Untersuchung von Ausfällungs- und Korrosionsprozessen in geothermischen Nieder- und Hochtemperatur Wärmegewinnungsanlagen im Zuge der Forschungsprojekte “Thermocluster BBT“ und “ATES Vienna“

In den nächsten 10 bis 20 Jahren wird sich die Wärmeindustrie infolge der Dekarbonisierung in Europa verändern. Eine wesentliche Rolle der Wärmewende wird dabei die Nutzung der Geothermie (Erdwärme) spielen. Darunter wird die Wärmeenergie verstanden, die unter der Erdoberfläche gespeichert ist. Geothermie ist ein erneuerbares Energiesystem, welches in den Bereichen der Wärme- und Kälteversorgung sowie in der Stromproduktion und Wärmeeinspeicherung genutzt wird und darüber hinaus zur Kohlenstoffdioxidreduktion (CO2) beiträgt. Durch die Nutzung von Erdwärme können technische Risiken in geothermischen Anlagen entstehen. Dabei stellen sogenannte Ausfällungs- und Korrosionsprozesse eine der Hauptursachen dar. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit durch ein Projektteam des Austrian Institute of Technology (AIT) Ausfällungs- und Korrosionsprozesse in geothermischen Nieder- und Hochtemperaturanlagen im Rahmen der Forschungsprojekte ATES Vienna (Aquifer Thermal Energy Storage) und Thermocluster BBT (Brenner Basistunnel) untersucht und beurteilt. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die technischen und hydrochemischen Risiken gesetzt. Im Projekt ATES Vienna soll zukünftig die Überschusswärme aus der Fernwärmeproduktion der Fernwärme Wien im tiefen Untergrund im Wiener Becken gespeichert werden. Dafür wurden Hochtemperaturversuche (2 und 4 Wochen) mit zwei Kernproben aus der Gesteinsformation Baden (Wiener Becken) durchgeführt und zusätzlich Thermalwasseräquivalent-Salzlösungen des Sarmat und Baden hergestellt. Methoden wie Röntgendiffraktometrie (XRD), Autoklavenversuche, Ionenchromatographie (IC), die Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) sowie ein Rasterelektronenmikroskop (REM) wurden dabei verwendet. Im Forschungsprojekt Thermocluster BBT soll zukünftig mit einem Wärmetauscher Wärmeenergie aus dem Drainagewasser des Brenner-Basis-Tunnels (BBT) gewonnen werden. Dabei wurden Edelstahlcoupons, die den Werkstoff des Wärmetauschers imitieren, in zwei Wochen (Vorversuch) und drei Monate („Marmeladenglasversuche“, unter Sauerstoffabschluss) in Wasserproben des BBT eingelegt und auf Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen untersucht. Zusätzlich wurde auch ein Versuchswärmetauscher vor Ort für drei Monate im Tunnelwasser direkt untersucht. Die Expositionsversuche mit dem BBT-Wasser zeigten, dass bereits Ablagerungen nach zwei Wochen sichtbar waren. Im Zuge der Marmeladenglasversuche konnten wiederum keine sichtbaren Ausfällungen beobachtet werden. Das Auftreten von Korrosionserscheinungen wurden aufgrund der Wasserchemie nicht erwartet. Die Vermutung liegt nahe, dass die Ergebnisse der Feststoffanalyse (XRD) sowie des REM und der Wasseranalyse (IC & ICP-OES) leichte Ausfällungen einzelner Proben zeigten. Zwischen Woche 2 und Woche 4 gab es keine signifikanten Unterschiede. Die hydrochemischen Untersuchungen beider Projekte zeigen, dass es zu Veränderungen des thermodynamischen Gleichgewichts (Mineralausfällungen) kommen kann und damit die geothermische Nutzung beeinträchtigt werden kann. Die Experimente der Forschungsprojekte verdeutlichten, dass technische und hydrochemische Risiken bei geothermischen Nutzungen 4 beachtet werden sollten. Dafür sind in diesen Projekten jedoch noch weitere und länger andauernde Laborexperimente notwendig.