Reaktive Reservoirsysteme - Kristallkeimbildung und Filterprozesse in geothermischen Systemen

Sascha Frank1, Stefan Wohnlich1, Jürgen Schreuer2
1 Lehrstuhl Angewandte Geologie, Ruhr-Universität Bochum
2 Arbeitsgruppe Kristallphysik, Ruhr-Universität Bochum

P 19.13 in Young Hydrogeologists forum

Im Zuge der Reinjektion von Fluiden bei der tiefen geothermischen Energiegewinnung unter veränderten Temperatur- und Druckbedingungen kann es zur Übersättigung und damit zur Fällung von Mineralphasen kommen (Gunnlaugsson 1989, Demir et al. 2014), wodurch die Wegsamkeiten im Reservoir allmählich verschlossen werden. Dieser Effekt wird als Reservoirscaling bezeichnet und limitiert nachhaltig die Nutzung geothermischer Ressourcen.

Bisher ist noch unklar, welchen Einfluss Kristallkeime auf das Scaling haben, die sich, während der Energiegewinnung, oberflächennah durch sich ändernde Druck- und Temperaturbedingungen bilden. Aufgrund der hohen Salinitäten geothermischer Wässer und der damit einhergehenden Sättigungszustände, sind zunächst im Zuge der Förderung kristalline Ablagerungen an Rohrinnenwänden zu erwarten. Diese können jedoch durch turbulenzbedingte Inhomogenitäten bzw. mechanische Störungen zur spontanen Bildung freischwimmender Keimkristalle führen, von denen ein signifikanter Teil von der Strömung mitgerissen und in das Reservoir reinjiziert wird. Die Kristallkeime können sich dann durch Filtereffekte kumulieren oder als Kristallisationszentren für Zementationsprozesse fungieren und damit erheblich zum Reservoirscaling beitragen.

Um zu klären, welche hydromechanischen Auswirkungen ein kristallkeimbelastetes Wasser bei der Reinjektion in das Reservoirsystem hat und wie sich Ausfällungsprozesse bei hochsalinaren Tiefenwässern durch Druck- und Temperaturänderungen auf die Keimbildung auswirken, wird eine Hochdruck-Temperatur-Säule verwendet, die dem prinzipiellen Aufbau einer Geothermieanlage nachempfunden ist (Knuth et al. 2016). Diese ermöglicht die Einstellung von Druck- und Temperaturverteilungen, wie sie innerhalb tiefer geothermischer Reservoire vorliegen. Zwei separat anliegende Heizspiralen erlauben dabei Einstellungen unterschiedlicher Temperaturen im Vorratsbehälter der Anlage sowie im Druckbehälter, in dem die Probe eingesetzt wird. Über ein Hilfsgas (z.B. Helium) und die Heizthermostate sind Drücke von bis zu 300 bar und Temperaturen von 100°C möglich. Eine Vakuumpumpe führt das Wasser im Kreislauf. 

Nachgebildet und prognostiziert werden Scalingprozesse häufig mittels hydrogeochemischer Modellierungsprogramme, die vor allem auf der Temperatur- und Druckabhängigkeit von Lösungs- und Reaktionsgleichgewichten basieren (Bozau & van Berk 2013, Bozau et al. 2015). Weder in den Modellierungs- noch in den experimentellen Ansätzen wurde jedoch bislang berücksichtigt, dass der Ort der Kristallkeimbildung möglicherweise nicht mit demjenigen übereinstimmt, an dem später die Zementationsprozesse stattfinden.

Ziel dieser Untersuchungen sind u.a. die Beantwortung der Fragen, wie Bildung und Wachstum von Kristallkeimen in gesättigten geothermischen Lösungen bei thermischer Entspannung verlaufen und wie sich Filterprozesse im Reservoir minimieren bzw. ob sich Gegenmaßnahmen zur Bildung ableiten lassen.



BOZAU, E., VAN BERK, W. (2013): Hydrogeochemical modeling of deep formation water applied to geothermal energy production. Procedia Earth and Planetary Science, 7.

BOZAU, E., HÄUßLER, S., VAN BERK , W. (2015): Hydrogeochemical modelling of corrosion effects and barite scaling in deep geothermal wells of the North German Basin using PHRREEQC and PHAST. Geothermics, 53.

DEMIR, M.M. BABA, A., ATILLA, V. INALI, M. (2014): Types of scaling in hyper saline geothermal system in northwest Turkey. Geothermics, 50.

GUNNLAUGSSON, E. (1989): Magnesium-silicate scaling in mixture of geothermal water and de-aerated fresh water in a district heating system. Geothermics, 18.

KNUTH, C., WISOTZKY, F., WOHNLICH, S. (2016): Hydrogeochemie geothermischer Reservoire und deren Einfluss auf die technische Nutzbarkeit. – In: Banning, A., Wisotzky, F., Wohnlich, S. (Hrsg.): Bochumer Grundwassertag 2016 – Grundwasser und Energie; Bochumer Geowissenschaftliche Arbeiten 23: 46-57.