Veranstaltungsprogramm

Geothermische Anlagen sind häufig von mineralischen Ausfällungen und Korrosion an Rohrleitungen, Pumpen und Wärmetauschern betroffen. Anlagen im Norddeutschen Becken können insbesondere durch den hohen Salzgehalt des Tiefengrundwassers (bis zu 300g/L) größere Probleme mit Korrosion haben, die zu Produktionsausfällen und teuren Wartungsarbeiten führen. Die Aktivität von Mikroorganismen kann die korrosiven Prozesse verstärken (mikrobiell induzierte Korrosion). Anaerobe Mikroorganismen siedeln sich in Form von Biofilmen an Oberflächen der Anlage an.

Im Zuge eines Forschungsprojektes wurden an der saisonal betriebenen Wärmespeicheranlage Neubrandenburg eine Reihe von Gegenmaßnahmen in einer Bypass-Anlage erprobt, die in den Produktionsstrom eingebunden war. Die Salinität lag bei 131 g/L, die Temperatur der kalten Bohrung um 45°C, die der heißen Bohrung bei bis zu 85°C. Im Bypass konnten Korrosionsprozesse und Biofilmbildung auf Oberflächen (Stahlcoupons) beobachtet und mit molekularbiologischen Methoden untersucht werden.

Als eine Gegenmaßnahme wurden Experimente mit Temperaturerhöhungen des Fluids auf 75-80° C in definierten Zeitabständen durchgeführt. Dies zeigte eine signifikante Verringerung der Biofilmbildung und der damit einhergehenden Korrosionsraten. Verschiedene Experimente im Laufe von etwa fünf Jahren zeigen, dass der Effekt eines einzelnen Hitzeschocks über einen Zeitraum von etwa vier Wochen die Korrosionsrate um bis zu 65% reduziert. Es zeigte sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Korrosionsrate und der Abundanz an Mikroorganismen im Biofilm.

Aufgrund dieser vielversprechenden Ergebnisse wurden an der großtechnischen Anlage zwei Experimente durchgeführt, bei der die gesamte Anlage durch Auskopplung des Wärmetauschers auf 75°C erhitzt wurde. Bei beiden Hitzeschock-Experimenten wurde die sukzessive Ablösung von Biofilm mit der Erwärmung der Anlage beobachtet.

Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften (Biozönose) der Biofilme wurde während des saisonalen Betriebs und auch während der Hitzeschock-Experimente molekularbiologisch charakterisiert. Neben verschiedenen Fermentierern wurden auch Wasserstoffverwerter sowie Sulfatreduzierer (SRB) identifiziert. Diese Vertreter sind häufig an mikrobiell induzierten oder verstärkten Korrosionsprozessen beteiligt. Die Zusammensetzung der Biofilme war vom saisonalen Betriebsmodus der Anlage abhängig. Die Hitzeschock-Experimente in der Großtechnik zeigten die unterschiedliche Zusammensetzung der Biofilme in Abhängigkeit von der Entfernung zum Wärmetauscher.

Die Versuche haben gezeigt, dass eine Hitzeschockbehandlung in regelmäßigen Abständen einen vielversprechenden Ansatz darstellt, Korrosion und Biofilmbildung an Anlagenteilen und Injektionsbohrungen zu reduzieren.

The formation of calcium carbonate precipitations (scalings) depends strongly on the fluid chemistry and occurs preferably at high turbulence zones within the production cycle of medium enthalpy hydrogeothermal projects south of Munich (temperatures 100 - 150°C, flow rates > 100 L/s).
Scaling related, periodic clean-ups for surface facilities (filter system, heat conductor, surface pipes) and downhole equipment (electric submersible pump, production tubing) reduce significantly the economic efficiency of regional geothermal power plants.
To overcome the scaling problems, a research project named EvA-M, financed by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, was initiated in 2015. A particular eco-sensitive inhibitor NC47.1B, was successfully tested in the surface plant facilities of a geothermal project south of Munich during more than three years. The research findings proved the successful application in terms of performance, thermal stability, microbiological and chemical degradation. Furthermore, the effectiveness of inhibitor NC47.1B was confirmed by hydrochemical and mineralogical monitoring.
The add-on research project EvA-M 2.0 considers the most promising methods to prevent calcium carbonate precipitations (inhibitor addition and CO2-injection), in order to find optimal site-specific solutions. In a step by step approach both methods are applied in two geothermal projects south of Munich to demonstrate the techno-economic feasibility for underground application. Additional to standard hydrochemical monitoring, new injection procedures and scaling inhibitor management will be developed and tested. This research is moreover necessary to demonstrate involved authorities the reliability, sustainability and efficiency of the above-mentioned scaling preventing methods during production of medium enthalpy hydrogeothermal systems.

Corrosion on plant installations as well as mineral precipitation in the underground and surface installations, including the electric submersible pump, rising pipes, filters and heat exchangers can impair the operation of geothermal plants. Application of the environmentally friendly scaling inhibitor NC47.1B in geothermal systems was studied in laboratory and field-scale experiments. In the geothermal plant in Unterhaching (Molasse Basin, Germany), calcite scaling is particularly challenging, impeding a regular operation.. As a counteraction the scaling inhibitor NC47.1 B (produced by Niederrhein Chemie) has been applied to prevent scaling. Biodegradation experiments were carried out to study the effects of inhibitor addition on the microbial behavior under in situ-like conditions. However, to enhance the effect of inhibitor addition on the microbial biocenosis and to stimulate degradation, significantly higher inhibitor concentrations were used for the laboratory studies (100 mg/L – 1200 mg/L) than in the field application in Unterhaching (5 – 10 mg/L). The decrease of the inhibitor concentration as well as the degradation products were observed over time and changes in the microbial biocenosis were characterized with microbiome profiling and qPCR at the end of the experiment. A rapid degradation was observed in biofilm-inoculated setups: A concentration of 100 mg/L of the inhibitor was degraded below detection limit within 8 days of incubation. A mass balance confirmed the almost complete conversion of the polycarboxylate to e.g. acetate, formate, methane and CO₂.

Monitoring of the microbial community in situ showed an increase in the abundance of Bacteria. In particular, after heat extraction there was an increase from 10⁵ gene copies/L at the beginning of the observation period to 10¹⁰ gene copies/L at the plant exit after about 700 days. In contrast, the abundance of SRB and methanogenic archaea remained almost constant at 10² gene copies/L and 10⁴ gene copies/L, respectively. An increased proportion of fermentative bacteria implies their major role in the degradation process. This corresponds to the limited availability of terminal electron acceptors like sulfate (mean value 27 mg/L) in the reservoir fluids. Particularly, relatives of the fermenting Caldicellulosiruptor dominated the biocenosis after about six months of continuous inhibitor dosage (5 – 10 mg/L). With Caldicellulosiruptor, a thermophilic organism is identified, that can benefit from the addition of polycarboxylates and that has an optimal growth temperature, which lies within the range of the average temperature of 65 °C after heat extraction. After 200 days of continuous inhibitor dosage, the genus dominated the bacterial biocenosis with 26 % relative abundance and after 440 days with 98 % relative abundance.

However, in long-term laboratory experiments representatives of Caldicellulosiruptor were only detected in traces and the microbial community comprised a broader spectrum of fermentative bacteria. The different composition of the biocenosis in situ and in laboratory experiments is probably caused by the different inhibitor concentrations, temperatures as well as nutrient availability in situ compared to the closed system of the batch experiments.

Within the framework of the follow-up EvA-M2 project, the influence of the injection of CO₂ and organic scaling inhibitors on biofilm formation and corrosion processes is investigated. For this purpose, the CO₂ injection and the organic scaling inhibitor injection is monitored in two geothermal plants in the Molasse basin. In addition, using bypass systems and supplementary laboratory experiments, comparative studies on the effectiveness and operational safety of the two strategies for preventing precipitations are carried out. One focus is to determine whether there is a significant growth of biofilms in the various parts of the plant and how this affects the degradation of the inhibitor as well as the corrosion rate in dependence of different injection temperatures in the geothermal plants.

Durch Ausfällungen von Carbonaten kann es in Geothermieanlagen im Bayerischen Molassebecken zu Problemen beim Anlagenbetrieb kommen (z. B. verringerter Wirkungsgrad, Anlagenstillstände, Re-Injektions-Schwierigkeiten). Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projektes EvA-M (Einsatz von Ausfällungsinhibitoren im Molassebecken – Begleitendes Monitoring und Experimente in unterschiedlichen Skalen, Förderkennzeichen 0324215A) wurde - erstmalig im Bayerischen Molassebecken - im Geothermiekraftwerk Unterhaching ein Calcit-Fällungsinhibitor eingesetzt (NC47.1B). Begleitend zum Monitoring vor Ort beim Einsatz dieses Inhibitors wurden Laborversuche an der Gesteins-Durchströmungsanlage HydRA (Hydrothermale Reaktions-Apparatur) durchgeführt, um Inhibitor-Gesteins-Wechselwirkungen bei der Re-Injektion des Thermalwassers näher untersuchen zu können. Die HydRA-Anlage ermöglicht das Durchströmen einer Gesteinsprobe mit realem oder synthetischem Thermalwasser unter Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie in einigen Kilometern Tiefe auftreten.

Das für die Versuche verwendete Analoggestein (Dolomit) musste aufgrund der geringen Permeabilität zerkleinert und in definierte Korngrößen fraktioniert werden. Die Siebfraktion wurde in einen Silikonschlauch eingefüllt. Zwei zylindrische Sinterglasplatten aus Borosilicat dienten dazu, die Schüttung nach oben und unten hin zu begrenzen. Das reale Thermalwasser aus Unterhaching wurde so konditioniert, dass es ohne Inhibitor zu einer forcierten Fällung kommt. Während der gesamten 72-Stunden-Versuchszeit wurde der Differenzdruck über der Partikelschüttung aufgezeichnet. Dieser stellt ein Maß für das Verblocken des Gesteins durch Ausfällungen dar. Darüber hinaus wurde zur Detektion der Carbonatfällung bzw. -auflösung die elektrische Leitfähigkeit online aufgezeichnet. Eine Änderung im Vergleich zur Ausgangsleifähigkeit korrelierte sehr gut mit der in regelmäßigen Abständen bestimmten Calciumkonzentration im Eluat. Zur Interpretation der Versuchsergebnisse wurden noch weitere analysierte Kationen und Anionen im Eluat herangezogen. Die Gesteinspartikel selbst wurden nach Versuchsende zum einen mittels REM-EDX und XRD untersucht und zum anderen erfolgte die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung.

Anhand der Ergebnisse der HydRA-Versuche, in denen der Inhibitor NC47.1B in unterschiedlichen Konzentrationen zur Anwendung kam, konnte gezeigt werden, dass dieser die Bildung von Calcit wirksam reduzieren kann. Des Weiteren wurde der Inhibitor vor dem Einsatz in der HydRA-Anlage für eine bestimmte Zeit Temperaturen ausgesetzt, wie sie im realen Betrieb bei der Zugabe des Inhibitors in Höhe der Tauchpumpe auftreten. Obwohl eine optische Veränderung beobachtet wurde, blieb in Auswertung der Leitfähigkeitsmessungen und der analysierten Ionen im Eluat die Wirksamkeit des Inhibitors hinsichtlich der Verhinderung der Carbonatausfällung unter den gewählten Versuchsbedingungen erhalten. Allerdings traten starke Schwankungen in den Druckverläufen auf. Diese Auffälligkeiten im Permeabilitätsverhalten der Gesteinsprobe beim Durchströmen dieser temperaturbehandelten Inhibitorlösung sind Gegenstand weiterer Untersuchungen.

The formation of mineral precipitations is a common problem in hydrothermal plants, which avoids regular operations. In the hydrothermal circle of such geothermal plants, the physical parameters pressure and temperature are changed, leading, depending on the water composition, to oversaturation of certain mineral phases.

To avoid such precipitations, inhibitors can be applied, which are added to the thermal water in the production well or in the surface pipe systems. In several hydrothermal plants, inhibitors are successfully applied to prevent mineral precipitations.

The requirements on such inhibitors are quite complex and manifold; they shell show (1) a good performance, (2) a long term stability, (3) thermal and biological degradability, (4) good economic viability and (5) a long term availability.

Within the research project EvA-M 2.0 a new approaches to test and evaluate inhibitors is developed. These tests comprise standardised investigations to test the long term stability under in-situ conditions, the thermal and biological degradation under reducing conditions.

Therefore, a new Differential Scale Loop (DSL) system will be developed, which allows to test the performance of inhibitors and investigate the optimal operational concentrations with real thermal waters. Existing systems can only handle artificial fluids. The new DSL system is further able to mimic the increase and decrease of pressure as well as temperature.