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Gestängepumpe

Motor der Gestängepumpe über der Förderbohrung in Landau (blau). Der Bohrlochkopf der Injektionsbohrung ist rot. Quelle: BESTEC

Eine Gestängepumpe (line shaft pump, LSP) ist eine Tauchpumpe oder Unterwasserpumpe, bei der nur die Pumpe selbst unter Wasser ist, der (elektrische) Antrieb aber über Tage am Bohrlochkopf. Bei der Gestängepumpe wird die Drehung zum Antrieb der Pumpe über eine Welle (Gestänge) von über Tage nach unter Tage übertragen. Die Welle wird in einem gefetteten Rohr geführt und dort vielfach gelagert.

Gestängepumpen haben gegenüber Tauchpumpen mit dem Antrieb unter Tage Vor- und Nachteile.

Vorteile

  • Keine Stromversorgung unter Tage (> 1MW)
  • Optimierte Antriebe (Elektromotoren)
  • Leichte Kühlung der Antriebe
  • Kein Scaling am Antrieb
  • weitere

Nachteile

  • Lange Antriebswelle (In Insheim > 750m)
  • Vielfachlagerung mit Schmierung
  • Temperaturdehnung der Welle und des Wellenrohres
  • Komplizierterer Einbau
  • Begrenzte Einbautiefe

Die Geothermiekraftwerke Landau und Insheim haben Gestängepumpen. Sie haben sich dort offensichtlich bewährt.

Gestängepumpe (line shaft pump, LSP)

Bei der LSP ist der Motor an der Oberfläche und die Hydraulik befindet sich im Untergrund. Beide Komponenten sind durch eine Welle verbunden. Die sehr robuste Pumpe kann trotz hoher Thermalwassertemperaturen gut arbeiten, da sich der Motor und das Axiallager zur Aufnahme der Last der Welle an der Erdoberfläche und nicht wie bei der ESP in dem räumlich begrenzten Bohrloch (Pumpenkammer) in großer Tiefe befindet. Die maximale Einbautiefe der Pumpe im benötigten Leistungsbereich liegt derzeit systembedingt noch bei ca. 600m. An größeren Einbautiefen wird gearbeitet.

Bauweise der LSP

Die Bauweise des Pumpenstrangs kann als zweigeteiltes konzentrisches System betrachtet werden, im Sinne eines inneren und äußeren Systems. Dabei stellt das Steigrohr, die Wellenführung und das Pumpstufengehäuse das äußere System dar, während Welle und Impeller das innere System bilden. Die Herausforderung, die hierbei entsteht, ist die unterschiedliche longitudinale Temperaturausdehnung der beiden Systeme innerhalb eines Arbeitszyklus bestehend aus Anfahren, Betrieb und Abfahren der Pumpe. Durch die bauartbedingte große Länge der Welle hat die Beachtung der relativen Ausdehnung beider Systeme großen Einfluss auf den Betrieb einer Gestängepumpe. Bei der Konstruktion und der Inbetriebnahme muss dies besonders betrachtet werden. Üblicherweise wird diesem Umstand durch ausreichendes axiales Lagerspiel Rechnung getragen, außerdem wird die Impellerposition im Arbeitszyklus der Pumpe mehrfach justiert.

Wellenschmierung und Ölverlust

Die Welle von obertage nach untertage kann wasser- oder ölgeschmiert ausgeführt werden. Die Schmierung erfolgt üblicherweise in einem offenen Kreislauf. Diese Systeme mit offenem Kreislauf konnten im Zusammenhang mit geothermischer Nutzung bisher nur im Oberrheingraben eingesetzt werden, da hier die Thermalwässer im Allgemeinen bereits Kohlenwasserstoffe beinhalten. Im Falle der Ölschmierung ergeben sich daraus Fragestellungen, die sowohl Umweltschutzauflagen als auch marginal die Betriebskosten betreffen. Im Vergleich zur Menge des geförderten Thermalwassers ist die Menge des Ölverlusts relativ gering und kann etwa 10-20 l pro Tag (ein Tropfen pro Minute) betragen. Dabei gelangt das Öl nicht in das geförderte Thermalwasser, sondern in das Thermalwasser oberhalb der eigentlichen Pumpe und akkumuliert sich im Ringraum der Bohrung, aus dem es dann gravitativ aufsteigt und weitgehend vollständig wieder entfernt werden kann. Diese Praxis wird bei den Projekten in Landau und Insheim angewendet. Die Bohrung ist im entsprechenden Bereich zweirohrig und somit doppelwandig ausgeführt.

Im Falle von strengeren Umweltauflagen, welche selbst geringste Mengen an Ölverlust nicht tolerieren, gibt es die Möglichkeit ein Rückführungssystem des Schmiermediums über Kapillarrohre zu konstruieren, was aber bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht ausreichend erprobt wurde. Hierbei kann fast das gesamte Schmiermittel aufgefangen werden. Es besteht dann ebenfalls die Möglichkeit, das Öl wiederaufzubereiten und erneut zu verwenden.
Die LSPs werden derzeit ausschließlich in den Geothermie-Projekten im Oberrheingraben eingesetzt. Die dort herrschenden Bedingungen machen den Einsatz von ESP-Systemen durch die noch höheren Temperaturen wie in der Molasse und der Thermalwasserchemie noch schwieriger. Des Weiteren liegen die Ruhewasserspiegel meist höher, was den Einsatz einer LSP doch besser geeignet erscheinen lässt.

Literatur

Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018