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Eine Unterwasserpumpe (electric submersible pump, ESP) oder Tauchpumpe wird in der Tiefengeothermie eingesetzt, um Thermalwasser aus der Förderbohrung zu fördern.
Die Unterwasserpumpe muss in einer Tiefe unterhalb der Wasserspiegelabsenkung eingebaut (meist in einigen hundert Metern Tiefe) werden. Die Absenkung des Wasserspiegels erzeugt dabei den Unterdruck im Aquifer, der dafür sorgt, dass das Wasser dem Bohrloch zuströmt.
Unterwasserpumpen haben Leistungen bis zu über tausend kW. Sie werden entweder durch einen integrierten Elektromotor oder durch eine Welle von über Tage (Gestängepumpe) angetrieben. Sie verursachen in einem Geothermieprojekt den gößten Eigenverbrauch und begründen wesentlich den Unterschied zwischen der Brutto- und der Nettoleistung einer Anlage.
Tauchpumpen waren 2015 die am meisten anfälligen Anlagenteile und können durch ihre Wartungskosten die Wirtschaftlichkeit einer Anlage gefährden.
Unterwasserpumpen sind heute (in Deutschland) in drei Ausführungen im Einsatz:
Im Wesentlichen stehen für die Förderung von Thermalwässern für die geothermische Nutzung Tauchkreiselpumpen (ESP) und Gestängepumpen (LSP) zu Verfügung. Bei beiden Typen handelt es sich um sog. Strömungspumpen, welche die durch rotierende Laufräder (Impeller) entwickelten Fliehkräfte nutzen, um Flüssigkeiten zu fördern. Dabei wird die kinetische Energie der rotierenden Impeller als Impuls an das Fluid übergeben und dieses radial beschleunigt. Die resultierende Druckerhöhung ist für die Überwindung der Durchflusswiderstände und den Transport des Fluids verantwortlich. Beide Pumpentypen werden mehrstufig gebaut, d.h. mehrere Impeller werden je nach benötigtem Druck in Reihe geschaltet von einer Welle angetrieben.
Der grundsätzliche Unterschied zwischen beiden Pumpentypen ist die Position des Pumpenantriebs. Die Welle der Tauchkreiselpumpe wird über einen unter der eigentlichen Pumpe befindlichen Elektromotor im Bohrloch angetrieben, welcher durch eine Dichtungssektion vor dem geförderten Thermalwasser geschützt wird. Bei der Gestängepumpe sitzt der Motor obertägig über dem Bohrloch und treibt die Laufräder der Pumpe über eine entsprechend lange Welle an.
| Gestängepumpe (line shaft pump, LSP) | Tauchpumpe (electrical submersible pumps, ESP) |
Tiefe der Pumpeinheit | begrenzt auf etwa 600 - 700 m | Ausgeliefert für Tiefen > 1km |
Bohrungsablenkung | Das Pumpengehäuse muss in etwa vertikal sein | Installation in abgelenkten Bohrungen ist möglich |
Installationszeit | zeitaufwändig | schnell |
Antriebsmotor | über Tage | im Bohrloch |
Temperatur | hoch, bis ~205°C | begrenzt auf ~160°C* |
Pumpen- und Motoreffizienz | höher (Pumpen: 75-80%, Motoren bis 98%) | niedriger (Pumpen: 75-80%, Motoren bis 96%) |
Capital and O&M Cost | preiswerter | teurer |
Wartungsinterval | planbar | häufiger |
Pumpraten | niedriger ~150 kg/s | höher, bis 200 kg/s, wesentlich niedriger an der Grenztemperatur ~100 kg/s |
Pumpendruck | bis 7 MPa | bis 7.5 MPa |
Umwelteinwirkungen | Dichtigkeit des Schmiersystems | keine |
Zusammenfassung | Bis zu 100 kg/s bewährt, bei 150 kg/s fraglich | bewährt bis zu 160°C |
Der Leistungsbedarf an der Welle einer Thermalwasserpumpe wird durch folgende Formel beschrieben:
PWelle [W] = P[kgm2 s-3] x Q[m3s-1] x H[m] n
P: Wellenleistung
p : Dichte Fördermedium
g: Erdbeschleunigung
Q: Förderrate
H: Förderhöhe
n: Wirkungsgrad der Pumpe
Zur Berechnung des Leistungsbedarfs ist daher neben der Kenntnis des Pumpenwirkungsgrads der Produktivitätsindex (PI) der Bohrung entscheidend. Der PI beschreibt die Förderrate in Abhängigkeit von der Druckabsenkung:
PI [m3s-1 x MPa] = Q[m3s-1] s[MPa]
PI: Produktivitätsindex
Q: Förderrate
s: Absenkung des Wasserspiegels
Die Bestimmung des PI erfolgt über hydraulische Tests in der Bohrung. Dabei ist der PI abhängig von den hydraulischen Eigenschaften des Reservoirs und denen der Bohrung selbst. Eine Rolle spielen Brunnenspeicherung, Rohrrauigkeit, Rohrdurchmesser und Strömungsgeschwindigkeit. Letztere bestimmen auch, ob das Medium im Steigrohr laminar oder turbulent strömt.
Bettge, D.: Auswertung der Pumpenschäden. In: Schröder, H. (Hrsg.): Langfristige Betriebssicherheit geothermischer Anlagen Nummer Fed. Inst. for Materials Res. and Testing, Hannover (2009)
Gülich, J., F.: Werkstoffwahl für hohe Geschwindigkeiten. In: Kreiselpumpen. Berlin, Heidelberg : Springer, 2010
Leilich, J.: Optimierung und Monitoring von Exzenterschneckenpumpen fürden Downhole-Betrieb zur Rohölgewinnung. Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Uni. Erlangen, 2007
Müller, M., Kaltschmitt, M.: Workshop zur Tiefpumpentechnik. In: GTE Nummer 48 (2005), S. 25-26
Guillaume RAVIER, Guerric VILLADANGOS, and Al : Operating a Line Shaft Pump in a Slim-hole with Highly Aggressive Geothermal conditions: Results from the EGS Soultz Site , World Geothermal Congress, 2015
Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018
Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank unter den Stichworten 'Unterwasserpumpe', 'Tauchpumpe', 'Tauchkreiselpumpe', 'Gestängepumpe', oder den entsprechenden englischen Begriffe, wie 'line shaft pump'.
http://egec.info/wp-content/uploads/2012/06/SRA-Geothermal-Electricity.pdf
zuletzt bearbeitet Mai 2023, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
