Über Geothermie

Mit den steigenden Kosten für Brennstoff und Strom hat die Geothermie eine vielversprechende Zukunft. Unterirdische Wärme kann überall auf der Erde gefunden werden, nicht nur dort, wo Öl gepumpt wird, Kohle gefördert wird, wo die Sonne scheint oder wo der Wind weht. Und es wird rund um die Uhr und mit relativ geringem Verwaltungsaufwand produziert. So funktioniert Geothermie.

Geothermische Gradienten

Egal wo Sie sind, wenn Sie die Erdkruste durchbohren, werden Sie irgendwann auf glühenden Stein stoßen. Die Bergleute stellten zum ersten Mal im Mittelalter fest, dass tiefe Minen am Boden warm sind, und sorgfältige Messungen seitdem haben ergeben, dass festes Gestein mit zunehmender Tiefe stetig wärmer wird, sobald die Oberflächenschwankungen überwunden sind. Im Durchschnitt geothermischer Gradient beträgt etwa ein Grad Celsius pro 40 Meter Tiefe oder 25 C pro Kilometer.

Aber Durchschnittswerte sind nur Durchschnittswerte. Im Detail ist der geothermische Gradient an verschiedenen Stellen viel höher und niedriger. Hohe Gefälle erfordern eines von zwei Dingen: heißes Magma, das nahe an der Oberfläche aufsteigt, oder reichlich vorhandene Risse, die es dem Grundwasser ermöglichen, Wärme effizient an die Oberfläche zu transportieren. Beides reicht für die Energieerzeugung aus, aber beides ist am besten.

Ausbreitungszonen

Magma erhebt sich dort, wo die Kruste auseinandergezogen wird, um divergierende Zonen entstehen zu lassen. Dies geschieht beispielsweise in den Vulkanbögen über den meisten Subduktionszonen und in anderen Bereichen der Krustenausdehnung. Die weltweit größte Ausdehnungszone ist das Mid-Ocean Ridge-System, in dem die berühmten, brutzelnd heißen schwarzen Raucher zu finden sind. Es wäre großartig, wenn wir die Wärme von den sich ausbreitenden Graten abfangen könnten, aber das ist nur an zwei Orten möglich, Island und dem Salton Trough von Kalifornien (und Jan Mayen Land im Arktischen Ozean, wo niemand lebt)..

Gebiete mit kontinentaler Verbreitung sind die nächstbeste Möglichkeit. Gute Beispiele sind die Region Basin and Range im Great Rift Valley des amerikanischen Westens und Ostafrikas. Hier gibt es viele Gebiete mit heißen Steinen, die über den Eingriffen junger Magmen liegen. Die Wärme steht zur Verfügung, wenn wir durch Bohren dorthin gelangen und die Wärme durch Pumpen von Wasser durch das heiße Gestein extrahieren können.

Bruchzonen

Heiße Quellen und Geysire im gesamten Becken und in der Range weisen auf die Bedeutung von Brüchen hin. Ohne die Frakturen gibt es keine heiße Quelle, nur verstecktes Potenzial. Frakturen unterstützen heiße Quellen an vielen anderen Stellen, an denen sich die Kruste nicht ausdehnt. Die berühmten Warm Springs in Georgia sind ein Beispiel, ein Ort, an dem seit 200 Millionen Jahren keine Lava mehr geflossen ist.

Steam Fields

Die besten Orte, um Erdwärme zu nutzen, haben hohe Temperaturen und viele Brüche. Tief im Boden werden die Bruchräume mit reinem Heißdampf gefüllt, während Grundwasser und Mineralien in der kühleren Zone über dem Boden den Druck abdichten. Das Anzapfen einer dieser Trockendampfzonen ist so, als hätte man einen riesigen Dampfkessel zur Hand, den man an eine Turbine anschließen kann, um Strom zu erzeugen.

Der beste Ort der Welt dafür ist der Yellowstone-Nationalpark. Es gibt heute nur drei Trockendampffelder, die Strom produzieren: Lardarello in Italien, Wairakei in Neuseeland und The Geysers in Kalifornien.

Andere Dampffelder sind feucht - sie produzieren sowohl kochendes Wasser als auch Dampf. Ihre Effizienz ist geringer als die der Trockendampffelder, aber Hunderte von ihnen machen immer noch Gewinn. Ein wichtiges Beispiel ist das Geothermiefeld Coso in Ostkalifornien.

Geothermische Kraftwerke können in heißem Trockengestein einfach durch Bohren und Brechen gestartet werden. Dann wird Wasser abgepumpt und die Wärme in Dampf oder heißem Wasser gewonnen.

Elektrizität wird entweder erzeugt, indem das unter Druck stehende heiße Wasser bei Oberflächendruck in Dampf umgewandelt wird oder indem ein zweites Arbeitsfluid (wie Wasser oder Ammoniak) in einem separaten Rohrleitungssystem verwendet wird, um die Wärme zu extrahieren und umzuwandeln. Derzeit werden neuartige Verbindungen als Arbeitsflüssigkeiten entwickelt, die die Effizienz ausreichend steigern könnten, um das Spiel zu verändern.

Geringere Quellen

Normales Warmwasser ist nützlich für die Energiegewinnung, auch wenn es nicht zur Stromerzeugung geeignet ist. Die Wärme selbst ist nützlich in Fabrikprozessen oder nur zum Heizen von Gebäuden. Die gesamte isländische Nation ist dank der heißen und warmen Geothermie, die vom Antrieb von Turbinen bis zur Beheizung von Gewächshäusern reicht, nahezu autark.

Geothermische Möglichkeiten aller Art werden in einer nationalen Karte des geothermischen Potenzials gezeigt, die 2011 auf Google Earth veröffentlicht wurde. Die Studie, die diese Karte erstellt hat, schätzte, dass Amerika zehnmal so viel geothermisches Potenzial hat wie die Energie in all seinen Kohlebetten.

Nützliche Energie kann auch in flachen Löchern gewonnen werden, in denen der Boden nicht heiß ist. Wärmepumpen können ein Gebäude im Sommer kühlen und im Winter erwärmen, indem sie die Wärme von einem wärmeren Ort abführen. Ähnliche Schemata funktionieren in Seen, in denen dichtes, kaltes Wasser auf dem Seegrund liegt. Das Quellkühlsystem der Cornell University ist ein bemerkenswertes Beispiel.