Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb geothermischer Anlagen ist eine konstante hohe Fließgeschwindigkeit im gesamten Thermalwasserkreislauf. Jedoch gelangen mit dem Thermalwasser Sande und Feinkiese aus dem Reservoir mit an die Oberfläche. Daher ist der Einsatz von Filtern erforderlich, um Wärmetauscher und Injektionsbohrung nicht zu verstopfen. Das entwickelte Filtersystem HydroGeoFilt mit einer integrierten Ultraschallreinigung hat in Filterversuchen feine Partikel und Feststoffe abgefiltert.

Neuartiges Filtersystem sorgt für weniger Verstopfungen

Neben Feinkiesen und Sanden, die den Thermalwasserkreislauf stören, kann die hydrochemische Zusammensetzung des Thermalwassers zu Ausfällungen (Scaling) an Anlagenteilen führen. Die ausgefällten Feststoffe verstopfen Wärmetauscher und Injektionsbohrungen. Bei hohen Volumenströmen setzen Anlagenbetreiber bisher auf Kerzenfilter, Sack -oder Trommelfilter. Im Zeitraum weniger Tage, kommt es hier zu so ausgeprägten Ablagerungen, dass die Kerzen verblocken. Die übliche Rückspülung reicht nicht mehr aus, um den Filter zu reinigen. In der Folge müssen sie ausgebaut und mit säurehaltigen Spezialprodukten gereinigt werden – ein Stillstand der Anlage ist die Folge. Das neue patentierte System setzt auf eine automatische Filtereinheit mit zwei parallel angeordneten Filtern, bei der jeweils eine Filterkerze von außen nach innen durchströmt wird. Setzt sich diese zu, wird sie mit der im Filtergehäuse fest verbauten Ultraschallsonde rückgespült, während der andere Filter den kontinuierlichen Betrieb aufrechterhält. Die Geothermieanlage steht seltener still und arbeitet effizienter. Zudem reinigt die Ultraschallsonde umweltfreundlich, ohne Zusatz von Chemikalien. Das zylindrische Gehäuse besteht aus einem Chrom-Nickel-Stahlwerkstoff. Dieser rostfreie Stahl unterstützt die Korrosions-, Temperatur- und Druckbeständigkeit. Das Filtersystem haben die Forschenden im Projekt HydroGeoFilt, kurz für „Entwicklung eines neuen Filtersystems für den Einsatz in tiefen geothermischen Anlagen“ entwickelt. Im anschließenden Vorhaben PERFORM kurz für „Improving Geothermal System Performance through collective Knowledge Building and Technology Development“ haben die Projektteams das neue Filtersystem umfassend hinsichtlich Stabilität und Anwendbarkeit geprüft

Thermalwasser von Metallen und Sulfiden befreien

Neben Sanden und Feinkiesen können Thermalwässer mitteleuropäischer Anlagen einen hohen Sulfid- und Schwermetallgehalt aufweisen. Daher war ein weiteres Ziel des Vorhabens PERFORM, diese Bestandteile durch neue umweltfreundliche Methoden zu entfernen. Im Thermalwasser gelöste Metalle können sogenannte Ausfällungen bilden, die sich an Wärmetauschern absetzen und die Anlagen schädigen. Zunächst haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Adsorptionsmaterialien untersucht, die bereits in der Abwasserreinigung eingesetzt werden, nicht aber bei geothermischen Anlagen. Präferiert haben sie granuliertes Eisenhydroxid, Zeolithe und Chitosan. Diese Stoffe verfügen über eine große spezifische Oberfläche, sind kostengünstig und ihre Wirksamkeit ist aus der Trinkwasseraufbereitung bekannt. Nach ersten erfolgreichen Labortests haben sie die Materialien in Kombination mit dem HydroGeoFilt-System bei Feldtests überprüft. Häufig enthalten Thermalwässer auch Schwefelwasserstoff (H2S), ein giftiges und korrosiv wirkendes Gas, das sich in Wasser löst. Damit dieses den Betrieb der Geothermieanlage nicht stört, entfernen Betreiber H2S aus dem Thermalwasser. Hier haben Versuche mit pulverförmigem und feinkörnigem Eisenhydroxid sowie flüssigem Eisen-III-Chlorid (FeCl3) sehr gute Ergebnisse erzielt. Das zugesetzte Eisen reagiert mit Sulfid, dem Salz der Schwefelwasserstoffsäure zu Eisensulfid. Im Anschluss lässt sich das pulverförmige Eisenhydroxid und das gebildete Eisensulfid mit dem HdroGeoFilt-System vollständig abfiltern.

Zunächst musste das neue System, bestehend aus Reaktionsbehälter für die Adsorptionvorgänge und Filtersystem, an die Bedingungen der Geothermiestandorte angepasst werden. Vor Ort haben die Projektpartner, die bereits im Labor getesteten Stoffe verwendet und anschließend die Reagenzien und deren Reaktionsprodukte mit dem HydroGeoFilt-System abgefiltert. Darüber hinaus haben sie den Filter mithilfe der Ultraschallsonde erfolgreich reinigen können.

Sulfide entfernen im Thermalbad Oberlaa

Im Thermalbad Oberlaa in Wien, nutzen die Betreiber Thermalwassers mit hohen Sulfidgehalten
(H2S, HS-, S2-) von 13 bis 46 Milligramm pro Liter. Um diese zu reduzieren, haben die Forscherinnen und Forscher das Thermalwasser in den Reaktionsbehälter geleitet und feinkörniges Eisenhydroxid beziehungsweise FeCl3 hinzugegeben. Anschließend wurde die Suspension umgewälzt und der Sulfidgehalt photometrisch bestimmt. War kein Sulfid mehr nachweisbar, wurde die Suspension durch das HydroGeoFilt-System gepumpt. Dieses hat die entstandenen Feststoffe, wie Eisensulfid und feinkörniges Eisenhydroxid effizient aus dem Thermalwasser gefiltert.

Schwermetalle im Thermalwasser - Geothermieanlage Insheim

Seit 2012 betreiben die Pfalzwerke eine Geothermieanlage in Insheim, Rheinland-Pfalz. Hier wird aus 3.600 Metern Tiefe circa 160 Grad heißes Wasser gefördert. Das hydrothermale Reservoir nutzen die Betreiber zur Stromerzeugung, während die Restwärme für die Nahwärmeversorgung verwendet wird. Wasseranalysen zeigen neben hohen Natrium-, Calcium- und Chlorkonzentrationen ebenfalls Schwermetalle, wie Barium, Blei, Kupfer und Eisen. Mithilfe der entwickelten Methoden konnten die Metallkationen sicher aus dem Thermalwasser entfernt werden. Als Adsorptionsmittel haben die Forschenden granuliertes Eisenhydroxid, Zeolith und Chitosan eingesetzt und anschließend Adsorptionsmittel und Reaktionsprodukte vollständig mit dem Filtersystem HydroGeoFilt abgefiltert. Nun müssen weitere Langzeittests vor Ort und im Labor zeigen, wie sich die Filtereffizienz und -stabilität sowie die Selbstreinigungsfunktion des HydroGeoFilt-Systems verhalten. Zudem ist es erforderlich, das Filtersystem für den Einsatz in geothermischen Anlagen an höhere Temperaturen und Arbeitsdrücke anzupassen.

Anwendung des HydroGeoFilt-Filtersystems bei Adsorptionsversuchen, Geothermieanlage Insheim. Adsorptionsmaterialien werden aus dem Reaktionsbehälter in den Filter geleitet.
© Hydroisotop

Anwendung des HydroGeoFilt-Filtersystems bei Adsorptionsversuchen, Geothermieanlage Insheim. Adsorptionsmaterialien werden aus dem Reaktionsbehälter in den Filter geleitet.

Geothermische Daten im europäischen Verbund

PERFORM ist Bestandteil des EU-Gemeinschaftsprojekts GEOTHERMICA . Ziel ist es Know-how und finanzielle Ressourcen der 16 Mitgliedsstaaten zu bündeln.

Im Rahmen des PERFORM-Projekts haben die europäischen Partner Daten über die Geologie, die Eigenschaften der Lagerstätten, die chemische Zusammensetzung der Solen, Partikel und ausgefällten Mineralien gesammelt. Die Informationen sind über eine Datenbank frei verfügbar und stellen für Betreiber und Investoren eine wichtige Grundlage dar, um geothermischer Anlagen nachhaltig und kosteneffizient betreiben zu können.

 

Letzte Aktualisierung: 02.09.2021

Auf einen Blick

Kurztitel: PERFORM
Förderkennzeichen: 0324265B
Themen: Anlagentechnik, Betrieb
Projektkoordination: Hydroisotop GmbH
Laufzeit gesamt: 06.2018 bis 11.2021

Quintessenz

  • Neues Filtersystem „HydroGeoFilt“ mit integrierter Ultraschallsonde zeigt im Filterversuch gute Ergebnisse. Feinkörnige Partikel lassen sich effizient aus dem Wasser entfernen.
  • Im Thermalwasser enthaltene Metalle und Sulfide stören einen nachhaltigen Betrieb von Geothermieanlage und sollten entfernt werden. Eine neue Methode, die granuliertes Eisenhydroxid oder Eisen-III-Chlorid (FeCl3) nutzt, hat gute Ergebnisse erzielt.
  • Das HydroGeoFilt-System filtert zugegebene Adsorptionsmaterialien und Reaktionsprodukten aus dem Thermalwasser.

Ansprechpartner zum Projekt

Hydroisotop GmbH
Woelkestr. 9
85301 Schweitenkirchen

+49(0)8444 92890
www.hydroisotop.de

Joy Iannotta


Dr. Peter Rose


Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

www.gfz-potsdam.de/startseite/

 

Technische Universität München - Lehrstuhl für Lebensmittelchemie und Molekulare Sensorik

www.molekulare-sensorik.de

Bei EnArgus, dem zentralen Informationssystem zur Energieforschungsförderung, befindet sich unter anderem eine Datenbank mit sämtlichen Energieforschungsprojekten – darunter auch dieses Projekt.
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