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Tauchkreiselpumpe ESP

Die Tauchkreiselpumpe (electrical submersible pump, ESP) kann theoretisch in allen Tiefenlagen eingesetzt werden. In der Kohlenwasserstoffindustrie werden die Systeme in bis zu mehreren tausend Metern Tiefe installiert. Jedoch wirken sich hohe Temperaturen extrem auf die Lebensdauer der Pumpe aus. Dies liegt unter anderem an der begrenzten thermischen Stabilität einiger Motorenbauteile, vorrangig Polymerwerkstoffe, die bei hohen Umgebungsbedingungen eine begrenzte Lebensdauer haben und somit durch die ungenügende Kühlung frühzeitig zerstört werden können.

Da der Einbau mehrere hundert Meter unterhalb des Wasserspiegels (10m Wassersäule entspricht bei 20°C ca. 1bar) im Fluid, dem Thermalwasser, erfolgt, muss die Pumpe eine absolute Dichtheit des Motors und der spannungsführenden Teile aufweisen.

Tauchkreiselpumpen werden in allen Strom- und Wärmeprojekten im bayrischen Raum eingesetzt. Da sich die Pumpen aus der Kohlenwasserstoffförderung entwickelt haben bzw. die Technik übernommen wurde, sind diese wie sich bis jetzt gezeigt hat nur bedingt für die Geothermie und hier im speziellen für die hohen Förderraten und Temperaturen bei Stromerzeugungsprojekten geeignet. Bei den Wärmeprojekten ergeben sich weitaus weniger Probleme mit den Pumpen wie bei den Stromprojekten. Dies liegt unter anderem an den geringeren Thermalwassertemperaturen (max. 107°C) und Volumenströmen (<100l/s) der reinen Wärmeprojekte. Diese günstigeren Bedingungen führen zu längeren Standzeiten der Pumpen, die durchaus mehr als 10 Jahre betragen können.

Durch die hohe Leistungsdichte bei den Stromprojekten in der Geothermie, bei denen Temperaturen von weit über 100°C und Förderraten von bis zu 170l/s (testweise bereits bis zu 185 l/s) realisiert werden, ist die Standzeit der Pumpen derzeit noch ernüchternd. Die Lebenszeiten der Pumpen reichen derzeit von wenigen Monaten bis hin zu 2 Jahren. Dabei sind die Schäden vielfältig. Sie reichen von elektrischen Störungen im Motor bis hin zu Materialschwächen/ -ermüdungen in der Hydraulik, den Protektoren und den Motoren. Hinzu kommen noch Schäden und Störungen an den übertägigen Betriebseinrichtungen der Förderpumpen im Frequenzumformer, Transformator und den Spannungskabeln nach Untertage.

Durch den kleinen Geothermie-Markt ist es für Pumpenhersteller schwer, umfassende Entwicklungen speziell für die Geothermie zu tätigen. Doch sind diese ESPs für die Geothermie-Anwendungen – gerade in der bayrischen Molasse, wo hohe Förderleistungen gefordert sind – nur bedingt geeignet, was an den Standzeiten der eingesetzten Pumpen in den letzten Jahren zu erkennen war.

Die eingesetzten Pumpen in den Stromprojekten haben mehrere hundert bis ca. 1600 Kilowatt Antriebsleistung, sind in den oberen Leistungsklassen 30-50m lang und haben gerade mal einen Durchmesser von rd. 8-10 Zoll‘‘ (200-250mm). Somit ist verständlich, dass diese Aggregate häufig das Ausfallrisiko Nr. 1 bei Geothermiekraftwerken sind. Bedingt durch den kleinen Markt, sind die Hersteller ohne entsprechende Unterstützung wirtschaftlich nicht in der Lage, Pumpen mit größerem Durchmesser von 11“ und mehr zu entwickeln. Diese würden durch das bessere Leistungs-Durchmesser-Verhältnis eventuell höhere Standzeiten erreichen.

Hat man sich als Betreiber eines Geothermie-Kraftwerks einmal für einen Hersteller und dessen System entschieden, ist es zwar möglich, oftmals finanziell und technisch jedoch schwierig, alternative Pumpensysteme einzusetzen, da das komplette System (Frequenzumformer, Transformator, Kabel und Pumpeneinheit) herstellerspezifisch ist und ausgetauscht werden müsste.
Da die Pumpe das Kernstück eines Geothermie-Projekts darstellt, sind längere Ausfälle der Pumpe wirtschaftlich schwerwiegend. Neben den Aus-/ Einbaukosten, die meist im sechsstelligen Bereich liegen, sind Ausfälle der Einnahmen aus der Stromeinspeisung und die Bereitstellung von redundanten Wärmequellen für die Fernwärmeversorgung zu verzeichnen. 

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