GRS entwickelt erstes Monitoring-System für natürliche Radionuklide in Thermalwässern

Mit dem Monitoring-System lassen sich erstmalig Messungen in heißen Thermalwässern durchführen, die für die Produktion von Wärme und Strom durch Tiefengeothermie genutzt werden. Im Geothermiekraftwerk in Bruchsal konnte jetzt eine mehrmonatige Testphase erfolgreich abgeschlossen werden.

Das Kraftwerk wird von der Geothermiegesellschaft Bruchsal GmbH – einem gemeinsamen Unternehmen der EnBW Energie Baden-Württemberg AG und der Stadtwerke Bruchsal GmbH – betrieben. Die Daten, die mit dem bislang einmaligen Monitoringsystem gewonnen werden, erlauben genauere Aufschlüsse über die geologischen Eigenschaften und das Verhalten des geothermischen Reservoirs in rund 2500 Metern Tiefe. Ein besseres Verständnis dieser Eigenschaften kann dazu beitragen, Geothermiekraftwerke noch sicherer und wirtschaftlicher zu betreiben.

Einzigartig ist das neue System schon wegen der Bedingungen, unter denen gemessen wird: Bei einer Temperatur von etwa 120 Grad Celsius und einem Druck von rund 20 bar wird mit zwei unterschiedlichen Detektoren kurz hinter der Förderbohrung kontinuierlich die Konzentration des natürlichen radioaktiven Edelgases Radon-222 im Thermalwasser ermittelt. Messsysteme, die unter derart extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten, sind bislang kommerziell nicht verfügbar.

Durch die Messung unmittelbar an der Bohrung wollen die Forscher möglichst unverfälschte Daten über den Radongehalt gewinnen, den das Thermalwasser im tiefen Untergrund aufweist. „Bei dem Weg durch die Anlage verändern sich der Druck und die Temperatur des Wassers. Das führt dann zu chemischen und physikalischen Prozessen, die seine ursprünglichen Eigenschaften verändern.

Dasselbe passiert im Prinzip, wenn man eine Sprudelflasche öffnet und das CO2 ausgast“, erklärt Umweltwissenschaftler Sebastian Feige von der GRS. Er leitet das Projekt ANEMONA, in dem die GRS gefördert durch Forschungsmittel des Bundeswirtschaftsministeriums gemeinsam mit der EnBW und dem Geowissenschaftlichen Zentrum der Universität Göttingen seit 2014 an der Entwicklung von Monitoringsystemen für Geothermiekraftwerke gearbeitet hat. Bei der Messung machen sich die Forscher eine Besonderheit des Kraftwerks Bruchsal zunutze:

Die Gasbrücke. Durch einen Bypass werden die im Thermalwasser enthaltenen Gasblasen um die Anlage herum und zurück in den tiefen Untergrund geleitet. „Sonst entstehen Verluste bei der Wärmeübergabe an das Kraftwerk − so wie Heizkörper zu Hause nicht warm werden, wenn sie Luft enthalten. Gleichzeitig können wir die Druckhaltung in der Anlage besser kontrollieren und vermeiden die Bildung von Ablagerungen“, so Dr. Thomas Kölbel, Geothermieexperte der EnBW Forschung.

Um mehr darüber zu erfahren, wie das geothermische Reservoir in einigen Tausend Metern Tiefe beschaffen ist, gehen Feige und seine Kollegen aber noch einen Schritt weiter. Durch eine spektroskopische Analyse wird an drei weiteren Messstellen ermittelt, mit welchen Mengenanteilen weitere natürliche radioaktive Stoffe zur Gesamtaktivität beitragen. Dieses Verfahren beruht darauf, dass die von jedem dieser Stoffe ausgesendete Gammastrahlung eine spezifische Energie aufweist.

„Aus den Mengenverhältnissen dieser natürlichen Radionuklide können wir zum Beispiel auf die Größe des Reservoirs und die Durchlässigkeit des Gesteins schließen“, freut sich Feige. Ergänzend und als Kontrollgröße für die spektroskopische Messung wird außerdem mit einem separaten Gerät eine Gesamtimpulsmessung vorgenommen. Deren Ergebnisse ermöglichen zwar keine Differenzierung nach einzelnen Radionukliden, die zugrundeliegende Technik ist aber leicht zu bedienen und kann damit einfach in das Anlagenmonitoring integriert werden. Die mit den neuen Monitoringsystemen erhobenen Daten sind für die Fachleute der GRS über eine Internetanbindung in Echtzeit verfügbar.

Die Kenntnisse, die sich aus der Zusammensetzung der natürlichen Radionuklide im Thermalwasser über das Verhalten und die Geologie des Reservoirs gewinnen lassen, erlauben auch Rückschlüsse über die Bildung sogenannter Scales. Darunter werden krustenartige Ablagerungen von Mineralen in Rohrleitungen an verschiedenen Stellen der Anlage verstanden. Diese Scales enthalten auch einen Teil der mit dem Thermalwasser geförderten natürlichen Radionuklide, beispielsweise bestimmte Radium- und Blei-Isotope.

Wegen dieser auch als NORM (vom engl. naturally occurring radioactive material) bezeichneten Stoffe müssen Betreiber von Geothermiekraftwerken – ebenso wie andere Industriezweige auch – die Vorschriften des Strahlenschutzrechts beachten. „Betriebliche Anweisungen können sicherstellen, dass bei Wartungsarbeiten oder beim Ausbau von Komponenten der Strahlenschutz der Beschäftigten beachtet wird. Außerdem müssen Rückstände wie Scales in Deutschland auch so entsorgt werden, dass unzulässige Strahlenbelastungen der Bevölkerung ausgeschlossen sind“, so Feige. Ein besseres Verständnis der Prozesse, die zur Entstehung solcher Rückstände führen, ist daher von Vorteil für die Betreiber, etwa um Maßnahmen zur Reduzierung von Scales zu planen.

Mit der Untersuchung des Thermalwassers in der Anlage wollen sich die Projektpartner aber noch nicht begnügen. Als nächsten Schritt haben sie die Gewinnung von Proben in einer Tiefe von rund 2.500 Metern geplant. Spezielle Behälter machen es möglich, den dort herrschenden Umgebungsdruck von etwa 250 bar auch an der Erdoberfläche zu halten. Damit sollen mögliche Veränderungen der chemischen Zusammensetzung des Wassers so weit wie möglich vermieden werden.

In den Laboren der GRS in Braunschweig und des Geowissenschaftlichen Zentrums in Göttingen sollen die Proben dann eingehend untersucht werden und Einblicke in das chemische Inventar des geothermischen Systems geben. Die Forscher der GRS stellen dabei die Eignung von Messsensorik im zu erwartenden Temperatur- und Druckbereich in den Vordergrund. Das Ziel ist, die Qualität der Eingangsdaten für geochemische Modellierungen und das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse zu verbessern. Das Projekt wird voraussichtlich im Frühjahr 2018 abgeschlossen. Die Ergebnisse werden dann in einem Abschlussbericht veröffentlicht werden.

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