Wärmeträgerflüssigkeiten für oberflächennahe Geothermie

Frostschutz und Korrosionsschutz

Dr. Achim Stankowiak

Die oberflächennahe Geothermie (Erdwärme) hat speziell in den letzten Jahren einen deutlichen Aufschwung erfahren. Obwohl in der Gesamtinvestition nur von abso­lut untergeordneter Bedeutung, ist die Wahl der richtigen Wärmeträgerflüssigkeit für einen lang­jährigen, reibungslosen und wartungsarmen Betrieb von enormer Bedeutung.

Für einen effi­zienten und sicheren Gebrauch einer oberflä­chennahen Geothermie-Anlage sollte ein Wär­meträgerfluid eingesetzt werden, das sowohl Frostschutz als auch einen zuverlässigen Korrosionsschutz bietet. Im Folgenden werden die Anforderungen an eine moderne Geothermie-Wärmeträgerflüssig­keit beschrieben.

Wasser hat für die Anwendung in der oberflächennahen Geothermie drei entscheidende Nachteile:

Mit einer spezifischen Wärmekapa­zität von 4,2 kJ/(kg x K) ist Wasser die effektivste Wärmeträgerflüssigkeit. Wasser hat jedoch für die Anwendung in der oberflächennahen Geothermie drei entscheidende Nachteile:

• Wasser gefriert bekanntlich bei 0°C
• Wasser entwickelt beim Gefrieren eine enorme Sprengwirkung
• Wasser ist sehr korrosiv

Diesen Nachteilen kann man durch den Zusatz geeigneter Additive (gefrierpunkt­senkende Substanzen und Korrosions­schutzmittel) entgegenwirken. Bei der Auswahl dieser Additive muss allerdings den Auswirkungen dieser Mittel auf das Erdreich/Grundwasser im Fall einer Le­ckage besonders Rechnung getragen werden.

Auswahl der Frostschutzkomponente

Hauptbestandteil der Wärmeträgerfluide ist die frostschützende Komponente. Hier kommen hauptsächlich Monoethylen- und Monopropylenglykol in Frage. Die Glykole sind die gängigsten eingesetzten Frostschutzmittel. Monopropylenglykol (MPG) ist toxikologisch und physiologisch weitgehend unbedenklich, weist jedoch gegenüber Monoethylenglykol (MEG) (gesundheitsschädlich gekennzeichnet) Nachteile bei den physikalischen Eigen­schaften auf (s.Tab.1). D.h., für die gleiche Frostsicherheit muss mehr MPG eingesetzt werden als MEG, was zu einem Nachteil hinsichtlilch der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit führt. Der Abbau der Glykole in den verschie­denen Bodenschichten ist gegeben und die Abbauprodukte toxikologisch un­bedenklich.

Beide Glykole sind in der geringstmöglichen Wassergefährdungs­klasse 1 (schwach wassergefährdend) eingestuft. Betaine können alternativ zu glykolischen Wärmeträgern eingesetzt werden. Die physikalischen Kennwerte gegenüber Glykolen sind eher schlechter einzuschätzen, und Langzeiterfahrungen betreffend den Korrosionsschutz sind nicht bekannt. Entscheidend ist jedoch, dass unter den Abbauprodukten toxiko­logisch bedenkliche Stoffe wie Trimethyl­amin gefunden wurden. Eine aufschluss­reiche Studie zu diesem Thema wurde von Kappler et al., Geothermics 36 (2007) 348-361, veröffentlicht.

Salze wie z.B. Calciumchlorid oder auch Kaliumcarbonat liefern ebenfalls entspre­chende Frostsicherheiten. Beide genann­ten Solen können jedoch nach heutigem Stand der Technik nicht gut vor Korrosion schützen. Kaliumkarbonat wird diesbezüglich als problematisch bezeichnet und würde im Leckagefall auch zu einer alkalischen pH-Verschiebung der betroffenen Bo­denschichten führen. Calciumchlorid kommt heute nur noch sehr selten zum Einsatz, da es als stark korrosiv eingestuft wird und häufig zu Lochfraß auf Edelstahl führt. Aufgrund der guten biologischen Abbau­barkeit von Glykolen und des problema­tischen Verhaltens von Salzsolen und Be­tain […]