Geothermiekraftwerke

Geothermiekraftwerke Übung

• Beschreibe die Erdwärme.

  Tipps

  Kalium und Uran sind zwei radioaktive Elemente, die auf der Erde natürlich vorkommen.

  Wenn ein Vulkan ausbricht, fließt das heiße Magma heraus.

  Lösung

  Die Erdwärme entsteht durch den natürlichen, radioaktiven Zerfall von Uran und Kalium. Dabei wird genug Energie frei, um das Gestein im Erdinneren zu schmelzen. Das flüssige Gestein wird auch als Magma bezeichnet. Dort, wo die Erdkruste besonders gering ist, beispielsweise in vulkanischen Gebieten oder am Rande der Kontinentalplatten, kommt das Magma bis an die Oberfläche. Die Erdwärme kann man dort besonders gut nutzen und auch zur Stromerzeugung einsetzen.

• Beschreibe die Stromerzeugung im Erdwärmekraftwerk.

  Tipps

  Die Erdwärme entsteht im Erdkern durch radioaktive Zerfälle.

  Wenn Wasser verdampft, dehnt es sich sehr stark aus und erhöht so den Druck.

  Lösung

  Das Geothermiekraftwerk erzeugt elektrische Energie aus der Erdwärme, die im Erdkern durch radioaktive Zerfälle entsteht. Sie ist besonders dort gut nutzbar, wo zwei Kontinentalplatten aufeinandertreffen und das flüssige Gestein aus dem Erdkern durch vulkanische Aktivität bis dicht unter die Oberfläche gelangt.

  Die Erdwärme wird dann genutzt, indem man Wasser durch die Injektionsbohrung in den Erdboden pumpt, wo es verdampft. Weil sich das Wasser beim Verdampfen sehr stark ausdehnt, erzeugt es einen hohen Druck, der den heißen Wasserdampf durch die Produktionsbohrung an die Erdoberfläche und durch die Rotoren einer Dampfturbine drückt. Diese treibt schließlich den Generator an, der den elektrischen Strom erzeugt. Das Wasser kann schließlich abkühlen, sodass es kondensiert und dem Kreislauf wieder zugeführt werden kann.

• Erschließe die Temperaturzonen im Erdinneren.

  Tipps

  Der obere Erdmantel liegt weniger tief unter uns als der untere.

  Die Temperatur steigt mit der Tiefe immer weiter an.

  Lösung

  Unter unseren Füßen befindet sich die feste Erdkruste, die feste äußere Schale der Erde. Die Dicke der Erdkruste variiert auf der Erde sehr stark von nur wenigen Kilometern bis zu etwa 170 km und auch die Temperatur des Erdbodens ist sehr unterschiedlich. Im Allgemeinen steigt die Temperatur der Erdkruste allerdings bis auf etwa 450°C an.

  Darunter folgen der obere Erdmantel, der sich bis in eine Tiefe von 900 Kilometern erstreckt und der untere Erdmantel, der bis in eine Tiefe von 2900 Kilometern reicht. Die Temperatur des oberen Erdmantels steigt mit der Tiefe bis auf 1400°C an und im unteren Erdmantel steigt sie weiter an bis auf 3000°C.

  Unter dem Erdmantel beginnt der Erdkern, der sich wiederum in den äußeren und den inneren Erdkern aufteilt. Der äußere Erdkern reicht bis in eine Tiefe von 5100 Kilometern und wird bis zu 4000°C heiß. Im inneren Erdkern werden schließlich Temperaturen von bis zu 6700°C erreicht. Der innere Erdkern umschließt auch den Erdmittelpunkt in 6371 Kilometern Tiefe.

• Bestimme die Temperaturzonen in der Erdkruste.

  Tipps

  Die obersten Erdschichten können im Winter gefrieren.

  Der äußere Erdmantel ist bereits mehr als 1500°C heiß.

  Lösung

  Direkt unter unseren Füßen beginnt die saisonale Zone im Erdboden. Diese Zone wird stark durch die Temperatur an der Oberfläche und auch durch die Jahreszeiten und die Sonneneinstrahlung beeinflusst. Hier reichen die Bodentemperaturen von etwas unter Null bis zu 12 °C. Die Schwankungen werden allerdings geringer, je tiefer man in dieser Schicht gräbt. Die saisonale Zone ist etwa 15 Meter tief.

  Im Anschluss folgt die neutrale Zone, in der die Temperatur konstant bei etwa 10 °C liegt. Die Zone wird durch die Erdwärme von unten geheizt und gibt diese Temperatur langsam an die oberen Erdschichten weiter. Die neutrale Zone reicht etwas bis in eine Tiefe von 50 Metern.

  Unter der neutralen Zone beginnt sich der Erdboden langsam immer weiter zu erwärmen. Hier spricht man deshalb von einem Temperaturgradienten. Die Temperatur nimmt alle 100 Meter um etwa 3°C zu. In etwa 30 bis 50 Kilometern Tiefe schließt sich dann der äußere Erdmantel an die Erdkruste an, der bereits teilweise aus flüssigem Magma besteht.

  Um eine Temperatur von 100 °C zu erreichen, müsste man nach den ersten 50 Metern noch tief genug weiter bohren, um die Temperatur um weitere 90°C anzuheben. Da die Temperatur nur alle 100 Meter um etwa 3°C ansteigt, müsste man $30\cdot100\text{ Meter}=3000\text{ Meter}$ weiter bohren, um die Temperatur von 100°C zu erreichen. Erst in 3 Kilometern Tiefe erreicht man also die gewünschte Temperatur.

• Nenne die Nutzungsmöglichkeiten der Erdwärme.

  Tipps

  Auf Island gibt es viele heiße Quellen und Thermalbäder.

  Dampfturbinen werden durch heißen Wasserdampf angetrieben.

  Lösung

  Erdwärme kann entweder direkt als Wärmeenergie genutzt oder in einem Wärmekraftwerk in elektrische Energie gewandelt werden. Wenn man die Wärme direkt nutzt, kann man beispielsweise Gebäude heizen oder in den natürlichen Thermalquellen baden, die ebenfalls durch die Erdwärme gespeist werden. Um mit der Erdwärme Strom zu erzeugen, pumpt man zunächst Wasser in den Erdboden, das dort bei hohen Temperaturen verdampft. Dieser Dampf treibt dann Dampfturbinen an, die den Strom erzeugen.

• Bestimme die geothermische Flächenleistung.

  Tipps

  Ein Quadratkilometer entspricht einer Million Quadratmeter.

  Lösung

  Die Wärmeleistung der Erde ist die Energie pro Sekunde, die aus dem Inneren der Erde an den Erdboden dringt, also

  $P=357\text{ Mio.}\dfrac{\text{MJ}}{\text{s}}=357\text{ Mio. MW}$.

  Wenn man nun diese Leistung durch die gesamte Oberfläche der Erde teilt, ergibt sich die Heizleistung pro Fläche als

  $\dfrac{357\text{ Mio. MW}}{510\text{ Mio. km}^2}=0,7\dfrac{\text{W}}{\text{m}^2}$.

  Dies entspricht einem Hundertstel, also einem Prozent der Leistung einer Fußbodenheizung.