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Unterwasserpumpe

Details einer mehrstufigen Förderpumpe. Quelle SWM
Tauchpumpe fertig zum Einbau. Quelle: Alan Ovyoski.

Eine Unterwasserpumpe (submersible pump) 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 kWatt. 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.

Grundtypen

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.

 

Line shaft Pumps (LSP)

Electrical Submersible Pumps (ESP)

Impellor setting depth

Limited to about  600 - 700 m

Relatively deeper > 1km

Bore deviation

Pump chamber casing must be vertical

Deviated production casing possible

Time installation

Time consuming

Quick

Motor driver location

At surface

Down hole

Temperature capability

High ~205°C

Limited to ~160°C*

Pump and motor efficiency

Higher (pumps are 75-80% efficient. Motors up to 98%)+

Lower (pumps are 75-80% efficient. Motors up to 96%)+

Wear prone

Less (lower speed)

More (higher speed)

Capital and O&M Cost

Less expensive

More expensive

Maintenance schedule

Predictable

Routine inspection

Flow rates

Less (~150 kg/s)**

More (Up to 250 kg/s at low temperatures but much lower (~100 kg/s) close to the rated temperature capability) +

Delivery pressures

Up to 7 MPa

Up to 7.5 MPa

Environmental Impact

Oil lubrication system used for shaft bearings

None

Suitability with respect to above example

Suitable at 100 kg/s but not suitable at 150 kg/s because of excessive setting depth requirement

Suitable for binary projects (i.e. temperature less than 160°C).

Leistung

Der Leistungsbedarf an der Welle einer Thermalwasserpumpe wird durch folgende Formel beschrieben:

PWelle [W] = p[kgm3] x Q[m3s] 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 (2):

PI [m3s x MPa] = Q[m3s] 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, ob das Medium im Steigrohr laminar oder turbulent strömt.

Einsatzbeispiele

Soultz sous-Forêts (160-165°C WHT)

  • 1 LSP Einheit mit 35l/s Pumpleistung in 350mTiefe, eingebaut in GPK2. Diese Pumpe hatte 3 Ausfälle in 2 Jahren. Sie hatte ansonsten eine sehr gute Effizienz (54% - 67%)
  • 1 ESP Einheit mit 40l//s Pumpleistung. Genutzt wurden 25l/s während 12,5 Monaten (effektive Laufzeit ~3500 h mit 14 stop/start Zyklen). Eingebaut ist die Pumpe in 500m Tiefe in Bohrung GPK4. Die Effektivität war bei 34%, eine Folge der niedrigen Produktivität dieser Bohrung.

Landau (160°C WHT)

  • 1 LSP Einheit mit 80l/s Pumpleistung, eingebaut in 360mTiefe. Diese Pumpe arbeitete 2 Jahre bis zu einem Austausch des Schmiermittels. Seither läuft die Pumpe (> 5 Jahre) weitgehend störungsfrei.

Literatur

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', 'line shaft pump'.

Weblink

http://egec.info/wp-content/uploads/2012/06/SRA-Geothermal-Electricity.pdf