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Strom und Wärme aus der Tiefe

von Hans Christian Schröder, René Schiemann

Die geothermische Energieerzeugung gilt als Zukunftstechnologie und zugleich als besonders anspruchsvoll. Geologische, bohrtechnische, vor allem aber verfahrens- und anlagentechnische Herausforderungen verlangen ein ganzheitliches Kraftwerkskonzept. Damit auf einer fündigen Bohrung auch ein wirtschaftlich arbeitendes Geothermiekraftwerk entsteht, berücksichtigen Hans Christian Schröder und René Schiemann den funktionalen Zusammenhang aller beteiligten Teilsysteme.

Im Jahr 2008 wurden – trotz der Finanzkrise – weltweit rund 85 Mrd. Euro in regenerative Energien investiert und damit viermal soviel wie 2004. Mit knapp 150 Prozent entfiel die höchste Wachs tumsrate dabei auf die Geothermie, wo 1.300 Megawatt Kraftwerksleistung hinzugekommen sind. Im Vergleich zur Wind- oder zur Solarenergie hat sie, prozentual gesehen, den größten Sprung gemacht. In Deutschland spielt vor allem die hydrothermale Geothermie eine Rolle. Mit 3.000 m bis 4.000 m sind hier zu Lande allerdings extreme Bohrtiefen für eine wirtschaftliche Stromerzeugung nötig, was erheblichen technischen und finanziellen Aufwand bedeutet.
Wenn eine Tiefenbohrung nicht auf Anhieb Thermalwasser in den angenommenen Temperaturverhältnissen zu Tage fördert, kann die Erschließungsbohrung nachträglich nicht oder nur mit aufwändigen Maßnahmen entwickelt werden. Eine gewisse Überdimensionierung der Bohrungen und Reserven im Finanzierungskonzept können daher sinnvoll und auch notwendig sein. Neben dem so genannten Fündigkeitsrisiko und den damit verbundenen Bohrkosten sind die anlagentechnischen Auswirkungen der geförderten Fluide zu berücksichtigen. Die verschiedenen Thermalwässer können je nach Bohrtiefe einen bis zu zehnfach höheren Salzgehalt als Meerwasser haben. Die gesamte Infrastruktur einer Geothermieanlage muss daher z. B. auch gegen Korrosiogeschützt werden.
Je nach geothermischem Reservoir unterscheiden sich auch die Druckspiegel. Müssen in einem Fall besonders druckleistungsstarke Förderpumpen verwendet werden, sind in einem anderen Fall hohe Reinjektionsdrücke nötig. Werkstoffe und Bauteile sollten spezifisch geeignet sein oder entsprechend ausgewählt, dimensioniert beziehungsweise angepasst werden. Darüber hinaus sind chemische Ausfällungsreaktionen und Ablagerungen zu kontrollieren.

Schwachstellen systematisch aufdecken

Für eine hohe Verfahrenssicherheit müssen bei der Anlagentechnik zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden. Ziel ist eine dauerhaft funktionsfähige Baugruppe, wie sie bei geothermischen Anlagen aus Thermalwasserkreis, Maschinenanlagen, Kraftwerk, Rohrleitungen, Hilfsanlagen, E- und Leittechnik besteht. Auch wenn die Rohrleitungen, Pump-, Aufbereitungs- und Filtrationsanlagen sowie alle Anlagenmodule der Förder- und Injektionsbohrung individuell ausgelegt und geprüft werden müssen, ist die komponentenorientierte Schwachstellenanalyse allein nicht zielführend. Das Verfahrens- und Betriebskonzept muss die technischen Prozesse und den späteren Anlagenbetrieb einbeziehen. Bereits für den Bewertungsprozess sollten alle Projektbeteiligten zusammenarbeiten.
Wie auch bei der späteren Realisation des Kraftwerks sind hier zwangsläufig Kompromisse einzugehen. Durch die zahlreichen Schnittstellen komplexer System- und Komponentenlösungen entstehen häufig Probleme, die sich wesentlich auf die zu erwartende Qualität der Anlagenprozesse auswirken können. Um diese Mängel von der Entwurfsphase über die Bauausführung bis hin zur Abnahme vor Inbetriebnahme der Anlage systematisch zu vermeiden, ist ein erfahrener Baubegleiter nötig. Für die Inbetriebnahme ist dann eine umfassende Gefahrenanalyse notwendig. Hierbei werden neben dem Normalbetrieb u. a. Anfahr- und Abfahrzustände sowie Störfälle untersucht und bewertet. Zu den zentralen Erfolgsfaktoren für eine hohe Anlagenverfügbarkeit gehört bspw. die ganzheitliche verfahrens- und anlagentechnische Bewertung der Daten aus den ersten Pumptests der Förderbohrung.

Varianten für die Stromerzeugung klären

Die geothermische Stromerzeugung erfolgt nach denselben Grundprinzipien wie bei einem mit fossilen Energieträgern befeuerten Turbinenkraftwerk. Gegenüber konventionellen Turbinenkraftwerken herrschen in dem für die Dampfturbine bereitgestellten Heißwasser in Erdwärme- Kraftwerken deutlich niedrigere Druck und
Temperaturbedingungen. Dadurch sind aus thermodynamischen Gründen Systemanpassungen erforderlich. Hierzu zählt z. B. der Einsatz von Ammoniak, n- Pentan oder Isobutan bei der Dampferzeugung für den Turbinenbetrieb – je nach dem verwendeten Verfahren. Eine Verfahrenslösung zur Stromerzeugung ist die Kalina-Technik. Die Temperatur des Thermalwassers aus der Förderbohrung heizt einen zweiten Kreislauf mit einem Ammoniak-Wasser-Gemisch auf. Das Zweistoffgemisch siedet bereits bei relativ niedrigen Temperaturen und der entstehende Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Durch das Kalina-Verfahren lassen sich deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen als bei dem bisher gebräuchlichen Organic-Rankine-Cycle (ORC). Die Abläufe der Stoffumwandlung der Betriebsmedien im Wärmekreislaufsystem müssen in der Gefährdungsanalyse besonders berücksichtigt werden.

Risikoorientierte Instandhaltung und Risikomatrix

Ein weiterer Baustein eines effizienten Kraftwerkskonzepts für die Geothermie ist die Risikoeinstufung der einzelnen Anlagenbereiche und die darauf basierende Instandhaltungsstrategie. Mit dem von TÜV SÜD entwickelten Ansatz der risikoorientierten Instandhaltung (TÜV-RoiM) lassen sich detaillierte und angepasste Instandhaltungs- und Inspektionspläne für die Anlagen entwickeln. Zentraler Bestandteil ist die Bewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit und Identifikation kritischer und unkritischer Komponenten. So können Bauteile herausgefiltert werden, für die besondere Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich sind sowie unkritische Komponenten, für die Instandhaltungsmaßnahmen im wesentlich geringeren Umfang ausreichen. Um die Risiken für die Teilsysteme und komponenten zu bestimmen, wird die Anlage zunächst in logische funktionale Einheiten unterteilt. Weiterhin werden Schadensarten und Folgeketten ermittelt. Dann werden die Wahrscheinlichkeit und die möglichen Folgen eines Ausfalls einzelner Komponenten ausgewertet. Die Einstufung resultiert aus der Betrachtung und Bewertung der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Fehlers und seiner Konsequenzen. Dargestellt wird dies in einer so genannten Risikomatrix. Weil mit dem Konzept ein optimaler Mix aus schadensbezogener, periodischer oder zustandsorientierter Instandhaltung gelingt, lassen sich dieBetriebs- und Wartungskosten bei zugleich optimierten Prüfintervallen senken.

rene.schiemann@tuev-sued.de
hanschristian.schroeder@tuev-sued.de