Geothermie-Grundlagen – Umwandlung von Erdwärme in Strom mit Flash- und Binärsystemen

Anders als Solar- und Windenergie ist Geothermie nicht vom Wetter abhängig. Die Wärme des Magmas tief unter der Erde ist Tag und Nacht, bei Regen oder Sonnenschein vorhanden. Deshalb gilt Geothermie seit Langem als „die erneuerbare Energiequelle, die als Grundlastkraftwerk dienen kann“. Und doch ist die installierte Kapazität Japans, das am Pazifischen Feuerring liegt und über eines der weltweit größten geothermischen Vorkommen verfügt, im Verhältnis zu diesem Potenzial gering. Die Diskrepanz hat weniger mit den physikalischen Eigenschaften des Dampfes selbst zu tun als vielmehr damit, wie schwierig es ist, die tatsächlichen Geothermievorkommen unter der Erde zu bestimmen, und mit den gesellschaftlichen Interessenkonflikten an der Oberfläche. Dieser Artikel erläutert die beiden grundlegenden Technologien – Flash- und Binärsysteme – sowie den Prozess der Ressourcenbewertung, Japans Regulierungsrahmen und Demonstrationsprojekte für Technologien der nächsten Generation.

Die Kernaussage in 30 Sekunden

– Die Nutzung eines unterirdischen Geothermie-Reservoirs für die Energiegewinnung hängt von drei Faktoren ab: Wärme, Wasser und Permeabilität (die Poren, durch die Wasser fließen kann). Die eingesetzte Technologie unterscheidet sich je nach Ressource, aus der Hochtemperaturdampf direkt gewonnen werden kann, und solchen mit mittleren bis niedrigen Temperaturen, die zwar heißes Wasser enthalten, aber keinen Dampf erzeugen.

• Hochtemperaturressourcen im Bereich von 200–350 °C eignen sich für das Entspannungsverfahren (bei dem eine Turbine direkt mit dem vom Wasser getrennten Dampf angetrieben wird). Ressourcen mit mittleren bis niedrigen Temperaturen um 80–150 °C eignen sich für das Binärverfahren (ein geschlossener Rankine-Kreislauf mit einem niedrigsiedenden Arbeitsmedium).

• Japans Geothermie-Ressourcen zählen zu den drittgrößten der Welt, doch die installierte Kapazität deckt nur einen Teil davon ab. Die Gründe dafür sind vielfältig: Lange Entwicklungszeiten, das Risiko von Explorationsfehlern, Nationalparkvorschriften und die Koordination mit Betreibern von Thermalquellen spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Geothermie ist eine Ressource, deren Potenzial sich erst durch Bohrungen vollständig erschließen lässt. Selbst nach der Erhebung von Vertrauen durch geophysikalische Untersuchungen und chemische Analysen wird die Wirtschaftlichkeit eines Projekts oft erst durch die Bohrung von Förderbrunnen bestätigt, und die Entwicklungszeiten betragen üblicherweise mehr als zehn Jahre.

Als Technologie der nächsten Generation wird derzeit an EGS (Enhanced Geothermal Systems) geforscht, die die Durchlässigkeit künstlich erhöhen, sowie an der Erschließung tieferliegender superkritischer Geothermalfluide. Beide befinden sich noch im Demonstrationsstadium, eine Kommerzialisierung ist noch in weiter Ferne.

1. Was ist eine Geothermiequelle? – Die drei Bedingungen: Wärme, Wasser und Durchlässigkeit

Je tiefer man in die Erde vordringt, desto heißer wird es. Der durchschnittliche geothermische Gradient der Erdkruste beträgt etwa 25–30 °C pro Kilometer. In vulkanischen Gebieten kann jedoch eine Magmakammer nahe der Oberfläche aufsteigen und einen deutlich steileren lokalen Temperaturanstieg verursachen. Wärme allein reicht nicht zur Stromerzeugung aus. Erst wenn Wasser zum Abtransport der Wärme und Durchlässigkeit (hoch wasserdurchlässige Klüfte oder poröse Strukturen, die den Wasserdurchfluss im Gestein ermöglichen) vorhanden sind, entsteht ein wirtschaftlich nutzbares Geothermiereservoir.

Die Ressourcenerkundung beginnt mit der Eingrenzung vielversprechender Standorte anhand von oberflächennahen heißen Quellen, Fumarolen und geologischen Strukturen. Widerstandsmessungen (elektromagnetische Messungen wie die MT-Methode) schätzen die Ausbreitung von unterirdischem Heißwasser ab, während die geochemische Thermometrie – die Rückrechnung der Untergrundtemperatur aus der chemischen Zusammensetzung von Gas und Wasser – die Qualität der Ressource bewertet. Dies sind jedoch nur indirekte Hinweise; ob Dampf oder Heißwasser tatsächlich in wirtschaftlich nutzbaren Mengen vorhanden ist, lässt sich erst nach dem Bohren einer Bohrung feststellen. Das Bohren einer einzelnen Explorationsbohrung kostet Hunderte Millionen Yen und ist zeitaufwändig; es kommt nicht selten vor, dass sich eine Bohrung selbst nach dem Bohren als wirtschaftlich nicht rentabel erweist. Dieses vom Projektentwickler getragene „Explorationsrisiko“ ist ein Merkmal, das die Geothermie deutlich von anderen erneuerbaren Energien unterscheidet.

Abbildung 1 – Ein Geothermalkraftwerk wandelt Dampf und Heißwasser, das über einen Förderbrunnen aus dem Reservoir gefördert wird, in oberirdischen Strom um und leitet das verbrauchte Wasser anschließend über einen Injektionsbrunnen in dieselbe Schicht zurück. Diese Rückführung ist die grundlegende Konstruktionsentscheidung, die Ressourcenerschöpfung und Bodensenkungen verhindert.

2. Entspannungsverdampfung – Direkte Nutzung von Hochtemperatur-Dampf aus dem Erdreich

Bei der Entspannungsverdampfung wird das unter hohem Druck stehende Gemisch aus Heißwasser und Dampf aus dem Untergrund durch einen Separator geleitet. Dadurch sinkt der Druck, sodass das Gemisch schlagartig verdampft („verdampft“) und sich in Dampf und Sole trennt. Der abgetrennte Dampf treibt direkt die Turbine an und treibt den Generator an. Die verbleibende Sole kann unter noch niedrigerem Druck ein zweites Mal entspannt werden, um zusätzlichen Dampf zu gewinnen – dies wird als Doppelentspannung bezeichnet. Im Vergleich zur einfachen Entspannung soll die Doppelentspannung etwa 10–25 % mehr Leistung aus derselben Ressource gewinnen und ist weit verbreitet, um eine bessere Stromerzeugung zu ermöglichen. Nutzung einer vorhandenen Ressource.

Nachdem der Dampf in der Turbine Arbeit verrichtet hat, wird er in einem Kondensator kondensiert und die Wärme über einen Kühlturm abgeführt. Das Standardverfahren leitet das in der Produktion verwendete Heißwasser und Kondensat über einen Injektionsbrunnen wieder unterirdisch zurück. Dies verhindert nicht nur die Ressourcenerschöpfung, sondern trägt auch dazu bei, Bodensenkungen und Heißwasseraustritte an die Oberfläche zu reduzieren. Vereinfacht lässt sich die der Turbine zugeführte Arbeit mithilfe des Massenstroms \dot m, des Turbinenwirkungsgrads \eta_t und der Enthalpiedifferenz zwischen Ein- und Auslass h_{in}-h_{out} wie folgt annähern:

Da die Enthalpiedifferenz durch Druck und Temperatur des Dampfes bestimmt wird, liefert eine heißere Ressource bei gleichem Massenstrom eine höhere Leistung. Daher eignet sich das Entspannungsverfahren für Hochtemperaturressourcen im Bereich von 200–350 °C.

Dampf enthält häufig nicht kondensierbare Gase wie Schwefelwasserstoff (H₂). _2 S) und Kohlendioxid, die Geruchs- und Korrosionsprobleme verursachen. Diese erfordern eine Behandlung mit Gasabsaugern und Entschwefelungsanlagen sowie eine Emissionsplanung, die die atmosphärische Ausbreitung und lokale Sicherheitsstandards berücksichtigt. Die Entspannungsverdampfung ist eine ausgereifte Technologie und bildet das Rückgrat der weltweiten großtechnischen geothermischen Stromerzeugung.

3. Binäre Systeme – Betrieb eines Rankine-Kreislaufs mit einem niedrigsiedenden Fluid

Nicht jede geothermische Ressource ist heiß genug, um direkt Dampf zu gewinnen. Bei mittel- bis niedrigtemperierten Warmwasserressourcen um 80–150 °C ist es schwierig, Wasser direkt zu verdampfen, um eine Turbine anzutreiben. Hier kommt das binäre Verfahren zum Einsatz. Die Wärme des geothermischen Fluids wird zunächst über einen Wärmetauscher (einen Verdampfer) auf ein organisches Arbeitsfluid mit einem Siedepunkt unterhalb des Wassers (Kohlenwasserstoffe wie Pentan und Isobutan oder Kältemittel) übertragen, und der Dampf dieses Fluids treibt die Turbine an. Da das geothermische Fluid Das Arbeitsmedium selbst berührt die Turbine nie – nur das geschlossene Kreislaufmedium zirkuliert durch Turbine, Kondensator und Pumpe. Dies wird auch als organischer Rankine-Kreislauf (ORC) bezeichnet.

Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Kühlseite ist, desto niedriger ist die theoretische Obergrenze der von einer Wärmekraftmaschine erzielbaren Arbeit. Dargestellt als Carnot-Wirkungsgrad:

wobei T_h die absolute Temperatur der Wärmequelle (des Geothermalfluids) und T_c die der Wärmeabfuhrseite (Umgebungsluft oder Kühlwasser) ist. Im Vergleich zu den über 200 °C heißen Ressourcen, die beim Flash-Verfahren genutzt werden, weisen die vom Binärverfahren anvisierten Ressourcen mittlerer bis niedriger Temperatur einen niedrigeren Wert für T_h und eine geringere Differenz zu T_c auf, sodass diese theoretische Obergrenze selbst niedriger ist. Der tatsächliche thermische Wirkungsgrad wird zudem durch die Wahl des Arbeitsmediums, die Leistung des Wärmetauschers und saisonale Schwankungen beeinflusst. Die Außentemperatur ist geringer als bei der Entspannungsverdampfung, die direkt mit Dampf arbeitet. Da die geothermische Flüssigkeit die Turbine nie direkt berührt, lassen sich Ablagerungen und Korrosion in den Rohrleitungen und der Turbine leichter vermeiden. Da es sich um einen geschlossenen Kreislauf handelt, sind die Emissionen in die Atmosphäre minimal. Der größte Vorteil liegt jedoch darin, dass sich mittel- bis niedrigtemperierte Warmwasserressourcen – Ressourcen, die mit der Entspannungsverdampfung nicht zur Stromerzeugung genutzt werden konnten – in Elektrizität umwandeln lassen.

Das Binärverfahren, das Strom aus dem Warmwasser bestehender Thermalquellen erzeugt, ohne die Fördermenge der Thermalquellen wesentlich zu reduzieren, gewinnt ebenfalls an Bedeutung, da es sich besser mit den lokalen Gemeinschaften vereinbaren lässt. Es gibt auch einen „Entspannungs-Binär-Kombikraftwerksprozess“, der die Restwärme der nach der Entspannung einer Hochtemperaturressource verbleibenden Sole – Wärme, die mit der Entspannungsverdampfung nicht genutzt werden konnte – mit einem Binärkreislauf zurückgewinnt. Auch dieses Verfahren dient der Steigerung der Leistung bestehender Ressourcen.

4. Was unterscheidet Entspannungsverdampfung von Binärverfahren?

5. Stand des japanischen Geothermiesektors – Die Lücke zwischen Ressourcenvolumen und installierter Kapazität

Japans Geothermie-Ressourcen zählen zu den Japan verfügt über das drittgrößte Geothermiepotenzial der Welt (nach den USA und Indonesien), doch die tatsächliche installierte Kapazität entspricht diesem Potenzial nicht. Das Geothermalkraftwerk Hatchobaru (Präfektur Oita), betrieben von Kyushu Electric Power, hat eine Leistung von 110.000 kW und ist das größte Geothermalkraftwerk des Landes – genug, um den Bedarf Zehntausender Haushalte zu decken. Doch gerade die Tatsache, dass es Japans „größtes“ Kraftwerk ist, verdeutlicht, wie weit die Entwicklung hinter dem vorhandenen Potenzial zurückbleibt.

Es gibt nicht den einen Grund für die schleppende Entwicklung.

– Lange Entwicklungszeiten: Es ist nicht ungewöhnlich, dass von der Erkundung bis zum kommerziellen Betrieb zehn Jahre oder mehr vergehen. Erst nach Oberflächenerkundungen, geophysikalischen Untersuchungen, dem Bohren mehrerer Erkundungsbohrungen und einer Umweltverträglichkeitsprüfung kann eine Entscheidung über die Kommerzialisierung getroffen werden.

– Kosten und Risiken der Erkundung und Entwicklung: Es gibt Fälle, in denen eine Erkundungsbohrung durchgeführt wird, das Projekt aber nie die Kommerzialisierungsphase erreicht. Die Struktur führt dazu, dass der Projektentwickler das Risiko allein trägt. die anfänglichen Investitionen nicht wieder hereinzuholen.

• Überschneidungen mit Nationalparkbestimmungen: Viele ressourcenreiche Gebiete liegen in vulkanischen Nationalparks oder quasi-Nationalparks. Die Erschließung erfordert diverse Genehmigungen und muss Landschaft und Naturschutz berücksichtigen. Dieser Punkt wurde in den Diskussionen der Regierung über Regulierungsreformen wiederholt thematisiert.

• Abstimmung der Interessen mit Betreibern von Thermalquellen: Thermalquellen sind eine wichtige Ressource für den japanischen Tourismus und die regionale Wirtschaft. Die Befürchtung, dass Geothermie die Schüttmenge, die Wasserqualität oder die Temperatur einer Thermalquelle beeinträchtigen könnte, kann langwierige Verhandlungen mit lokalen Thermalquellenverbänden nach sich ziehen. Gruppen wie die Japan Spa Association haben in einigen Fällen Anträge gegen die Lockerung der Vorschriften für die Geothermieentwicklung in Nationalparks gestellt.

Angesichts dieser Einschränkungen nutzen Projektentwickler technische Lösungen – wie beispielsweise das Richtbohren in einem Winkel, wodurch der Bohrlochkopf an einer für Landschaft und Vorschriften weniger problematischen Stelle platziert wird, während gleichzeitig die unterirdische Ressource erschlossen wird –, um Kosten und gesellschaftliche Akzeptanz in Einklang zu bringen. Die Herausforderung für die Geothermie liegt nicht in der Physik des Dampfes, sondern in der Schaffung eines gesellschaftlichen Konsenses. über „Wo und wie gebohrt werden soll“.

6. Umweltauswirkungen und Überwachung

Da Geothermie keine Brennstoffe verbrennt, entstehen nahezu keine Treibhausgase aus Verbrennungsprozessen. Allerdings können Gase wie Schwefelwasserstoff, die im Geothermalfluid gelöst sind, die Atmosphäre und die umliegende Umwelt belasten, wenn sie nicht ordnungsgemäß behandelt werden. Gerät das langfristige Gleichgewicht zwischen Förderung und Rückführung von heißem Wasser aus dem Gleichgewicht, kann dies zu sinkendem Reservoirdruck und Bodensenkungen führen. Daher ist die Kontrolle der Platzierung von Injektionsbohrungen und des rückgeführten Volumens genauso wichtig wie der Kraftwerksplan selbst.

Bei der Erschließung von Gebieten mit heißen Quellen ist die kontinuierliche Überwachung von Fördermenge, Temperatur und Wasserqualität der umliegenden heißen Quellen vor Betriebsbeginn sowie ein System zur schnellen Erkennung von Veränderungen unerlässlich, um das Vertrauen der lokalen Bevölkerung zu erhalten. Neben den technischen Sicherheitsmargen bilden diese Art der Überwachung und die Offenlegung von Informationen die Grundlage für die soziale Nachhaltigkeit der Geothermie.

7. Technologien der nächsten Generation – EGS und überkritische Geothermie

Konventionelle Geothermie Bisher beschränkte sich die Nutzung auf hydrothermale Ressourcen, bei denen Wärme, Wasser und Durchlässigkeit natürlicherweise zusammentreffen. EGS (Enhanced/Engineered Geothermal Systems) hingegen ist eine Technologie, die hydraulischen Druck auf heißes, aber schlecht durchlässiges Gestein ausübt, um künstlich ein Netzwerk von Klüften zu erzeugen. Anschließend wird Wasser durch dieses Netzwerk geleitet, um Wärme zu gewinnen. Bei Erfolg könnten so riesige Vorkommen von Hochtemperaturgestein, die bisher nicht als Ressource galten, in geothermische Ressourcen umgewandelt werden.

Das vom US-Energieministerium (DOE) geförderte Utah FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy) ist ein Demonstrationsfeld zur Validierung der EGS-Technologie. Nahe Milford, Utah, bohrte das Projekt 2021 einen Brunnen mit einem Winkel von 65 Grad und 2023 einen zweiten Brunnen, um ein künstliches Reservoir zu schaffen. Berichten zufolge konnten mehr als zwei Drittel des aus dem zweiten Brunnen injizierten Wassers zurückgewonnen werden. Das Projekt wurde bis 2028 verlängert und erhält zusätzliche Fördermittel. Die technischen Hürden für die praktische Anwendung werden schrittweise überwunden.

Forschungen, die noch größere Tiefen anstreben, konzentrieren sich auf überkritische Geothermie. Das Iceland Deep Drilling Project (IDDP) untersucht, ob überkritisches Geothermalfluid, das in Tiefen von 4–5 km Temperaturen von 400–600 °C erreicht, nutzbar gemacht werden kann. Die 2017 fertiggestellte Bohrung IDDP-2 (Reykjanes) bestätigte überkritische Bedingungen von 426 °C und 340 bar Druck in einer Tiefe von 4,5 km. Überkritisches Fluid besitzt eine hohe Enthalpie, und es wird angenommen, dass dieselbe Bohrung potenziell deutlich mehr Energie gewinnen könnte als eine konventionelle Geothermiebohrung – allerdings müssen bis zur Kommerzialisierung noch zahlreiche technische Herausforderungen bewältigt werden, darunter Bohrtechnologie, Bohrlochmaterialien und Korrosionsschutzmaßnahmen.

Beide Verfahren befinden sich noch im Demonstrations- und Forschungsstadium und sind noch nicht in der Lage, die bestehende Flash- und Binärtechnologie zu ersetzen. Dennoch bergen sie das Potenzial, die Definition einer Geothermieressource zu erweitern. Von „Orten, an denen Wasser und Durchlässigkeit zufällig zusammentreffen“ bis hin zu „überall dort, wo heißes Gestein vorkommt“ – dieses Forschungsfeld könnte die Zukunft der Geothermie grundlegend verändern.

Zusammenfassung: Geothermie im Fokus

Die Technologie der Geothermie selbst – der Unterschied zwischen Flash- und Binärkraftwerken – wird fast mechanisch durch die Temperatur der Ressource bestimmt. Bei der Bewertung von Geothermieprojekten in Japan ist nicht die Größe der Ressource entscheidend, sondern die praktische Frage, wie viel Zeit und Geld benötigt werden und welche regulatorischen Hürden und Interessensüberprüfungen erforderlich sind, um diese Ressource in Strom umzuwandeln.

Bei der Prüfung eines Geothermieprojekts sollten folgende Punkte beachtet werden:

1. Wie hoch ist die Temperatur der Ressource, und handelt es sich um Flash-, Binär- oder Kombikraftwerke?

2. Wie lange dauert es voraussichtlich von der Erkundung bis zur kommerziellen Inbetriebnahme, und wer trägt das Explorationsrisiko?

3. In welchem Verhältnis steht das Projekt zu Nationalparks und Thermalquellengebieten, und wie ist der Stand der lokalen Verhandlungen?

4. Gibt es einen Plan für die Platzierung der Injektionsbohrungen? Langfristiges Reservoirmanagement?

Wenn Sie diese vier Punkte berücksichtigen, können Sie Nachrichten zur Geothermie nicht nur als „drittgrößte Ressource der Welt“ lesen, sondern auch die tatsächliche Strecke verstehen, die das Geothermiefeld zurücklegen muss, bevor es zu Strom wird.

Referenzen

• JOGMEC — Wissenswertes über Geothermie
• Agentur für natürliche Ressourcen und Energie — Geothermie
• NEDO — Materialien zur Technologie der Geothermieerzeugung
• [Japanischer Geothermieverband] (JGA)](https://www.chinetsukyokai.com/)
• Utah FORGE — Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy
• U.S. Department of Energy — Geothermal Technologies Office
• Iceland Deep Drilling Project
• IEA — Geothermal Energy