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Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffes gibt an, in welchem Umfang ein Reinstoff in einem Lösungsmittel gelöst werden kann. Sie bezeichnet die Eigenschaft des Stoffes, sich unter homogener Verteilung (als Atome, Moleküle oder Ionen) im Lösungsmittel zu vermischen, d. h. zu lösen. Zumeist ist das Lösungsmittel eine Flüssigkeit. Es gibt aber auch feste Lösungen, wie etwa bei Legierungen, Gläsern, keramischen Werkstoffen und dotierten Halbleitern. Bei der Lösung von Gasen in Flüssigkeiten bezeichnet der Begriff Löslichkeit einen Koeffizienten, der die in der Flüssigkeit gelöste Gasmenge bei einem bestimmten Druck des Gases angibt, wenn sich das Gas zwischen Gasraum und Flüssigkeit im Diffusionsgleichgewicht befindet, d. h. genau so viel hinein wie heraus diffundiert. 

Bedeutung in der Geothermie

In der Geothermie ist insbesondere die Löslichkeit von Feststoffen oder Gasen in Wasser und hier insbesondere im Thermalwasser von Bedeutung. Da die Löslichkeit unter anderem mehr oder weniger stark von Druck und Temperatur abhängt, kann es bei Temperatur- bzw. bei Druckänderungen zur Ausfällung (scaling) bzw. zur Entgasung, z. B. von CO2 oder Methan  kommen.

Grundsätzliches

Die Löslichkeit von Gasen in Wasser ist von Temperatur, Mineralisation (Ionenstärke) und Druck (Wassertiefe) abhängig. Je höher die Temperatur ist, umso geringer ist für die meisten Gase die Löslichkeit in Wasser. Nur die extrem leichten Gase Wasserstoff und Helium bilden eine Ausnahme.  Umgekehrt verhält es sich mit dem Druck: je höher der Druck, umso mehr steigt die Löslichkeit von Gasen. Diese Zunahme der Gaslöslichkeit mit der Zunahme des Druckes ist aber nicht linear, sondern nimmt mit zunehmendem Druck ab. Dieser Effekt kann nicht durch das lineare Henry Gesetz beschreiben werden; dazu bedarf es der Anwendung der Peng-Robinson oder vergleichbarer Gleichungen. Der Einfluss der Ionenstärke auf die Gaslöslichkeit ist ähnlich wie der der Temperatur: Mit zunehmender Ionenstärke nimmt die Gaslöslichkeit ab. Dies ist insbesondere für hochmineralisierte Solen von Bedeutung.

Bei sinkendem Druck, wie er bei Förderung von tiefem Thermalwasser auftreten kann, ist die Möglichkeit der Entgasung gegeben. Zur Entgasung kann es insbesondere kommen, wenn das Grundwasser in der Tiefe zusätzliche Gase aufgenommen hat. Dies kann z. B. vulkanisches CO2 sein oder Gase, die durch Redoxprozesse in einem Sauerstoff freiem Grundwasser entstanden sind (z.B. H2S oder CH4). Entgasung aus Grundwasser kann einerseits durch die Druckabnahme aber auch durch Kontakt mit einem Gasgemisch bedingt sein, das einen bezogen auf das jeweilige Gas (z.B. CO2) niedrigeren Partialdruck aufweist.

Der Übergang gelöster Gase von der gelösten Form in die gasförmige kann mit einer erheblichen Reduktion der Fuiddichte verbunden sein. Dies kann wegen der damit verbundenen Druckabnahme zu einem explosionsartige Fluidaufstieg (-Auswurf) führen. Ein Beispiel hierzu sind CO2-Geysire. In klassischen Geysiren übernimmt der Wasserdampf dieselbe Funktion.

Technische Maßnahmen

Um bei geothermischen Dubletten Gase in Lösung zu halten wird oft der ganze Thermalwasserkreislauf unter Druck (z. B. 10 bar) gehalten. Ausgasung von CO2 kann aber auch in Kauf genommen werden, das Gas durch einen Bypass geführt und vor der Reinjektion wieder zugegeben werden.

In manchen Geothermiekraftwerken (z. B. Türkei) werden die Gase auch als Rohstoffe  gewonnen. In Heißdampf-Geothermie Kraftwerken wurden bislang die Gase H2S, CO2, H2, N2, und CH4 in die Atmosphäre emittiert. An diesen Standorten wird nun im Zuge des Umweltschutzes über die Abtrennung und Speicherung der nicht kondensierbaren Gase (NCG) (insbesondere CO2 und H2S) nachgedacht und teilweise schon praktiziert. Teilweise sind sie auch ein zusätzliches Produkt (Koproduktion) und tragen zur Wirtschaftlichkeit der Anlage bei.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Löslichkeit 

Literatur

Seibt Andrea, Kirsten Thorwart: Untersuchungen zur Gasphase geothermischer genutzter Tiefenwässer und deren Relevanz für den Anlagenbetrieb. In: Z. geol. Wiss. Nummer 39 3/4 (2011), S. 264-274

Seibt, A., Naumann, D., Hoth, P.: Lösung und Entlösung von Gasen in Thermalwässern - Konsequenzen für den Anlagenbetrieb. In: Geothermiereport Nummer 04 (1999), S. 63-86

Seibt. A., Hoth, P., Naumann, D.: Gas solubility in formation water of the North German Basin - implications for geothermal energy recovery. In: WGC (2000)

zuletzt bearbeitet Juni 2020