Thermalwasserkreislauf

Das Thermalwasser als Energieträger und Energietransportmedium ist Schlüsselkomponente für die Geothermienutzung. Insbesondere die Reservoirhydraulik und der Umgang mit hochsalinaren und korrosiven Wässern stellen dabei Herausforderungen dar.
Feldarbeit mit Probenahme in Chile KIT
Geochemische Exploration in Chile
Nano-Partikel KIT
Nano-Partikel

Hydrochemie geothermaler Systeme

Der Chemismus geothermaler Fluide wird im Wesentlichen durch temperaturabhängige Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und die Fluidherkunft kontrolliert. Diese Prozesse hinterlassen einen Fingerabdruck in der chemischen und isotopischen Zusammensetzung. Mit geeigneten Analysen können explorationsrelevante Fragen (Reservoirtemperatur, Nachhaltigkeit der Ressource, etc.) beantwortet werden. Besonderer Fokus unserer Forschung liegt auf der Entwicklung neuer Methoden zur Bestimmung der Reservoirtemperatur mittels geochemischer Modellierung und maschinellem Lernens. Ein weiterer Fokus liegt auf der Weiterentwicklung klassischer geochemischer Exploration.

Durch den obertägigen Wärmeentzug und die Druckentlastung während der Förderung werden die physikalischen, hydrochemischen und thermodynamischen Parameter des geothermalen Wassers verändert und so das chemische System gestört. Folgereaktionen können Mineralausfällungen (Scalingbildung). Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der numerischen Quantifizierung von Mineralausfällungen zur Ermittlung des Scalingpotentials und für Designrechnung von Scalingvermeidungsmaßnahmen. Im Rahmen des BrineMine-Projekts ist es gelungen eine Methode zur gezielten elementspezifischen Ausfällung von SiO2 zu entwickeln. So können Silica-Scalings zum Beispiel im Vorfeld einer Mineralextraktion effektiv verhindert werden.

Aktuelle Arbeiten

  • Dissertation Lars Yström: Methodenentwicklung zur Geothermometrie
  • Dissertation Valentin Goldberg: Elementselektive Abscheidung gelöster Fluidbestandteile

Relevante Publikationen

Goldberg, V.; Winter, D.; Nitschke, F.; Rath, M.; Held, S.; Spitzmüller, L.; Budach, I.; Pavez, M.; Morata, D.; Koschikowski, J.; Kohl, T. The potential of raw material extraction from thermal brines – Successful milestones of the BrineMine project. Oil Gas European Magazine, 47. 1, 2021.

Ystroem, L. H.; Nitschke, F.; Held, S.; Kohl, T. 2020. A multicomponent geothermometer for high-temperature basalt settings. Geothermal Energy, 8 (2).

Held, S.; Schill, E.; Schneider, J.; Nitschke, F.; Morata, D.; Neumann, T.; Kohl, T. 2018. Geochemical characterization of the geothermal system at Villarrica volcano, Southern Chile; Part I: Impacts of lithology on the geothermal reservoir. Geothermics, 74, 226–239.

Nitschke, F.; Held, S.; Neumann, T.; Kohl, T. 2018. Geochemical characterization of the Villarrica geothermal system, Southern Chile, Part II: Site-specific re-evaluation of SiO₂ and Na-K solute geothermometers. Geothermics, 74, 217–225.

Nitschke, F.; Held, S.; Himmelsbach, T.; Kohl, T. 2017. THC simulation of halite scaling in deep geothermal single well production. Geothermics, 65, 234–243.

Nitschke, F.; Scheiber, J.; Kramar, U.; Neumann, T. 2014. Formation of alternating layered Ba-Sr-sulfate and Pb-sulfide scaling in the geothermal plant of Soultz-sous-Forêts. Journal of Mineralogy and Geochemistry, 191 (2), 145–156.

Fließwege und Reservoirhydraulik

Die Performance eines Reservoirs wird maßgeblich von seiner Geometrie, der räumlichen Verteilung der Fließwege und der hydraulischen Eigenschaften der Fließwege bestimmt. In geothermischen Reservoiren werden oft fluoreszierende Farbstoffe injiziert und zur Charakterisierung der hydraulischen Eigenschaften der Fließwege ihr Wiedererhalt gemessen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Schimmel am Institut für Nanotechnologie (INT) entwickeln wir „Smarte Nanopartikel-Tracer mit Reporting-Funktion“. Neben dem Wiedererhalt als Zeit-Konzentrationsmessung sollen so auch weitere Reservoirparameter, wie zum Beispiel die Temperatur entlang des Fließwegs detektiert werden können.

Der Fluidfluss in pre-existenten und gescherten Klüften in einer praktisch dichten Gesteinsmatrix ist charakteristisch für Enhanced Geothermal Systems (EGS). Geothermie-typische hydraulische Randbedingungen zusammen mit den komplexen Kluftgeometrien sorgen für turbulenz-ähnliches Fließverhalten. Um die in diesem Zusammenhang immer noch ungeklärten zentrale Fragestellungen hinsichtlich Hydraulik, Transport und ihre Auswirkungen auf die Fluidchemie zu untersuchen, haben wir das von der DFG geförderte F4aT-Hydrauliklabor (Forced Fracture Fluid Flow and Transport) aufgebaut. Mittels 3D-Scanner, 3D-Drucker und eigentlichem Versuchsstand, kann turbulentes Fließen auf rauen Klüften experimentell dargestellt werden. Die Resultate dienen der Verbesserung des Prozessverständnisses und zur Kalibrierung und Parametrisierung von numerischen Modellen.

Aktuelle Arbeiten

  • Dissertation Laura Spitzmüller: Entwicklung und Anwendung von Nanopartikel-Tracer
  • F4aT – Labor zur experimentellen Untersuchung von Klufthydraulik

Relevante Publikationen

Egert, R.; Nitschke F.; Gholami Korzani, M.; Kohl, T. 2021. Stochastic 3D Navier-Stokes Flow in Self-Affine Fracture Geometries Controlled by Anisotropy and Channeling. Geophysical Research Letters. 2021.

Rudolph, B.; Berson, J.; Held, S.; Nitschke, F.; Wenzel, F.; Kohl T.; Schimmel, T. 2020. Thermo-reporting nanoparticles for accurate sensing of geothermal reservoir conditions. Scientific Reports 11422.

Marchand, S.; Mersch, O.; Selzer, M.; Nitschke, F.; Schoenball, M.; Schmittbuhl, J.; Nestler, B.; Kohl, T. 2020. A Stochastic Study of Flow Anisotropy and Channeling in Open Rough Fractures. Rock mechanics and rock engineering, 53, 233–249.