Geothermische Tiefenwässer

Der Chemismus geothermaler Tiefenwässer wird im Wesentlichen durch das Reservoirgestein kontrolliert, d.h. durch die Löslichkeit seiner Minerale sowie durch die Fluideinschlüsse in bestimmten Mineralen. Daneben können jedoch auch auf- oder absteigende Fluide eine wesentliche Rolle spielen. Das Reservoirfluid befindet sich i.d.R. im geochemischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Gestein. Durch den obertägigen Wärmeentzug und die Druckentlastung während der Förderung wird das System gestört. Dabei werden die physikalischen, hydrochemischen und thermodynamischen Parameter des geothermalen Wassers verändert. Folgereaktionen können Mineralausfällungen und/oder Minerallösungen im gesamten Bereich der geothermischen Anlage und des Reservoirs sein. Darüber hinaus sind die, typischerweise hochsalinaren geothermischen Fluide, stark korrosiv gegenüber den eingesetzten Materialien. Von der Förderbohrung inklusive abgehängter Pumpe über die Rohrleitungen, die Wärmetauscher, bis hin zum Casing der Injektionsbohrung ist das Fluid in direktem Kontakt mit dem verbauten Material.
Ziel der Untersuchungen ist es ein verbessertes Verständnis der chemischen Veränderungen im geothermalen System während der Zirkulation im gesamten Kreislauf zu erhalten, um die daraus resultierenden chemischen Prozesse bewerten zu können. Die Auswirkungen des veränderten Fluids auf die unmittelbare Bohrlochumgebung der Injektionsbohrung haben dabei eine hohe Relevanz. Geochemische Wasser-Gesteinswechselwirkungen können als Folgereaktionen eine Änderung der Gesteinspermeabilität hervorrufen und folglich die Injektivität der Bohrung beeinflussen und Teile der Geothermieanlage wie Rohrsysteme oder Pumpen beschädigen.
Für die Bearbeitung der Fragestellung werden die geochemischen Prozesse des Thermalwasserkreislaufs u.a. in Laborexperimenten untersucht. Die dafür notwendigen Randbedingungen werden, anlehnend an reale Verhältnisse im Reservoir und den Übertageinstallationen, von bestehenden Geothermiekraftwerken übernommen. Ausschlaggebend dabei sind die hohen Druck- und Temperaturabedingungen. Komplementär werden numerische Modellierungen mit THMC-Codes durchgeführt, um die thermisch-hydraulischen Prozesse, die chemischen Wechselwirkungen und den Stofftransport nachvollziehen und quantifizieren zu können. Dabei verwendete Modellierungscodes sind TOUGHREACT, PhreeqC und Elmer.
Für eine langfristige und reibungslose Nutzung eines geothermischen Reservoirs ist es notwendig die chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Injektionsfluid und den Mineralphasen des Gesteins detailliert zu betrachten. Für einen kontinuierlichen Betrieb einer geothermischen Anlage gilt es außerdem die korrosiven Prozesse in den obertägigen technischen Anlagenteilen vorhersagen und somit reduzieren zu können.
Kontaktpersonen:
Ingrid Stober, Fabian Nitschke, Roman Schmidt, Sebastian Held
Aktuelle Publikationen Geothermische Tiefenwässer
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Geochemical characterization of the geothermal system at Villarrica volcano, Southern Chile; Part 1: Impacts of lithology on the geothermal reservoir
Held, S.; Schill, E.; Schneider, J.; Nitschke, F.; Morata, D.; Neumann, T.; Kohl, T.
2018. Geothermics, 74, 226–239. doi:10.1016/j.geothermics.2018.03.004 -
Geochemical characterization of the Villarrica geothermal system, Southern Chile, part II : Site-specific re-evaluation of SiO₂ and Na-K solute geothermometers
Nitschke, F.; Held, S.; Neumann, T.; Kohl, T.
2018. Geothermics, 74, 217–225. doi:10.1016/j.geothermics.2018.03.006
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Effect of flow and physical parameters on the mineral deposition of geothermal wellbores: WellboreKit development
Nusiaputra, Y.; Dimier, A. D.; Nitschke, F. N.; Gaucher, E. G.; Kohl, T. K.
2017. 79th EAGE Conference and Exhibition 2017: Energy, Technology, Sustainability - Time to Open a New Chapter; Paris; France; 12 June 2017 through 15 June 2017, EAGE (European Association of Geoscientists & Engineers). doi:10.3997/2214-4609.201701326 -
Assessment of performance and parameter sensitivity of multicomponent geothermometry applied to a medium enthalpy geothermal system
Nitschke, F.; Held, S.; Villalon, I.; Neumann, T.; Kohl, T.
2017. Geothermal Energy, 5 (1), 12. doi:10.1186/s40517-017-0070-3 -
Experimental interaction of hydrothermal Na-Cl solution with fracture surfaces of geothermal reservoir sandstone of the Upper Rhine Graben
Schmidt, R. B.; Bucher, K.; Drüppel, K.; Stober, I.
2017. Applied Geochemistry, 81, 36–52. doi:10.1016/j.apgeochem.2017.03.010
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Corrosion and scaling in the geothermal cycle of Soultz-sous-Forêts (France)
Mundhenk, N.; Huttenloch, P.; Scheiber, J.; Genter, A.; Kohl, T.; Zorn, R.
2014. Corrosion Conference and Expo 2014 : Collaborate. Educate. Innovate. Mitigate, San Antonio, Texas, USA, 9-13 March 2014, 2361–2374, NACE International -
Electrochemical study of the corrosion of different alloys exposed to deaerated 80°C geothermal brines containing CO₂
Mundhenk, N.; Huttenloch, P.; Bäßler, R.; Kohl, T.; Steger, H.; Zorn, R.
2014. Corrosion science, 84, 180–188. doi:10.1016/j.corsci.2014.03.027 -
Formation of alternating layered Ba-Sr-sulfate and Pb-sulfide scaling in the geothermal plant of Soultz-sous-Forêts
Nitschke, F.; Scheiber, J.; Kramar, U.; Neumann, T.
2014. Neues Jahrbuch für Mineralogie / Abhandlungen, 191 (2), 145–156. doi:10.1127/0077-7757/2014/0253