Hydrothermal Reaction Apparatus (HydRA)

Gesteinsdurchströmungsanlage zur Untersuchung von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen bei der geothermischen Energienutzung

Abb. 1: Foto der HydRA-Anlage

Motivation

Bei der geothermischen Energienutzung wird heißes Thermalwasser aus einer Förderbohrung entnommen, in einem Wärmeübertrager zur Fernwärme- bzw. Stromerzeugung abgekühlt und anschließend wieder über eine Reinjektionsbohrung in die Gesteinsschicht gepumpt, aus der es entnommen wurde.

Abb. 2: Schema eines geothermischen Kraftwerks (Abbildung aus: umweltbundesamt.de)

Durch Abkühlung bzw. Druckabsenkung des meist sehr salzhaltigen Wassers innerhalb des Kraftwerks sinkt die Löslichkeit vieler der gelösten Salze, wodurch diese ausfallen können. Die Ausfällung von übersättigten Salzen kann zu einem Verstopfen der Rohre sowie zu einer Verblockung der Gesteins¬poren bzw. Klüfte führen. Dies erfordert bei gleichbleibender Fördermenge immer höhere Drücke zur Re-Injektion des abgekühlten Thermalwassers. Auch ein Ausfall des Geothermie¬kraftwerks, und damit ein wirtschaftlicher Schaden, ist nicht ausgeschlossen.

Abb. 3: Beispiel Löslichkeit von Bariumsulfat (Baryt) im Oberrheingraben: Temperaturabsenkung führt zu einer verringerten Löslichkeit => Baryt fällt aus [Modellierung mit PHREEQC (Parkhurst und Appelo, 1999 und 2013), Pitzer-Datenbank]

HydRA (Hydrothermale Reaktions-Apparatur)

Mit der HydRA-Anlage können Experimente zur Untersuchung von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen bei der geothermischen Energienutzung durchgeführt werden. Die Anlage simuliert realistische Druck- und Temperaturbedingungen wie sie im Aquifer einer Geothermiebohrung in mehreren Kilometern Tiefe vorliegen und bildet die zwischen dem Thermalwasser und dem umliegenden Gestein ablaufenden Prozesse ab. Damit können an der HydRA-Versuchsanlage die Phänomene der Re-Injektion des Thermalwassers in das Gestein untersucht werden. Die Untersuchungen zielen auf die relevanten chemischen Prozesse, wie Ausfällungen / Scalings im Reservoirgestein, sowie die chemisch-hydraulische Kopplung während einer Durchströmung von porösen Medien.

Abb. 4: Übertragung der real auftretenden Phänomene im Reservoirgestein auf die technische Anlage HydRA

In der HydRA-Anlage können reale oder künstliche Thermal­wässer unter Anwesenheit von Druck und Temperatur durch einen realen oder künstlichen Gesteinsprobenkörper geströmt werden. Auf diese Weise können Ausfällungs­prozesse untersucht werden und mögliche Gegenmaßnahmen, wie z. B. der Einsatz von Fällungsinhibitoren getestet werden.

Hauptkomponenten der HydRA-Anlage

Abb. 5: Hauptkomponenten der HydRA-Anlage

Die HydRA-Anlage verfügt über zwei Vorlagebehälter, die mit künstlichem oder realem Thermalwasser befüllt werden können. Jeder der zylindrischen Behälter besitzt einen Kolben, der das Behältervolumen in einen oberen und unteren Teil auftrennt, wobei sich das salzhaltige Thermalwasser oberhalb des Kolbens befindet. Die beiden Pumpen 1 und 2 befördern demineralisiertes Wasser in die unteren Bereiche der Vorlagebehälter, so dass die Kolben nach oben bewegt werden. Auf diese Weise kann das potenziell korrosive Thermalwasser in die Versuchsanlage gepumpt werden, ohne in Kontakt mit den inneren Bauteilen der Pumpen zu kommen. In der Mischzone werden die beiden Lösungen durch einen T-Mischer im Verhältnis 1:1 gemischt und treten dann in die Reaktionszone (= Teststrecke) ein, in der die Mischung durch die Gesteinsprobe fließt. Erst durch Mischung beider Lösungen tritt eine Übersättigung der zu untersuchenden Mineralphase ein. Nach der Teststrecke befindet sich ein Kühler, ein Filter und ein Nadelventil, das den Druck nach der Gesteinsprobe konstant hält. Die Anlage ist mit Druckmessdosen und Thermoelementen instrumentiert, deren Messsignale erfasst und gespeichert werden. Das austretende Wasser wird in einem Behälter aufgefangen, der auf einer Waage positioniert ist. Diese gibt die Signale ebenfalls an die Messdatenerfassung weiter, damit auf diese Weise Massenströme ermittelt werden können. Sowohl die beiden Zuleitungen als auch die Misch- und Reaktionszone können unabhängig voneinander beheizt werden.

Technische Daten
  • Druck: bis 420 bar
  • Temperatur: bis 250 °C
  • Massenstrom: bis 10 g/min
  • Zugabe der Probenfluide durch zwei getrennte Massenströme möglich (z. B. zwei untersättigte Lösungen, die erst nach Mischung übersättigt sind)
  • Automatisierter Dauerbetrieb möglich: SPS-überwachte Regelung und Abschaltung bei Erreichen eines vorab definierten Anlagenzustands
  • Automatisierte Messwerterfassung von Drücken, Temperaturen und Gesamtmassenstrom
Gesteinsprobenkörper

Der zylindrische Gesteinsprobenkörper (Durchmesser: 1 Zoll, Länge: 2 Zoll) befindet sich innerhalb der Teststrecke in einem dicht anliegenden Silikonschlauch (vgl. Abb. 6), der ermöglicht, dass die darüber und darunter befindlichen Konen der Druckflansch-Verbindung eng an die Ober- und Unterseite des Probenkörpers angepresst werden.

Abb. 6: Schema: Einbausituation bei einem kompakten Bohrkern

Druckverhältnisse

Der Probenkörper wird mit dem Fluid von unten nach oben durchströmt. Um zu verhindern, dass das Fluid seitlich zwischen Gestein und Schlauch durchfließt, wird ein Manteldruck (p1.3) aufgegeben, der von außen den Schlauch an die Gesteins-Außenfläche drückt (vgl. Abb. 7). Damit das gelingt, muss in den Versuchen der Druck p1.3 stets größer sein als die Drücke p2.0 und p3.0.

Abb. 7: Druckverhältnisse in den HydRA-Experimenten

Während der gesamten Versuchsdauer wird das Nadelventil am Ausgang der Anlage auf einen konstanten Druck p3.0 eingestellt. Die Druckbeaufschlagung um den Mantel (p1.3) ist 50 bar höher. Zu Beginn des Versuchs liegt der Druck p2.0 etwa auf dem Niveau des Druckes p3.0. Eine Ausfällung von Feststoffen in der Gesteinsprobe kann durch einen kontinuierlichen Druckanstieg vor der Probe (p2.0) detektiert werden. Der Druck nach dem Gestein (p3.0) wird aber immer noch auf dem Druck gehalten, der vorab eingestellt wurde.

Einbausituationen der Gesteinsproben

a) Kompakter Probenkörper (Beispiel: Buntsandstein aus Lahr, Schwarzwald):

Die Gesteinsprobenkörper in der HydRA-Anlage sind Bohrkerne mit 1 Zoll Durchmesser und 2 Zoll Länge. Buntsandstein aus Lahr beispielsweise kann als kompakter Probenkörper eingesetzt werden (vgl. Abb. 6), da seine Porosität groß genug ist, um durchströmt zu werden.

b) Geschützter Bohrkern (Beispiel: Meletta Sandstein nahe Nußloch, südlich von Heidelberg):
Da das Gestein nur wenig verfestigt ist, wird ein entsprechend verkürzter Gesteinszylinder zwischen Borosilicat-Sinterglas-Platten eingeschlossen, um zu verhindern, dass Gesteinspartikel ausgeschwemmt werden, die zu Leckagen im Nadelventil führen können.

Abb. 8: Schema: Einbausituation bei geschütztem Bohrkern

c) Partikelschüttungen (Beispiel: Dolomit aus Wachenzell, Oberbayern)
Da das Gestein als kompakter Gesteinszylinder nicht permeabel ist, werden bei den Versuchen Schüttungen aus Dolomit-Partikeln (Ø 0,71 mm ... 1,00 mm) eingesetzt.

Abb. 9: Schema: Einbausituation, wenn Gesteinspartikel in einer Schüttung zum Einsatz kommen

d) Gesteinsmehl im Hüllrohr (Beispiel: Contorta Sandstein aus Schwerin, Mecklenburg-Vorpommern)
Die Herstellung von Bohrkernen ist nicht möglich, da das Gestein nur wenig verfestigt ist. Es wird daher gepresstes Gesteinsmehl in einem Hüllrohr verwendet.

Abb. 10: Schema: Einbausituation bei wenig verfestigten Gesteinsproben

Druckverläufe ohne und mit Fällungsinhibitor

Ausfällungen (z. B. von Baryt = BaSO4) in den Gesteinsporen führen zu einem Druckanstieg vor dem Probenkörper.

Abb. 11: Ohne Fällungsinhibitor kommt es zum Druckanstieg über der Gesteinsprobe (rote Kurve)

Im Falle einer Gesteinsblockung kommt es in der HydRA-Anlage zu folgendem charakteristischen Druckverlauf:

  1. Beginnende Permeabilitätsverringerung => p3.0 schwankt immer stärker
  2. Druckaufbau über dem Probenkörper => Δp = p2.0 - p3.0 => steigt an
  3. Erreichen des Abschaltkriteriums: die SPS schaltet die Anlage automatisch aus, wenn p2.0 = 0,95 • p1.3

Beim Einsatz eines Inhibitors kommt es nicht zu einem Druckanstieg vor der Probe. Die Permeabilität des Gesteins bleibt gewährleistet.

Abb. 12: Mit Fällungsinhibitor erfolgt kein Druckanstieg über der Gesteinsprobe (rote Kurve)

Messparameter
  • Messung des Druckanstiegs über der Gesteinsprobe als Maß für die Verstopfung der Poren und Klüfte in einer Injektionsbohrung
  • Online-Messung von Übersichtsparametern der aus der Anlage ausgespülten Lösung in Durchflussmesszellen:
    • pH-Wert
    • elektrische Leitfähigkeit
  • Offline-Messung chemische Analytik durch diskontinuierliche Probenahme der aus der Anlage ausgespülten Lösung: Bestimmung von Kationen durch Optische Emissionsspektroskopie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)
  • Untersuchung der Gesteinsproben nach dem Versuch durch oberflächenanalytische Verfahren wie REM, EDX etc.
Anwendungen
  • Untersuchungen zur Wirksamkeit von Fällungsinhibitoren in Thermalwasser bei der geothermischen Nutzung
    • Inhibitorauswahl
    • Inhibitorkonzentration
  • Untersuchungen zu Inhibitor-Gesteins-Wechselwirkungen
    • Ausfällungen
    • Auflösungen
  • Validierungsexperimente zu geochemischen Modellierungen
  • Konditionierung von Gesteinsproben für weitergehende Untersuchungen (z. B. REM, EDX etc.)
Literatur

BAUR, S., SEIBT, A., & KUHN, D.: Laboratory flow-through experiments to determine the effect of inhibitors in the injection of fluids supersaturated with barium sulfate, Tagungsband, European Geothermal Congress 2022 (2022)

BAUR, S., SEIBT, A., BUSE, C., STERN, G. & KUHN, D.: Versuche an der Gesteins-Durchströmungsanlage HydRA zum Einfluss eines Inhibitors zur Verhinderung von Calcitausfällungen im Molassebecken, Tagungsband, Geothermiekongress DGK 2021 (2021)

BAUR, S., NEUBERGER, A.-K., KUHN, D. & SEIBT, A.: Measurements on Fluid-Rock-Interaction of Thermal Water-Inhibitor-Mixtures with the HydRA Facility, Tagungsband, World Geothermal Congress 2020+1 (2021).

ORYWALL, P., DRÜPPEL, K., KUHN, D., KOHL, T., ZIMMERMANN, M. & EICHE, E.: Flow‑through experiments on the interaction of sandstone with Ba‑rich fluids at geothermal conditions, Geothermal Energy (2017) 5:20, DOI 10.1186/s40517-017-0079-7

ORYWALL, P., KUHN, D., MUNDHENK, N., MAYER, D. & KOHL, T.: Perkolation poröser Medien unter tiefengeothermischen Bedingungen – Untersuchung hydraulischer Effekte als Folge von induziertem Baryt-Scaling, Tagungsband, Geothermiekongress DGK 2015 (2015)

PARKHURST, D. L. & APPELO, C. A. J.: User's Guide to PHREEQC (Version 2) — A Computer Program for Speciation, Batch Reaction, one Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations. Water-Resources Investigations Report 99-4259. U.S. Geological Survey, Denver, Colorado (1999).

PARKHURST, D. L. & APPELO, C. A. J.: Description of Input and Examples for PHREEQC Version 3 — A Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations. U.S. Geological Survey Techniques and Methods (2013).