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Ein Schritt zur Verbesserung der geothermischen Energieerzeugung

Ein neuartiger Ansatz zur Brunnenerschließung und -stimulierung erweist sich als äußerst effektiv bei der Verbesserung der Leistung geothermischer Produktionsbohrungen, bei denen die Bildung von Ablagerungen ein Problem darstellt.

Von: Andrew Dine | Donnerstag, 30. Juni 2022 | Lesezeit: 4 Minuten

In der Regel sind geothermische Förderbrunnen während des Betriebs Ablagerungsprozessen ausgesetzt, die die Produktion drastisch verringern oder stoppen können. Bei den Ablagerungen handelt es sich in der Regel um Kalzit, aber in Reservoirs mit einem hohen Anteil an Siliziumdioxid in den Flüssigkeiten kann auch Siliziumdioxid enthalten sein, was die Entfernung der Ablagerungen erschwert. In Brunnen mit hoher Enthalpie kann es sowohl im Bohrloch als auch in der Gesteinsformation selbst zu Ausblühungen und Ablagerungen kommen. Formationskalk stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar, da er nur mit chemischen und nicht mit mechanischen Methoden erreicht werden kann. Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines typischen geothermischen Brunnens, einschließlich der Lage des Formationskalks.

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Abbildung 1. Förderbrunnen für geothermische Energie, der die Förderzone und den Umfang der Formation zeigt. [1]

Herkömmliche chemische Methoden zur Wiederherstellung solcher Brunnen stützen sich auf Salzsäure (HCl), die sich zwar auf Kalzit auswirkt, Kieselsäure und einige Ablagerungen auf Kieselsäurebasis sind in HCI jedoch nicht löslich. Einige Unternehmen haben es mit Schlammsäure versucht, die mittels einer Spiralschlauchanlage aufgebracht wird. Die Stärke und Aggressivität der Säuren birgt jedoch erhebliche Risiken – Korrosion, Menschen und Umwelt – und die Ergebnisse sind unterschiedlich. Angesichts dieser Probleme wurde dieser Ansatz größtenteils aufgegeben.

Innovation bei Contact Energy

Contact Energy, der älteste geothermische Energieerzeuger der Welt, hat an einer Reihe seiner Standorte in Neuseeland Erfahrungen mit der Ausdehnung von Bohrlöchern und Formationskalk gemacht. Bei einem 8-Megawatt (MW) Förderbrunnen in der 200-Megawatt-Anlage Wairakei in Taupō wurde der Dampfstrom durch Kalkablagerungen so stark reduziert, dass der Brunnen nicht mehr zur Stromerzeugung der Anlage beitragen konnte. Die Aufgabe des Brunnens und das Bohren eines neuen Brunnens würde bis zu 10 Millionen US-Dollar kosten, was keine zufriedenstellende Option war. Die Reinigung des Brunnens mit aggressiven Chemikalien, wie z.B. Flusssäure, war aufgrund der Kosten, der Aggressivität, der Risiken für die Bediener und der kurzfristigen Wirksamkeit ebenfalls unattraktiv.

Die Ingenieure von Contact Energy kannten die Probleme, die mit herkömmlichen chemischen Methoden einhergingen, und waren bestrebt, diese kontinuierlich zu verbessern. Deshalb kooperierten sie mit den Experten von Solenis, um einen völlig neuen Ansatz zu entwickeln, mit dem sich gefährdete Förderbrunnen reinigen lassen und wieder ihre volle Kapazität erreichen. Solenis empfahl eine neue Methode zur Reinigung der Gesteinsformation, in der fortschrittliche Konzepte aus der Reservoirtechnik, Geologie und Pumpendynamik kombiniert werden. Die Lösung verwendete geringe Konzentrationen an Chemikalien, hohen Druck, hohe Durchflussraten und einen sorgfältig kontrollierten Durchfluss, damit Reinigungschemikalien in die Risse in der Gesteinsformation eindringen und die Ablagerungen auflösen konnten. Dadurch erhöht sich der Fluss durch die Formation (siehe Abbildung 2).

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Abbildung 2. Vorbereitung des Förderbrunnens für die Einleitung von Reinigungsflüssigkeit in den Brunnen.

Neben den innovativen Anwendungstechniken umfasste das chemische Portfolio eine einzigartige Kombination von Sequestriermitteln, Polymeren, Säuren und Laugenlösungen. Herkömmliche Inhibitoren aus der Öl- und Gasindustrie sind teuer und verwenden oft Verstärker wie Antimon, die giftig und/oder krebserregend sind. Die vom Solenis-Team entwickelte chemische Rezeptur zeigte unter geothermischen Bedingungen eine außergewöhnlich gute Leistung, wies ein deutlich verbessertes Sicherheitsprofil auf und war wesentlich kostengünstiger.

Ausgezeichnete Ergebnisse

Bei Versuchen mit anderen Förderbrunnen, wie z. B. in Mexiko, erwies sich der neuartige Ansatz von Solenis als erfolgreich bei der Wiederherstellung stillgelegter Förderbrunnen auf 100 Prozent der maximalen historischen Kapazität. Es gab auch Hinweise darauf, dass die Methode eine Stimulationstechnik sein könnte, mit der Formationsmineralien und nicht nur Kalk aufgelöst werden können. Aber die Geologie in Wairakei war viel komplexer, mit komplizierten Förderzonen, die es schwierig machten, Chemie effektiv einzusetzen. Solenis verließ sich auf die Analysen der Drucktransienten von Contact Energy, um sicherzustellen, dass die richtige Chemie weit in die Formation eindringt und die richtigen Zonen erreicht.

Trotz dieser Komplexität erzielte die Solenis-Lösung hervorragende Ergebnisse. Der Brunnen wurde auf 130 Prozent seiner erwarteten förderbaren Kapazität wiederhergestellt (siehe Abbildung 3), was zu einer erhöhten Stromerzeugung von etwa 50.000 Megawattstunden im Jahr nach der Reinigung führte, bei einer durchschnittlichen Rate von 7 MW. Da diese geothermische Energiequelle sehr CO2-arm ist, wirkt sie sich positiv auf die CO2-Emissionen aus. Die geschätzten Emissionen dieser 7 MW geothermischer Stromerzeugung in diesem einen Jahr belaufen sich auf 1.080 Tonnen CO2-Äquivalent (tCO2e, einschließlich Methan), was deutlich weniger ist als bei den Alternativen mit fossilen Brennstoffen. Die Erzeugung von 7 MW aus Kohle würde etwa 58.600 t CO2e oder 23.900 t CO2e aus Gas mit Kombikraftwerken erzeugen.

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Abbildung 3. Nach der Reinigung steigerte ein Förderbrunnen seine Leistung von 2 t/h Dampf auf einen Spitzenwert von 39 t/h Dampf.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde das Contact Energy-Projekt bei Wairakei mit einem Solenis Nachhaltigkeitspreis 2021 für seine CO2-Reduktion ausgezeichnet. Das Solenis Nachhaltigkeitspreis-Programm prüft Kundenprojekte, die in den vergangenen 12 Monaten abgeschlossen wurden, und wählt diejenigen aus, die einen hohen Wert und eine große Wirkung erzielen. Mit den Awards werden Projekte in fünf Nachhaltigkeitskategorien gewürdigt, die zu einem geringeren Wasser- und Energieverbrauch, einer verbesserten CO2-Bilanz, weniger Abfall und einer optimierten Rohstoffnutzung geführt haben.

Eine Veränderung zum Besseren

Der Erfolg in Wairakei, mit seiner besonders komplexen Brunnendynamik, demonstriert die Leistungsfähigkeit der Zusammenarbeit, um technische Innovationen voranzutreiben. Gemeinsam entwickelten Solenis und Contact Energy eine Lösung mit einer Reihe klarer Vorteile: Verwendung umweltfreundlicherer und sichererer Chemikalien, ein besseres Verständnis der Strömungsverhältnisse in den Brunnen, hochgradig zielgerichtete Anwendungstechniken in der Förderzone und eine Brunnenreinigungsmethode, die im Vergleich zu alternativen Technologien oder dem Bohren neuer Brunnen wesentlich kostengünstiger ist.

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden hat diese neuartige Technologie die Art und Weise, wie die Industrie ihre rückläufigen Produktionsanlagen bewirtschaften kann, entscheidend verändert. Wir ermutigen alle geothermischen Erzeuger, sich mit Contact Energy oder Solenis in Verbindung zu setzen, um herauszufinden, ob dieser Ansatz für die Unterstützung einer erhöhten Erzeugungskapazität in ihrem Betrieb geeignet ist.

Literaturhinweise

[1] Zarrouk, S.J. und McLean, K. „Geothermal Well Test Analysis: Fundamentals, Applications and Advanced Techniques.“ Elsevier, First Edition, (2019).

Andrew Dine

District Manager – New Zealand

Andrew verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Aufbereitung von Industriewasser und war bei Solenis in verschiedenen Positionen sowohl im kaufmännischen Management als auch im Marketing tätig. Andrew ist derzeit für die Geschäftsaktivitäten in Neuseeland verantwortlich, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Markt für Geothermie.