Herausforderung Wasserchemie

Je nach Lagerstätte, Art des umgebenden Gesteins, Verweilzeit des Wassers oder physikalischen Umgebungsbedingungen ergibt sich eine charakteristische chemische Beschaffenheit des Grubenwassers. Auch innerhalb eines Bergwerks sind mitunter deutliche Unterschiede vorzufinden. Die gelösten und ungelösten Frachten können dazu führen, dass in Kombination mit der Betriebsweise der Anlage die Funktionsfähigkeit, besonders die von verbauten Wärmeübertragern, durch die Ausbildung mehr oder minder fest haftenden Schichten/Belägen beeinträchtigt wird. Eine Steigerung des Druckverlusts und damit Erhöhung des Pumpaufwands bzw. Senkung der übertragenen Wärme aufgrund reduzierter Volumenströme oder eines verringerten Wärmedurchgangs innerhalb wärmeübertragender Bauteile sind Beispiele dafür. Hierzu ergibt sich maßgeblich die Fragestellung, in wie weit das vorliegende Wasser für eine energetische Nutzung geeignet ist und welche Vorkehrungen getroffen werden sollten, um einen möglichst zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Die bei der Energiegewinnung stattfindende Temperaturänderung ist ein entscheidender Faktor bei der Ablagerungsbildung. Hierbei kann es zur Überschreitung von Löslichkeiten kommen, wodurch Mineralphasen ausfallen können. Diese können sich zudem nach anfänglicher Keimstellenbildung an den Wärmeübertragerflächen anlagern [1].

Grubenwasserzusammensetzung in einem erzgebirgischen Zinnbergwerk (Grafik: TU Bergakademie Freiberg)

Über die Laufzeit bewirken die im Wasser gelösten sowie mitgeführten Stoffe in Kombination mit der Änderung der physikalischen Parameter wie Druck- oder Temperaturänderung, dass es zu Ausfällungen und in Folge chemisch-physikalischer Wechselwirkungen mit der Feststoffoberfläche zu Anhaftungen an den Wärmeübertrageroberflächen kommt. Durch die geringen Wärmeleitfähigkeiten und mitunter relativ großen Schichtdicken der mineralischen Phasen wird einerseits der Wärmedurchgang bei der Wärmeübertragung, anderseits der Volumenstrom infolge des vergrößerten Druckverlusts bzw. der Pumpenergieverbrauch erhöht. Damit sinkt mit zunehmender Foulingschicht die Effiziens der Anlage [1].

Ausbildung von Foulingschichten im Betrieb befindlicher Grubenwassergeothermieanlagen (Grafik: TU Bergakademie Freiberg)

Im Projekt Vodamin II wird deshalb u.a. die Foulingneigung verschiedener Grubenwasseranlagen untersucht. Neben der Analyse unterschiedlicher Ablagerungen infolge unterschiedlicher Wässer und Betriebsbedinungen werden verschiedene Materialien und Beschichtungen für den Einsatz im Wärmeübertrager getestet. Dazu werden einerseits Untersuchungen im Labor zur Bestimmung der Oberflächenergien, anderseits in-situ-Versuche im realen Anlagenbetrieb durchgeführt.

Literatur

[1] Wenzke B., Grab T., Ussath M., Fieback, T. (2018): Energetische Nutzung von Grubenwässern und der Einfluss der Wasserbeschaffenheit auf den Anlagenbetrieb, Deutscher Geothermiekongress 2018