdgas, Biogas, Kerosin usw. verwendet. Selbstverständlich wird die thermische Energie genutzt.

Sparmöglichkeiten und Energieeffizienz

Heizung

• Wände isolieren.
• Türen nach außen schließen.
• Fenster nur für 10 Minuten zum Lüften öffnen.
• Doppelt verglaste Fenster verwenden.

Beleuchtung und Elektronik

• Stecker von Transformatoren und individuellen Ladegeräten für Elektronik ziehen.
• Alle Lampen und Geräte ausschalten, wenn sie nicht in Gebrauch sind.

Wichtige Formeln der Energietechnik

Wasserkraft (Theoretische Leistung und Energie)

P = 9,8 · Q · h

• P = Theoretische Leistung in kW
• Q = Wasserfluss in m³/s
• h = Höhe in Metern

E = P · t = 9,8 · Q · h · t

• E = Theoretische Energie in kWh
• t = Zeit in Stunden

Wärme (Solarstrahlung)

Q = K · t · S

• K = Konstante der Sonnenstrahlung
• t = Zeit in Minuten
• S = Querschnitt oder Fläche in cm²
• Q = Wärme in Kalorien

Windkraft (Leistung)

P_Wind = 0,37 · S · v³

• P = Leistung in Watt
• S = Querschnitt in m²
• v = Windgeschwindigkeit in m/s

Allgemeine Thermodynamik

Q = m · P_c

E = m · C_e · (T_f - T_i)

Brennwert und Wirkungsgrad

P_c (real) = P_c · p · [273 / (273 + t°)]

E_geliefert = P_c (real) · V

E_nutzbar = m · C_e · (T_f - T_i)

Wirkungsgrad = E_nutzbar / E_geliefert