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Redefining geothermal fluid properties at extreme conditions to optimize future geothermal energy extraction

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Studie über die Eigenschaften von Flüssigkeiten steigert das Potenzial der Geothermie

So vielversprechend die Geothermie auch sein mag, einige Aspekte stellen technische Herausforderungen dar: Die extremen Eigenschaften der heißen Flüssigkeit könnten die Leistung von Kraftwerken beeinträchtigen. Eine verbesserte Datenbank über Flüssigkeitseigenschaften wird dazu beitragen, diese Herausforderungen zu bewältigen.

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Tief unten, unter unseren Füßen, befindet sich eine natürliche Energiequelle. Geothermische Kraftwerke nutzen heiße Flüssigkeiten aus tiefen unterirdischen Reservoirs. Nachdem die Flüssigkeit an die Oberfläche gepumpt wurde, wird sie entweder direkt zum Antrieb einer Turbine verwendet oder sie durchläuft einen Wärmetauscher, in dem sie Wärme an eine Übertragungsflüssigkeit abgibt, die dann eine Turbine antreibt. Letztere ist mit einem Generator verbunden, der Strom erzeugt. „Wenn sich Druck und Temperatur ändern, durchläuft die Flüssigkeit im Reservoir chemische oder physikalische Prozesse, die die Zusammensetzung oder die Eigenschaften der Flüssigkeit verändern. Dies kann zu mineralischer Ausfällung und damit zur Verstopfung von Rohrleitungen, zur Korrosion von Anlagenkomponenten oder zur Entgasung führen, was sich negativ auf den Kraftwerksbetrieb und die Gesamtwirtschaftlichkeit des Projekts auswirkt“, erklärt Simona Regenspurg, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts REFLECT. Die derzeitigen Modellvorhersagen sind mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet, da die Entnahme von Flüssigkeitsproben und die Durchführung von Messungen an Ort und Stelle unter extremen Bedingungen (d. h. in Gegenwart extrem heißer oder salzhaltiger Flüssigkeiten) eine große Herausforderung sowohl für die Ausrüstung als auch für die Analyseverfahren darstellt.

Die Herausforderungen der geothermischen Energiegewinnung bewältigen

REFLECT hat sich dafür entschieden, das Problem an der Wurzel zu packen, indem es hochwertige chemische, physikalische und mikrobiologische Daten bei extremen Salzgehalten, Drücken und Temperaturen durch Feldmessungen erfasst. Laborexperimente und Vorhersagemodelle trugen zu einem besseren Verständnis der Ausfällungs-, Korrosions- und Entgasungsprozesse bei. „Die Projektpartner haben Daten aus mehr als 3 000 Flüssigkeitsproben von geothermischen Standorten in ihren Ländern oder aus Literaturrecherchen aus frei zugänglichen Quellen gesammelt. Außerdem haben wir im Laufe des Projekts 80 Flüssigkeitsproben von ausgewählten Standorten entnommen“, erklärt Katrin Kieling, die Leiterin des Projekts. Alle erhobenen Daten dienten als Einträge für den europäischen Geothermie-Flüssigkeitsatlas, einer Datenbank, in der geothermische Daten, einschließlich geografischer, geologischer, tief reichender, physikalischer, chemischer und mikrobieller Eigenschaften der Flüssigkeiten, zusammengefasst werden. Die Daten wurden ebenfalls in Prognosemodelle eingespeist, die als Leitfaden für den optimalen Betrieb von geothermischen Systemen dienen können. Das obige Foto zeigt die Filtration von geothermischer Flüssigkeit für mikrobiologische Analysen während der Probenahme im Geothermiestandort Bad Blumau, Österreich. „Der Geothermie-Flüssigkeitsatlas stellt die erste Sammlung physikalischer und chemischer Flüssigkeitsdaten von geothermischen Bohrungen in ganz Europa dar. Er erleichtert die Auswahl neuer potenzieller Geothermiestandorte und sorgt für die effektive Planung und Auslegung neuer geothermischer Kraftwerke“, so Regenspurg.

Bessere Daten durch Experimente und Innovation

Die REFLECT-Forschenden haben eine umfassende Untersuchung der organischen Verbindungen und des mikrobiellen Lebens in tiefen geothermischen Flüssigkeiten durchgeführt. Die Daten könnten helfen, besser vorherzusagen, wie sich die mikrobielle Aktivität auf den Kraftwerksbetrieb auswirkt. So könnten Mikroben beispielsweise Mineralausfällungen verursachen und dadurch die Leistung des Kraftwerks verringern. Die Forschenden entwickelten außerdem das quelloffene Softwarepaket porousMedia4Foam zur Simulation von hydrogeochemischen Prozessen in verschiedenen Größenordnungen. Die Geochemie wird von PHREEQC gehandhabt und mit dem Strömungs- und Transportlöser von OpenFOAM® gekoppelt. Das Paket wurde fein abgestimmt, um die Art des Flüssigkeitsstroms in geothermischen Förderbohrungen zu modellieren. Zahlreiche Experimente wurden im Labor vorgenommen. So wurden beispielsweise CO2-Entgasungsversuche durchgeführt, um den Blasenpunktdruck und die Blasenbildungsrate bei verschiedenen Salzgehalten und Temperaturen zu bestimmen. Die Kenntnis dieser Parameter bildet den Schlüssel zur Verhinderung von Verstopfungen in geothermischen Reservoirs. Zugunsten einer weiteren Verbesserung der zukünftigen Datenerhebung haben die Forschenden eine Technik zur Probenahme im Bohrloch entwickelt, die den Bereich der Temperatur- und Druckbedingungen für die Probenahme in heißen und superheißen Bohrlöchern erheblich erweitern wird und damit eine nachhaltigere Auslegung von Anlagen für superheiße geothermische Systeme erlaubt.

Empfehlungen zur Vermeidung von Problemen, bevor sie entstehen

„Die Ergebnisse von REFLECT werden einen großen Einfluss auf die Betriebseffizienz, die Projektwirtschaftlichkeit und die Rentabilität von geothermischen Kraftwerken haben“, so Regenspurg. „Durch die Neudefinition der Eigenschaften geothermischer Flüssigkeiten und ihrer geochemischen Reaktionskonstanten über einen großen Bereich von Salzgehalten und Temperaturen wird eine große Wissenslücke geschlossen, was zu zuverlässigeren Vorhersagen der Leistung geothermischer Kraftwerke führen wird.“

Schlüsselbegriffe

REFLECT, geothermisches Kraftwerk, Wärmeträgerflüssigkeit, Geothermie, Ausfällung, Entgasung, Korrosion, OpenFOAM®, geothermisch, Geochemie

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