NoScale Charakterisierung von Tiefengrundwässern zur Verhinderung von Ausfällungen und Korrosionen bei Geothermieanlagen

Aufgrund der komplexen Geologie Österreichs haben die einzelnen thermalen Tiefengrundwässerkörper, die zur Förderung von Thermalwässern genutzt werden, sehr unterschiedliche hydrochemische Zusammensetzungen, die oftmals unbekannt sind. Während der Förderung des Thermalwassers kann es durch Druck- und Temperaturänderungen und Entgasungsprozesse zu einer Reihe hydrochemischer Folgereaktionen wie Lösungs- und Fällungsprozessen (Scaling) oder auch Korrosionsvorgängen kommen. Geothermale Fluide können deshalb in technischen Anlagen äußerst problematisch sein. Bei Sauerstoffzutritt erfolgt beispielsweise die Oxidation von gelöstem Eisen und Mangan, wodurch sich Verockerungsbeläge in sämtlichen wasserleitenden Komponenten der Geothermieanlage (Leitungen, Wärmetauscher, Pumpen etc.) bilden. Alle beschriebenen Prozesse können zu erheblichen Sanierungskosten bis hin zur Aufgabe der Anlage führen. Im Projekt NoScale sollen im Rahmen von parallel durchgeführten umfassenden chemischen und mineralogischen Experimenten einerseits Rückschlüsse auf die Auswirkungen von Thermalwasser auf unterschiedliche technische Komponenten von Geothermieanlagen gewonnen werden und anderseits eine Datengrundlage für die modellhafte Simulation der maßgeblichen hydrochemischen Prozesse erarbeitet werden. Anschließend sollen auf der Grundlage detaillierter hydrochemischer Modellrechnungen mögliche Auswirkungen der Nutzung der Thermalwässer auf die technischen Komponenten der Geothermieanlagen aufzeigt werden. Dieser Ansatz einer Kombination aus komplexen Modellrechnungen, detaillierten Laboruntersuchungen und experimentellen Ansätzen wurde bis dato in Österreich noch nicht verfolgt. Die Forschungsergebnisse tragen wesentlich zur erhöhten Sichtbarkeit von potenziellen Risiken bei Förderung von Thermalwasser bei. Dadurch soll das Projekt NoScale Betreiber von Geothermieanlagen unterstützen, schon im Vorfeld einer geplanten Bohrung, mögliche Risiken von Ausfällungen und Korrosionen abschätzen zu können, welches zu einem wesentlich energie- und kosteneffizienterem Betrieb führt.

Ausgangssituation

Die Erschließung von hydrogeothermalen Ressourcen stellt thermodynamisch gesehen, eine Störung des Gleichgewichts zwischen Thermalwasser und umgebender Gesteinsmatrix des Aquifers dar, da die ursprünglich vorherrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse eine mehr oder weniger starke Veränderung erfahren. Während der Förderung des Thermalwassers verändern sich Druck und Temperatur kontinuierlich und gleichzeitig kommt es zu einem mehr oder weniger starken Entgasungsprozess. Allein durch diese Veränderungen, kann es zu einer Reihe hydrochemischer Folgereaktionen wie Lösungs- und Fällungsprozessen oder auch Korrosionsvorgängen kommen. Geothermale Fluide können deshalb in technischen Anlagen äußerst problematisch sein. Insbesondere die Entgasung von CO₂ kann zu erheblichen Nutzungseinschränkungen bei Geothermieanlagen führen, die bis zur Aufgabe der Anlage gehen können. Ein weiteres Problem stellt unter Umständen die Mischung von Wässern unterschiedlicher hydrochemischer Zusammensetzung dar. So kann es beispielsweise bei der Zumischung karbonatreicher Wässer, wie sie in Österreich stark verbreitet sind, in kurzer Zeit zu umfangreichen Versinterungen (allmähliche Ablagerungen) in Rohrleitungen von z.B. Ableitungssystemen kommen. Auch die, durch die thermische Nutzung des Thermalwassers bewirkte Abkühlung, sowie ein möglicher Sauerstoffzutritt bei dem Kontakt der Wässer mit der Atmosphäre kann zu signifikanten Verschiebungen von chemischen Gleichgewichten in der Lösung führen und dadurch beispielsweise Ausfällungsprozesse von schwerlöslichen oder redoxsensitiven Mineralphasen bewirken. Diese vielfältigen und nur schwer vorhersagbaren Reaktionen können einerseits zu massiven Problemen an den technischen Anlagen führen und anderseits kann es im Umgebungsbereich der Bohrung zu Änderungen der Porosität und Permeabilität des Aquifers kommen, was den Volumenstrom und damit die Anlageneffizienz bzw. Nutzbarkeit des Aquifers stark beeinträchtigen kann. So ist z.B. die Zementation des Porenraums durch Karbonatminerale oder Anhydrit ein bekanntes Problem. Bei Sauerstoffzutritt erfolgt die Oxidation von gelöstem Eisen und Mangan, wodurch sich Verockerungsbeläge (im Wesentlichen Fe- und Mn-O-OH Verbindungen) in sämtlichen wasserleitenden Komponenten der Geothermieanlage (Leitungen, Wärmetauscher, Pumpen etc.) bilden können. Die zeitliche Dynamik dieser Reaktionen ist sehr unterschiedlich und reicht von spontanen Fällungsprozessen bis zu schleichenden Korrosionserscheinungen, sodass Probleme an z.B. Pumpen oder Wärmetauschern erst nach einigen Jahren des Betriebs der Anlage auftreten können. Dies kann zu erheblichen Sanierungskosten, zum Stopp von Geothermieprojekten (z.B. GeneSys-Projekts der BGR Deutschland auf Grund von unerwarteten Salzausfällungen, die den Wasserfluss erheblich verminderten bis hin zur Aufgabe der Anlage führen (z.B. Bruchsal im Oberrheingraben).