Thermal Energy Storage, Malm Aquifer, Molasse Basin, PhreeqC, Push-Pull-Tracer-Test, Precipitations, Polymorphic Forms of Calcium Carbonate, Autoclave Experiments, Matrix Stability
Abstract:
Der carbonatische Malmaquifer des südlichen Teils des bayerischen Molassebeckens ist mit Temperaturen von teils über 100 °C und hohen Schüttungsmengen einer der wichtigsten Thermalwasserleiter Deutschlands. Diese einmalige geothermische Ressource steht in den letzten Jahren vermehrt im Fokus zur Strom- und Wärmegewinnung. Da die geothermische
Energiegewinnung, wie auch die der anderen regenerativen Energien, durch die Speicherproblematik belastet ist, ist eine neue Art der Nutzung dieses Aquifers in Form von Energiespeicherung aktuell von großem Interesse in Forschung und Wirtschaft. Ein Vorteil des Malmaquifers als Speicherhorizont liegt in
dem hohen Speichervolumen begründet. Dabei erscheint vor allem der Norden und Osten des Molassebeckens interessant, da in den weniger
tiefen Schichten dieser bislang ungenutzten Ressource auf Grund des ursprünglich kalten Reservoirwassers eine hohe Temperaturdifferenz vorliegt und somit eine hohe Speicherkapazität erzielt werden kann. Zudem werden durch die geringe Tiefe die Bohrkosten reduziert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ″Hochtemperatur Aquiferspeicher″ wird erstmals die Möglichkeit der Wärmespeicherung in den Malmaquifer im nordöstlichen Molassebecken in Zusammenarbeit von der Technischen Universität München und Ingenieurbüros untersucht. Dabei wurden umfassende strukturgeologische, hydraulische und hydrochemische Untersuchungen durchgeführt, die durch gemeinschaftliche Auswertung zu einer umfassenden Reservoircharakterisierung geführt haben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein circa 23 Tage langer Wärmespeicherversuch geplant und durchgeführt. Dieser wurde als Push-Pull-Einbohrlochtracerversuch mit insgesamt fünf Speicherzyklen und Volumenströmen von 15 L/s ausgelegt. Dabei wurde Leitungswasser, das mit zunehmender Zyklenzahl ansteigende Einspeisetemperaturen von 65 bis 110 °C aufweist, injiziert. Ein wesentlicher Bestandteil war es, die Anlagenstabilität durch Vermeidung von Partikelbildung und Korrosionserscheinungen zu gewährleisten. Das Ausfallen der polymorphen Formen des Calciumcarbonats wurde durch Beeinflussung des Wassers mittels CO2 realisiert. Dabei wurden die erforderlichen Mengen CO2 um die Mineralphasen Aragonit und Calcit im Quasi-Gleichgewicht zu halten, mit Hilfe des Programms PhreeqC berechnet. Das für den Versuch verwendete injizierte Leitungswasser eignete sich hervorragend als chemisch inerter Tracer. Durch den hochaufgelösten hydrochemischen Datensatz konnten die im Reservoir ablaufenden Reaktionen vollständig quantifiziert werden und es wurden zusätzlich strukturgeologische bzw. hydraulische Aussagen über das Reservoir möglich. Eine vereinfachte Energiebilanz zeigt den Anstieg von 35 % auf fast 50 % zum Ende des Versuchs und deutet somit das Potential des Aquifers an, Wärme zu speichern.
Die Untersuchung der Partikelfracht hat mit Hilfe von zusätzlichen Laborversuchen ergeben, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der
Aragonitkristallisation während des Wärmespeicherversuchs durch die
hohen Volumenströme gehemmt wird. Die diffusionsgesteuerte Calcitkristallisation ist vermutlich auf Grund des geringen Diffusionsgradienten während des Versuchs und möglicherweise zusätzlich durch das Vorhandensein der Magnesium- und Zinkionen gehemmt. Mit Hilfe der im Autoklaven durchgeführten Versuche zur Matrixstabilität ausgewählter Bohrkernbruchstücke wurde die Reaktionsgeschwindigkeit der Calcit- und Dolomitauflösung im Labormaßstab untersucht. Recherchierte Literaturparameter zur Calcit- und Dolomitkinetik wurden in PhreeqC implementiert und anhand der Ergebnisse der Autoklavenversuche validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Übertragbarkeit dieser, unter optimierten Laborbedingungen erhobenen, Ratenkonstanten auf naturgetreuere Versuchsbedingungen bereits mit Schwierigkeiten behaftet ist. Ein Grundkonzept für die Ermittlung realistischer Ratenkonstanten wurde im Rahmen dieser Arbeit erstellt. Nichtsdestotrotz konnte anhand der Ergebnisse gezeigt werden, dass die vielfach angenommenen Gleichgewichtsbedingungen im Reservoir nach Störung des hydrochemischen Gleichgewichts nach einer Zeit von etwa zwei Tagen zutreffen und somit die Berechnungen im Aquifer unter
Gleichgewichtsbedingungen gerechtfertigt sind.
Für die Planung des Wärmespeichers wurde eine Vorabsimulation mit dem erstellten hydrochemischen Modell durchgeführt. Obwohl der Wärmespeicherversuch eine überwiegend dolomitische Matrix des Reservoirs prognostiziert, muss aufgrund der lokal mit unter starken faziellen Differenzen eine calcitisch-dolomitische Matrix für die Berechnung angenommen werden, was zu einer stärkeren Aufhärtung des Wassers führt. Bei Auslegung des Wärmespeichers als Dublette kann mittels des hydrochemischen Konzeptmodells mit PhreeqC keine Konditionierung des heißen Wassers mit CO2 erfolgen, da die daraus resultierende Aufhärtung des Wassers zu stark ist. Gerade die Beaufschlagung mit Kohlenstoffdioxid als natürlichem Bestandteil des
Wassers erscheint jedoch wünschenswert für eine nachhaltige Nutzung des Aquifers. Bei der Auslegung des Speicher als Triplette kann ein stabiler Speicherbetrieb prognostiziert werden, da die Aufhärtung des Wassers lediglich in der dritten ″Abfallbohrung″ stattfindet. Damit scheint die Problematik des sensiblen Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts behoben und die Anlagenstabiltät
erscheint aus hydrochemischer Sicht gegeben. Durch Lage der warmen
Speicherbohrung im Abstrombereich der kalten Bohrung kann eine stabile
thermische Nutzung erzielt werden. Die dritte Bohrung sollte abströmig
der beiden anderen Bohrungen liegen. Auf Grund der großen räumlichen
Ausdehnung des Aquifers und der relativ schnellen Reaktionskinetik der
Carbonatgesteine erscheint die Aufhärtung des Thermalwasserleiters gering
und gewährleistet somit aus hydrochemischer Sicht eine schonende
Nutzung der Ressource.
Translated abstract:
One of the most promising regions for geothermal energy usage in Germany is located in the carbonaceous Malm aquifer in the southern part of the Bavarian Molasse Basin. With temperatures of often more than 100 °C and high
discharges, the geothermal exploration for power generation has been increasing over the last years. Since the efficiency of geothermal power generation is like other renewable energies strongly depending on the storage possibility, the promising idea of thermal energy storage in the Malm aquifer has gained widespread attention in economy and science. One advantage by storing thermal energy into the Malm aquifer is given by the high storage volume. Especially the northern and eastern part of the Molasse Basin seems promising, because
of the low temperatures of the unheated reservoir. Consequently, a high temperature difference is given and a high storage capacity is possible.
Furthermore, the Malm aquifer is located in only some hundreds meters of depth and thus drilling costs will be reduced. Within the project ″High Temperature Aquifer Storage″ the storage of heat in the Malm aquifer in the northeastern part of the Molasse Basin is investigated. In a cooperation of engineering companies and the
Technical University of Munich numerous data on structural geology, hydraulic properties and hydrochemistry were taken, analyzed and evaluated to improve the characteristics of the aquifer.
Within this dissertation a long-term heat storage test of around 23 days was planned and performed. This was designed as a push-pull-single-well-tracer-test with five injection cycles in total and flow rates of 15 L/s. Tap water was used and injection temperatures increased from 65 to 110 °C with increasing number of cycles. One essential part of this dissertation was to guarantee the technical safety with regard to precipitations as well as corrosion. Crystallization of the polymorphic forms of calcium carbonate was prohibited by adding CO2. The necessary amount of
CO2 was calculated by assuming quasi-equilibrium of the mineral phases aragonite and calcite in water by means of the computer program PhreeqC. The used tap water during injection acts as a perfect chemical tracer. By evaluation of hydrochemical data chemical reactions in the aquifer could be understood and thus quantification of the processes was possible. Additionally, it was possible to state hydraulic properties of the aquifer by means of hydrochemistry. A calculated energy balance based on the development of the produced temperature states an increase of recovery from 35 % to almost 50 % at the end of the test. This seems promising with regard to the short time scale. An evaluation of the dissolved particles in combination with laboratory experiments showed that aragonite
crystallization was likely inhibited by high flow rates. The diffusion controlled calcite crystallization was presumably inhibited by the low diffusion gradient als well as by the occurrence of magnesium and zinc ions. Laboratory experiments were performed using a high temperature autoclave to quantify matrix dissolution and precipitation processes within a closed system. Literature research for determining calcite and dolomite kinetics was done and selected rate constants
were implemented in PhreeqC. These rates were compared to the data provided by the autoclave experiments. While the implemented rates were determined within optimized laboratory experiments and therefore showed a faster reaction rate, the setup of the autoclave experiment was chosen to picture a natural system. Thus the
assignability is clearly limited, nevertheless determining rate constants of natural systems using the presented setup appears feasible. The obtained data indicate that after disturbing the equilibrium in a carbonaceous aquifer steady-state conditions are reached again after a time of two days.
For planning operation a simulation with the calibrated model was performed using PhreeqC. Although the aquifer shows dolomitic conditions a worst case scenario with a mixed matrix still has to be assumed. This results in an increasing hardness of thewater. The concept of a doublet cannot be made feasible by the addition of CO2, as the resulting water hardening is too high. However, adding carbon dioxide as a natural component of water is desirable and thus the concept of installing a triplet was born. By assuming the existence of a third borehole the sensitivity of the carbonic acid system can be controlled, since the water hardening
takes place in the third ″waste″ borehole and stable operation can be anticipated from a hydrochemical point of view. Locating the hot well downstream of the cold well thermal stability of the system can be assumed, while the third ″waste″ borehole should be located downstream of the other two wells. The high dimension of the Malm aquifer itself and the fast reaction rate of the carbonatic and dolomitic rocks will result in a dilution of the hard water and therefore a sustainable usage of the resource is given.
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