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Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserfördereinrichtung mit einem Förderbrunnen und einem zugeordneten Wasserentnahmebereich zur Entnahme von Grundwasser oder Thermalwasser durch den Förderbrunnen aus einem Aquifer.
Gattungsmässige Wasserfördereinrichtungen sind beim Stand der Technik bekannt. Sie dienen der Entnahme von Grundwasser oder Thermalwasser aus Aquiferen.
Als Thermalwassersysteme bezeichnet man tiefere Grundwasserzirkulationssysteme (Aquifere) mit höher temperierten und oft relativ hoch mineralisierten Wässern (Thermalsohlen). Sie werden in der Regel durch tiefe Brunnen erschlossen und können im Kreislauf bewirtschaftet werden (künstliches Fliesssystem). Dabei dienen einige Bohrungen als Förderbrunnen und andere zur Injektionen des abgekühlten Wassers. Genutzt werden kann bei erschlossenen Thermalwasser- systemen einerseits das thermische Potential dieser Wässer (Energiegewinnung, Geothermie) und andererseits deren therapeutisch wirksame Inhaltsstoffe als Heilmittel für balneologische Anwen- dungen (Kur- und Badebetrieb, Heilwasser). Eine Kombination beider Nutzungsmöglichkeiten erhöht die Wirtschaftlichkeit der Anlagen.
Neben den höheren Konzentrationen an Mineralien führen Thermalwässer oft höhere Gehalte an Kohlendioxyd (C02) und stehen unter höherem Druck. Bei der Förderung dieser Wässer tritt häufig ein Gas-Wassergemisch auf. Da Grundwässer und im besonderen Thermalwässer meist auch Calcium- und Magnesiumionen enthalten, kommt es beim Entspannen (Druckerniedrigung, Austritt von CO2) häufig zur Ausfällung von Wasserin- haltsstoffen, wie zum Beispiel Carbonaten und im besonderen Calciumcarbonat (Kalk); letzteres gemäss der Formel:
Ca (HCO3) 2# CaC03 #+ CO2 t + H20
Diese Ausfällung stellt bei der Nutzung von Grundwassern ein nicht unerhebliches Problem und bei der Nutzung von Thermalwässern das eigentliche Kardinalproblem dar, da das enthaltene CO2 nach oder während der Förderung unweigerlich an irgendeiner Stelle aus dem Gas- Wassergemisch entlassen werden muss und es bei der Entlösung des Gases zur Ausfällung von Wasserinhaltsstoffen, insbesondere zur Bildung von Kalk, kommt. Diese Abscheidungen, insbe- sondere Kalkabscheidungen, führen dann zur Verschliessung der Rohrleitungen oder anderer Teile der Förderanlage. Bei Anlagen zur Thermalwasserförderung werden insbesondere häufig auch die Rohrleitungen inklusive Wärmetauscher und Injektionsbohrung verschlossen. Dies führt dazu, dass die Wasserförderanlagen nicht mehr betriebsfähig sind.
Sie müssen dann aufwendig regeneriert werden, was zum Beispiel in der Praxis durch Säuerung der Rohrleitungen und auch des Injekti- onsbrunnens vorgenommen wird. Hierbei tritt eine starke chemische Beanspruchung der Materia- lien auf, was wiederum unweigerlich zu einer frühzeitigen Zerstörung der gesamten Anlage führt.
Um eine langfristige Förderbarkeit von Grundwässem bzw. Thermalwässern mit den gattungs- gemässen Wasserförderungseinrichtungen zu gewährleisten, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ausfällung von Wasserinhaltsstoffen, wie zum Beispiel Kalk oder anderen Carbona- ten, wirkungsvoll und an geeigneter Stelle zu verhindern.
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tung zur Abgabe von mindestens einem Inhibitor in das aufsteigende Grundwasser oder Thermal- wasser angeordnet ist, wobei der Inhibitor das Ausfällen von mindestens einem Wasserinhaltsstoff, vorzugsweise von Carbonaten, aus dem Grundwasser oder Thermalwasser verhindert.
Erfindungsgemäss wird somit durch die gezielte Zugabe von Inhibitoren zum Grund- oder Ther- malwasser innerhalb des Förderbrunnens, die Ausfällung von Wasserinhaltsstoffen (z.B. Kalk oder andere Carbonate) bei der Förderung wirkungsvoll verhindert. Es kommt nicht zum Ausfallen der Wasserinhaltsstoffe bei der Entlösung der in dem Grundwasser oder Thermalwasser enthaltenen Gase. Die Wasserfördereinrichtung zur Gewinnung des Grundwassers oder Thermalwassers ist somit nicht durch die ausgefällten Wasserinhaltsstoffe belastet und wird durch sie auch nicht mit der Zeit verstopft. Darüber hinaus wird die Korrosion von Werkstoffen der Wasserfördereinrichtung verhindert bzw. reduziert.
In einer günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Injektionseinrichtung mindestens einen Injektionsbereich aufweist, in dem der Inhibitor in das Grundwasser oder Thermalwasser abgebbar ist, wobei der Injektionsbereich unterhalb eines Ausfällungsbereiches, in dem die Entlö- sung von Gasen beim Aufstieg des Grundwassers oder Thermalwassers stattfindet, angeordnet ist.
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Die Inhibitoren werden somit über eine im Förderbrunnen angeordnete Injektionseinrichtung in das aufsteigende Grundwasser, vorzugsweise deutlich unterhalb des Ausfällungsbereiches, injiziert.
Der Ausfällungsbereich ist hierbei derjenige Tiefenabschnitt, in dem die Entlösung von Gasen beim Aufstieg des Grundwassers oder Thermalwassers stattfindet. Er kann zwischen 0 und mehr als 1500 Metern unter der Geländeoberkannte liegen. Der Injektionsbereich ist hierbei günstigerweise so weit unter dem Ausfällungsbereich angeordnet, dass sich in der zwischen diesen Bereichen liegenden sogenannten Mischzone eine gute, vorzugsweise vollständige, Durchmischung des aufsteigenden Grund- oder Thermalwassers mit dem Inhibitor ergibt.
Bei der Wahl der Inhibitoren stehen verschiedene Stoffe zur Verfügung. Besonders günstig ist es, wenn der Inhibitor ein Komplexbildner ist und eine stärkere Bindung zu mindestens einem Ion eines Carbonats, vorzugsweise zu Calcium, aufbaut, als dies beim sonst entstehenden Carbonat der Fall ist. Der Inhibitor bzw. Komplexbildner ist hierbei dazu vorgesehen, im Wasser gelöste Ionen bzw. Wasserinhaltsstoffe anzulagern, sodass diese dem Gleichgewicht entzogen sind und es zu keiner Ausfällung von Carbonaten, Kalk oder anderen Wasserinhaltsstoffen mehr kommen kann. Als Inhibitor bieten sich Stoffe an, wie sie zur Enthärtung des Wassers bei Waschprozessen (Enthärter im Waschpulver) oder zur Enthärtung von Betriebswässern in Industriebetrieben (Inhibi- toren, Korrosionsverhinderer) eingesetzt werden.
Hierbei können sowohl anorganische Polyphos- phate als auch Komplexbildner auf organischer Basis eingesetzt werden. Für diese Stoffe muss jeweils im Einzelfall deren Verwendbarkeit (Tauglichkeit) für den vorgesehenen Einsatzzweck in den Wasserfördereinrichtungen sowie die Langzeitstabilität (mindestens 1 bis 2 Jahre) für den dauerhaften Betrieb getestet werden. Die Einspeisung der Inhibitoren erfolgt günstigerweise in einem Injektionsbereich, welcher mindestens 100 Meter, vorzugsweise mehrere 100 Meter, unter- halb des Wasserentnahmebereichs des Förderbrunnens liegt, damit das ankommende Wasser gut mit den Inhibitoren durchmischt wird, und die Wasserinhaltsstoffe am Brunnenkopf bzw. Entnah- mebereich bereits gut bzw. vollständig komplexiert sind.
Als Inhibitoren sind im allgemeinen Mittel zur Verhinderung der Ausfällung von Wasserinhaltsstoffen oder Mittel zur Härtestabilisation erfin- dungsgemäss verwendbar. Diese können gashaltig, kohlenstoffdioxidhaltig, mineralhaltig, calcium- haltig oder hydrogencarbonathaltig sein. Als geeignete Inhibitoren bzw. Mittel zur Verhinderung der Ausfällung von Carbonaten sind im Speziellen NALCO 43-50 des Herstellers NALCO, Albaphos F34 des Herstellers BK Giulini Chemie und Dekalin Stab TS des Herstellers UCM Heidelberg GmbH zu nennen.
Der Inhibitor kann sowohl mittels einer Injektionspumpe, als auch drucklos in das aufsteigende Grundwasser oder Thermalwasser eingespeist werden. Unter einer drucklosen Einspeisung wird hierbei verstanden, dass der Inhibitor allein aufgrund seiner grösseren Dichte oder durch Ansaugen (freier Fall) ohne die Verwendung von Pumpen im Injektionsbereich in das Wasser eingespeist wird. Die einzuspeisende Inhibitormenge wird hierbei günstigerweise über einen Durchflussmesser und ein Regelventil geregelt. Diese Bauteile können in die Injektionseinrichtung integriert sein. Im Injektionsbereich innerhalb des Förderbrunnens herrschen günstigerweise Drücke von 1 bar bis 100 bar, insbesondere von 2 bar bis 50 bar.
Der Aufstieg des Grundwassers kann sowohl von selbst erfolgen, als auch durch mindestens eine geeignete Pumpeinrichtung herbeigeführt oder unterstützt werden. Um eine unnötige Belas- tung der Umwelt zu vermeiden kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Inhibitor biologisch abbaubar ist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Be- schreibung der beiliegenden Figur. Diese zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemässen Wasserfördereinrichtung.
In der Figur ist eine Wasserfördereinrichtung gezeigt, welche ein Teil einer geothermischen An- lage ist. Aus dem Förderbrunnen 1 wird im Wasserentnahmebereich (Brunnenkopf) 12 Wasser entnommen und über die Ableitung 13 der geothermischen Anlage (nicht dargestellt) zugeführt. Im Förderbrunnen 1 ist zur Injektion des Inhibitors die Injektionseinrichtung 2 vorgesehen. Diese dosiert den im Behälter 11bevorrateten Inhibitor im Injektionsbereich 5 dem in Richtung 8 aufstei- genden Wasser zu. Hierfür ist in der Injektionsleitung 3 der Injektionseinrichtung 2 eine Pumpe 10 sowie ein Regelventil 9 vorgesehen, über die die exakte Dosierung geregelt werden kann. Der Austritt des Inhibitors im Injektionsbereich 5 erfolgt über die Injektionsdüse 4.
Im Anschluss an die Injektion vermischt sich der Inhibitor mit dem aufsteigenden Wasser im schematisch angedeuteten
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Mischbereich 6. Dieser liegt unterhalb des Ausfällungsbereiches 7, in dem die Entlösung von Gasen beim Aufstieg des Grund- oder Thermalwassers stattfindet. Durch die in der Figur gezeigte Anordnung wird erreicht, dass die unerwünschten Wasserinhaltsstoffe spätestens im Entgasungs- bereich vollständig komplexiert sind und es dadurch nicht zum Ausfällen der Wasserinhaltsstoffe bzw. Carbonate und im Speziellen des Kalks kommen kann. Hierdurch sind die nicht weiter gezeig- ten Bauteile der Wasserfördereinrichtung, wirkungsvoll vor ungewünschten Ablagerungen und der hiermit einhergehenden Verstopfung geschützt.
Der Entgasungsbereich ist derjenige Tiefenab- schnitt der Bohrung, in dem die Entgasung des aufsteigenden Wassers aufgrund der dort vorherr- schenden Druck- und Temperaturverhältnisse beginnt.
Die Dosierung des Inhibitors muss jeweils an verschiedene Betriebsparameter der Wasserför- dereinrichtung angepasst werden. Hierbei sind vor allem die Fördermenge pro Zeit, die Zusammen- setzung des zu fördernden Wassers, im Speziellen die Menge der zu komplexierenden Wasserin- haltsstoffe, die Temperaturen, die Druckverhältnisse usw. zu berücksichtigen. Als die optimale Inhibitormenge ist jene Menge zu dosieren, welche mindestens benötigt wird, um die ungewünsch- te Ausfällung an Wasserinhaltsstoffen bzw. die Abscheidung von Carbonaten, im Besonderen von Kalk, zu verhindern. Jede darüber hinausgehende Menge stellt eine Überdosierung dar und würde sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Wasserfördereinrichtung auswirken. Die Auswahl des geeigneten Inhibitors sowie der benötigten Konzentration bzw.
Dosierung kann erfolgen, in dem der Inhibitor in variierenden Mengen injiziert wird. Durch visuelle Prüfung vor Ort oder chemische Analyse regelmässig entnommener Wasserproben sowie durch Laborversuche mit den Wasserpro- ben kann anschliessend eine Entscheidung über den optimalen Inhibitor und die benötigte Dosie- rung getroffen werden. Eine Überprüfung dieser Ergebnisse, sollte durch Langzeituntersuchungen erfolgen.
Soll speziell die Wirksamkeit von verschiedenen Inhibitoren zur Verhinderung der Ausfällung von Kalk untersucht werden, lässt sich eine Differenzierung der Wirksamkeit der einzelnen Inhibito- ren herbeiführen, wenn die Menge an gelöstem CO2 in der Wasserprobe verringert wird. Dies erfolgt in einer einfachen Variante durch Öffnen der Probeflaschen. So zeigen Proben mit weniger geeigneten Inhibitoren, bereits nach wenigen Tagen nach der Öffnung der Probengefässe eine erkennbare Kalkausfällung, nachdem zumindest Teile des Kohlendioxids aus dem Wasser entwi- chen sind. Noch deutlicher wird dieser Effekt, wenn man die Proben weitestgehend vom gelösten CO2 befreit. Hierzu können die Proben im Labor für 24 Stunden mit Stickstoff entgast werden, wodurch eine fast vollständige Entfernung des noch in Lösung befindlichen CO2 aus dem Wasser erreicht wird.
Hierbei verschiebt sich das zugrundeliegende Kalk-Kohlensäuregleichgewicht so, dass eine Kalkabscheidung begünstigt wird. Diese tritt nur dann nicht oder in nur geringem Masse auf, wenn in der jeweiligen Wasserprobe ein Inhibitor anwesend ist, der das Calcium wirksam binden kann. Jene Wasserprobe die den Inhibitor enthält, welcher das Calcium am besten zu komplexieren (binden) vermag, zeigt demgemäss keine oder nur geringe Trübung (erkennbare Kalkausfällung). Im Zuge solcher Untersuchungen konnte bei einer speziellen Testbohrung festge- stellt werden, dass bei einer geförderten Wassermenge von 60 Litem pro Sekunde eine Zudosie- rung von 2,5 Litern pro Stunde des Inhibitors NALCO 43-50 eine optimale Bindung des Calciums und damit Verhinderung der Kalkabscheidung erreicht ist. Dies entspricht einer wirksamen Kon- zentration von 10 g/m3.
Zur Untersuchung der Wirksamkeit des Inhibitors bei der Komplexbildung bzw. dessen Calci- um-Bindungsvermögens nach starker thermischer Belastung können die Wasserproben auch in Glasampullen gasdicht abgefüllt und anschliessend in einem Trockenschrank einer Temperatur bis ca. 90 Celsius ausgesetzt werden. Diese Vorgehensweise dient der Untersuchung der Langzeit- stabilität der Inhibitoren. Sollen höhere Temperaturen erreicht werden, so ist die Verwendung druckstabilisierter Behälter zu empfehlen. Die Langzeitversuche können über Zeitintervalle, von 1 oder mehreren Jahren durchgeführt werden und sind besonders dann anzuraten, wenn wie bei Thermalbohrungen aussergewöhnliche äussere Bedingungen (Temperaturen > 100 Celsius, hoher Druck) vorherrschen und die verwendeten Inhibitoren diesen Bedingungen über längere Zeiten standhalten sollen.