Fluidchemie und Scalings in geothermalen Systemen
- Contact:
Dr. Tobias Kluge, Dr. Elisabeth Eiche, Prof. Dr. Jochen Kolb, M.Sc. Klemens Slunitschek
- Project Group:
Geothermie – Fluidchemie, Scaling und Georessourcen
Zusammenarbeit mit der Abteilung Geothermie
- Funding:
Helmholtz-Programm Erneuerbare Energien
Vorhaben
Im Rahmen des Helmholtz-Programms Erneuerbare Energien (Topic 4: Geothermale Energiesysteme) beschäftigt sich die Abteilung Aquatische Geochemie mit Fragen der Reservoir-Charakterisierung (Subtopic 1) sowie des Nachhaltigen Betriebs von Geothermieanlagen (Subtopic 2). Dabei stehen Prozesse der Wasser/Gestein-Wechselwirkungen im Vordergrund. Insgesamt lassen sich die Forschungsaktivitäten in zwei thematische Bereiche untergliedern.
Bereich 1: Fluidchemie
Im Mittelpunkt dieser Forschungsaktivitäten steht die exakte Charakterisierung der geothermalen Fluide hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Herkunft. Dabei gilt es unter anderem angepasste Konzepte zur Probenahme und Analytik der z.T. hoch salinaren Lösungen zu entwickeln. Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung, Kalibrierung und Anwendung von geochemischen Geothermometern mit denen die Temperatur der Geothermie Reservoire ermittelt werden kann.
Bereich 2: Scalings und chemische Stimulation
In diesem Forschungsbereich wollen wir basierend auf (isotopen-)geochemischen Untersuchungen ein grundlegendes Prozessverständnis über die Entstehung von Scalings in den Geothermieanlagen und in den tiefen Reservoiren entwickeln. Dies ist wiederum Grundlage für die Entwicklung und Anwendung von spezifischen Inhibitoren, die eine Bildung der Scalings verhindern oder ihr Wachstum stark unterdrücken. Einen weiteren Schwerpunkt unserer Forschungsaktivität bildet die chemische Stimulation von Geothermiereservoiren. Hier werden Wechselwirkungen von z.B. anorganischen Säuren und Kluftfüllungen in kontrollierten Laborexperimenten untersucht, um Rückschlüsse über die Wirksamkeit und Einsatzfähigkeit von chemischen Stimulantien zu entwickeln.
Im Mittelpunkt dieser Forschungsaktivität steht die exakte Charakterisierung der geothermalen Fluide hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften und Isotopensignatur. Daraus lassen sich wiederum wichtige Rückschlüsse über die Herkunft der Fluide, das thermische Reservoir und die Fluidzirkulation im Untergrund gewinnen. Diese Informationen sind für die Entwicklung und den Betrieb einer geothermischen Anlage relevant und können im Rahmen von Reservoir-Modellierungen genauer untersucht werden (https://www.agw.kit.edu/4888.php).
Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung, Kalibrierung und Anwendung von Geothermometern, mit denen die Reservoirtemperatur ermittelt werden kann. Darüber hinaus entwickeln wir eine neuartige isotopenbasierte Technik, um die Tiefe einer möglichen Blasenbildung (Efferverszenz) im Bohrloch abschätzen zu können.
Für die Analytik verwenden wir angepasste Konzepte, die für die z.T. hochsalinaren Flüssigkeiten entwickelt wurden. Die Analytik umfasst eine vollständige Bestimmung von Kationen und Anionen und beinhaltet die Isotopiebestimmung von Wasser (δ18O, δD), CO2 und DIC (δ13C, δ18O). Die Probenahme ist auf die spezifischen Drücke und Temperaturen abgestimmt.
Bereich 2: Travertine und Scales – Prozessverständnis Mineralisierung und Fluidvariabilität
In diesem Forschungsbereich wollen wir basierend auf (isotopen-)geochemischen Untersuchungen ein grundlegendes Verständnis über den Mineralisierungsprozess in Geothermieanlagen (Scales) und die Mineralausfällung in natürlichen Hydrothermalsystemen (Travertine) entwickeln. Dies ist die Grundlage für die Entwicklung und Anwendung von spezifischen Inhibitoren, die eine Mineralausfällung und die Bildung von Scales verhindern oder zumindest ihr Wachstum stark unterdrücken können. Andererseits erlauben Travertine einen Einblick in die zeitliche Entwicklung der Fluidchemie und Mischungsdynamik eines natürlichen hydrothermalen Systems.
Bereich 3: Metallextraktion aus geothermischen Tiefenfluiden
Mineralreiche Tiefenwässer führen auf geologischen Zeiträumen zur Bildung von Erzvorkommen, stellen aber auch auf den Betriebszeitskalen von Geothermieanlagen eine wichtige Ressource für Metalle dar. In diesem Themenbereich untersuchen und entwickeln wir effiziente Möglichkeiten zur selektive Elementextraktion aus einem zirkulierenden geothermischen Fluid.
Das Tiefenwasser des Oberrheintals enthält z.B. wichtige Rohstoffe für die Energie- und Mobilitätswende wie Germanium, Gallium, Lithium, Indium, Cadmium oder Kobalt. Vielversprechend ist dieser Ansatz insbesondere für Lithium, das mit einer sehr hohen Konzentration im Tiefenwasser vorkommt.
Geoflugs (Geothermal Exploration on Flores Island Unlocking Generation II Resources (Gen II) of Indonesia)
Explorative Studie zur Untersuchung des geothermischen Potentials und den geologischen Aspekten für die (Weiter-)Entwicklung von Medium- und Niedrigenthalpie-Systemen. Vor Ort wurde eine Auswahl von hydrothermalen Fluiden und Mineralausfällungen beprobt und im Labor untersucht
CATCHING METALS
Extraktion von Metallen aus geothermischen Fluiden. Promotionsprojekt (K. Slunitschek)
ESOG (Energie- und Stoffstrom im Oberrheingraben)
DFG Projekt 435358664: Kombinierte Betrachtung von Wärme- und Stoffströmen in geothermischen Systemen mit Fokus auf das Oberrheintal
Scaling Potential
Hochaufgelöste geochemische, mineralogische und isotopische Untersuchung der Scales von verschiedenen geothermischen Anlagen mit unterschiedlichen Ausflusstemperaturen und Betriebsbedingungen. Proben stammen z.B. aus der Geothermieanlage Bruchsal und der Therme Bad Nauheim. Das Projekt zielt auf das Verständnis der Mineralisierung im komplexem Wechselspiel von chemischen und physikalischen Parametern.
Fluidfluss und Mineralisierung in natürlichen Hydrothermalsystemen
Travertine sind gute Archive für das Studium der Mineralisierung und des Fluidflusses in einer zeitlichen Abfolge. Dabei kann z.B. mittels Clumped Isotope ∆47 die Temperatur und der damit verbundene Fluid-δ18O Wert bestimmt und mit der Mineralogie sowie den Elementkonzentrationen in Verbindung gesetzt werden. In einem Teilbereich des Projekts geht es um die Kalibration des clumped isotope Thermometers für seltenere Karbonate, wie z.B. Malachit, Azurit, Smithsonit oder Witherit.
Isotopie als Indikator für Efferveszenz
Durch kinetische Isotopenfraktionierung entstehen isotopische Unterschiede zwischen gelösten und gasförmigem CO2 im aufsteigenden Fluid eines Geothermalsystems. Das Projekt untersucht in einer ersten Phase mittels eines experimentellen Ansatzes die Rahmenbedingungen und Verwendbarkeit.
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ISBN: 978-2-9601946-0-9. S-GC.
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