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Geothermie ist eine tragende Säule für die Wärmewende, kämpft jedoch durch die generelle Heterogenität des Untergrundes und der geothermalen Fluide mit seinen eigenen Herausforderungen. Im MALEG Projekt wird versucht diesen Herausforderungen mit künstlichen Intelligenz-Methoden entgegenzutreten. Dafür wurde eine mobile Anlage konzipiert, welche die geochemischen Prozesse in einem Kraftwerk imitieren kann, indem Druck, Temperatur, pH-Wert und Chemismus geloggt und verändert werden können. Dadurch können die geochemischen Grenzen von Fluiden bezüglich des Ausfällungs- und Entgasungspotentials genaustens untersucht werden. Dafür besitzt die Anlage an jedem einzelnen Modul, welches die vorher genannten Parameter verändern kann, Messstationen und Probenahmeventile zur Generierung eines großen Datensatzes. Mithilfe dieses Datensatzes werden künstliche Intelligenzmodelle trainiert zur Vorhersagung des Ausfällungs- und Entgasungspotentials von geothermischen Fluiden. Diese Modelle sind Teil eines digitalen Zwillings, welcher ebenfalls autonom deterministische Modelle zur Fluidcharakterisierung hinzuzieht, um die Plausibilität der künstlichen Intelligenzmodelle zu gewährleisten.

Im Projekt sind dafür Experiment an drei verschiedenen Standorten geplant: Haag am Hausruck (Österreich), Unterschleißheim (Deutschland), Gülpinar (Türkei). Die Demonstratoranlage wird den ersten Standort in Österreich gegen Ende des dritten Quartals 2024 verlassen und nach Unterschleißheim umziehen. Die Einzigartigkeit des Standortes von Haag am Hausruck, durch die direkte Einspeisung des geothermischen Fluides zu den Kunden im Wärmenetz, ermöglichte die Untersuchung des Einflusses von Mikroorganismen auf die Bildung von organischen Ausfällungsprodukten. Der MALEG Demonstrator konnte erfolgreich den Biofilm des Kraftwerks ansiedeln und die geochemischen Prozesse sowie die mikrobiellen Kulturen konnten untersucht werden. In Unterschleißheim wird der Fokus auf Entgasungsprozessen liegen und den damit verbundenen Karbonatausfällungen.

Der starke Ausbau volatiler Erneuerbarer Energien wie Wind und PV erfordert in Zukunft Technologien die zuverlässig Flexibilität bereitstellen können. Damit ändert sich auf für die Geothermie das Anforderungsprofil. War in der Vergangenheit zuverlässige Grundlast ein Hauptargument für die geothermische Strom- und Wärmeversorgung, muss sich der Sektor und das Technologieportfolio der Geothermie weiterentwickeln um auch im künftigen Energiesysteme eine wirtschaftliche Rolle spielen zu können. Während das aktuelle Sektorenkopplungspotential der geothermischen Wärmeversorgung begrenzt ist, möchte das EU Projekt FlexGeo in den nächsten vier Jahren den Grundstein für künftige flexible Geothermiesysteme legen. Kernstück ist dabei die erstmalige Demonstration einer modularen reversiblen Hochtemperaturwärmepumpe auf kommerziellen Maßstab, welche auch als Organic Rankine Cycle (ORC) zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Im Kombination mit obertägigen oder untertägigen Speichersystemen und einer fortschrittlichen Regelung kann das Geothermiesystem somit innerhalb weniger Minuten zwischen Wärmepumpen- und Kraftwerksbetrieb umschalten und somit sowohl auf kurzfristige als auch saisonale Effekte am Strommarkt reagieren. Im Rahmen des Vortrages wird die Zielstellung und das Konzept des Forschungsprojektes sowie erste experimentelle und numerische Ergebnisse vorgestellt. Durch die seit mehreren Wochen laufende Pilotanlage eines erstmaligen für die Geothermie optimierten reversiblen HTHP/ORCs an der TUM können experimentelle Daten und erste Schlussfolgerungen bzgl. dem Upscaling und der Wirtschaftlichkeit der FlexGeo Technologie vorgestellt werden.

Die Geothermie ermöglicht eine grundlastfähige und klimaschonende Bereitstellung von Wärme und Strom. Dabei ist ein effektiver Wärmeübergang im Wärmeübertrager der Geothermieanlage erforderlich. Dies ist oft eine zentrale betriebliche Herausforderung bei der geothermischen Energienutzung, da sinkende Durchflussraten aufgrund von Scaling und Korrosion sich negativ auf Wärmeübertragung und somit die Effizienz der Anlage auswirken.

Im Projekt PERFORM II liegt der Fokus auf der Adsorption der Scaling verursachenden Kationen Pb²⁺ und Cu²⁺ bei Anlagen mit Standort im mitteleuropäischen Raum. Dabei handelt es sich um Anlagen der Tiefen Geothermie, die Thermalwasser mit hohen Salinitäten und einen hohen Schwermetallgehalt fördern. Es werden Anlagen betrachtet, bei denen das Thermalwasser eine Temperatur von unter 170 °C aufweist. Das Ziel ist, durch die Abtrennung der Kationen die notwendigen Wartungen und das Austauschen von Wärmeübertragern zu reduzieren und die Lebensdauer geothermischer Anlagen zu erhöhen.

Bereits im Vorgängerprojekt PERFORM wurden ionenselektive Adsorptionsmittel (Zeolithe) getestet, die nun intensiver für den direkten Einsatz an geothermischen Anlagen untersucht werden sollen. Im Rahmen von PERFORM II wird eine Pilotanlage zur Filterung bzw. Adsorption der oben genannten Kationen entwickelt und unter Realbedingungen an geothermischen Anlagen getestet. Diese befindet sich zurzeit im Bau und wird ab Oktober 2024 an unterschiedlichen Geothermieanlagen eingesetzt.

Mit der Pilotanlage werden Versuche in einer realen Einsatzumgebung durchgeführt. Dadurch wir ein Technology Readiness Level von TRL 6 erreicht. Hierbei werden Daten gesammelt, die im weiteren Verlauf des Projektes für die Planung eines Scale-ups für den industriellen Einsatz genutzt werden.

Die hydrothermalen Reservoire im Norddeutschen Becken sind typischerweise durch Sandsteine gekennzeichnet. Aufgrund der Planungsschritte im Projektablauf erfolgt die Dimensionierung der Komplettierung im Sandstein oftmals auf Basis von Referenzbohrungen oder Literaturdaten. Somit kann trotz konservativer Auslegung des untertägigen Filters eine Sandfreiheit niemals vollumfänglich garantiert werden. Eine entsprechende Entsandung der Bohrung im Rahmen der Produktionsversuche ist oftmals aufgrund hoher finanzieller Aufwendungen für die Entsorgung der Testwässer nicht möglich. Unabhängig davon kann es sein, dass bei der Wiederinbetriebnahme nach längeren Standzeiten erhöhte Sandfrachten auftreten.

Die derzeit verwendeten, statischen Filtertechnologien sind diesen Herausforderungen nicht gewappnet. Somit werden häufiger Filter getauscht, wodurch betriebsgebundene Kosten und die Standzeit der Anlage deutlich erhöht werden können. Auch können durch diese unstetige Fahrweise der Anlage Pumpenausfälle ausgelöst werden. Diese beeinflussen wiederrum auch die generelle Lebensdauer der Pumpe. Eine Novellierung des derzeit oft genutzten statischen Filtrierungsprinzips ist somit essenziell.

Primäre Ziele sind: automatisierte Filterung, Handhabung großer Sandfrachten, Berücksichtigung verschiedener Korngrößenspektren < 100 µm und Sicherstellung der Sauerstofffreiheit.

Sekundäre Ziele sind: Minimierung der Wartezeiten und Reduzierung der zu entsorgenden Rückstandsmengen auf ein Minimum.

Somit kann eine nachhaltiger, wirtschaftlicher Anlagenbetrieb gesichert werden.

Um Konstrukteuren und Nutzern geothermischer Anlagen grundlegende Informationen über die Korrosionsbeständigkeit zur Verfügung zu stellen, wurden verschiedene metallische Werkstoffe, darunter nichtrostende Duplex- und austenitische Stähle sowie eine Nickellegierung, in künstlichen Geothermalwässern bewertet, die die Bedingungen an verschiedenen Standorten mit geothermischem Potenzial simulieren.

Mit Hilfe von elektrochemischen und Langzeittests wurde die Eignung verschiedener metallener Werkstoffe mittels kritischer Potentiale und Korrosionsraten untersucht.

In hochsalinaren Umgebungen erwies sich Spaltkorrosion als der entscheidende Mechanismus. Die Nickelbasislegierung zeigt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion. Abgesehen von ihren hohen Kosten eignet sie sich sehr gut für den Bau von Geothermieanlagen mit stark salzhaltigen Fluiden. Rostfreie Stähle und Duplexstähle weisen eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion auf. Daher sind sie für stark salzhaltige Fluide nicht geeignet. Der Superaustenit zeigt ein temperaturabhängiges Verhalten. In nichtsalinaren Umgebungen könnten niedrig legierte Stähle (neben den höher legierten Werkstoffen) als Konstruktionsmaterial für Geothermieanlagen eingesetzt werden, sofern eine ausreichende Wandstärke des Materials berücksichtigt wird.

Neben Korrosionsaspekten erwies sich auch die Ausfällung von Fluidbestandteilen als interessantes Thema. Beim Betrieb der Forschungsanlage in Groß Schönebeck wurden Kupfer- und Bleieffekte im Bohrloch festgestellt. Die auftretenden Mechanismen und Maßnahmen zur Verhinderung von Ausfällungen und Abscheidungen wurden ebenso untersucht, wie deren mögliche Einflüsse auf die Korrosionsbeständigkeit metallener Werkstoffe für Anlagenkomponenten.

Der Vortrag beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Geothermalwässern und Ausrüstungs­komponenten.