Untersuchung der Bildung von Scales mittels eines Hochdruck-Hochtemperatur-Säulenexperiments

Christoph Knuth1, Stefan Wohnlich1, Stefan Pollak2
1 Angewandte Geologie, Ruhr-Universität Bochum
2 Feststoffverfahrenstechnik, Ruhr-Universität Bochum

P 19.12 in Young Hydrogeologists forum

Während des Betriebs von tiefen Geothermieanlagen führen Ausfällungen, sogenannte Scales, zu einer Reduzierung des Strömungsquerschnitts und gefährden somit den störungsfreien Betrieb der gesamten Geothermieanlage. Scales können sowohl innerhalb des geothermalen Reservoirs als auch innerhalb der technischen Anlagenteile, z.B. dem Wärmestauscher oder den Tiefbohrungen, entstehen. Abhängig ist die Bildung von Scales von der hydrogeochemischen Zusammensetzung des Fluids sowie von der Änderung der Druck- und Temperaturverhältnisse während des Prozesses.

Mit dem Ziel, die potentielle Bildung von Scales im Vorfeld der Errichtung einer tiefen Geothermieanlage prognostizieren zu können, wurde ein Hochdruck-Hochtemperatur-Säulenexperiment entwickelt und aufgebaut. Dieses ist dem Prozess der geothermalen Energiegewinnung nachempfunden und ermöglicht die Einstellung von Druck- und Temperaturverhältnissen, wie sie in existierenden tiefen Geothermieanlagen vorkommen. Die Ergebnisse der Versuche tragen dazu bei, dass bessere Maßnahmen zur Reduzierung von Scales getroffen werden können und somit das Risiko eines unwirtschaftlichen Betriebs verringert wird. Darüber hinaus werden die Versuchsergebnisse als Basis für hydrogeochemische Modellierungen genutzt.

Untersucht wurden Gesteinsproben aus dem Ausstrichbereich der Kaisberg-Formation. In einem ersten Schritt zirkulierte ein Fluid mit einem geringen Druck von 3 bar durch die Gesteinsprobe. Nach Erreichen eines hydrochemischen Gleichgewichts erfolgte dann eine Erhöhung des Drucks auf 150 bar. Die Temperatur blieb während der gesamten Versuchsdauer konstant bei 50 °C. Mit einer speziell für hohe Drücke entwickelten Sonde (max. Druckbeständigkeit: 600 bar) erfolgte die kontinuierliche in-situ Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Zusätzlich wurden während der laufenden Experimente Fluidproben entnommen und laboranalytisch untersucht. Nach der Beendigung eines Versuches fand die Untersuchung von Ausfällungen auf zuvor eingebauten Metalltargets mit einem Rasterelektronenmikroskop statt.

Die Auswertung der Messergebnisse zeigt, dass die Erhöhung des Drucks (um ca. 150 bar) zu einem Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit bzw. zu einem Anstieg von ablaufenden Wassers-Gesteins-Wechselwirkungen führt. Auf den Metalltargets sind deutlich sichtbare Ausfällungen vorhanden. Spektralanalysen zeigen, dass es sich dabei um Calciumcarbonate handelt.