Abstract:
Diese Studie untersucht in drei Veröffentlichungen die Herkunft, Handhabung und Nutzung von Kohlenstoffdioxid (CO$_2$) in binären geothermischen Systemen. Die geothermische Energiegewinnung ist eine attraktive Option für die Dekarbonisierung der Strom- und Wärmeerzeugung. Nicht kondensierbare Gase, die in den meisten geothermischen Reservoiren natürlicherweise vorhanden sind, insbesondere CO$_2$, stellen eine Herausforderung in Bezug auf Korrosion, Ausfällung und Umweltauswirkungen dar.
Die Bedeutung eines Multi-Proxy-Ansatzes wird aufgezeigt bei der Charakterisierung von Karbonat-Reservoiren, um eine zuverlässige stratigraphische Korrelation bei der geothermischen Exploration zu erhalten. ... mehrDie karbonatischen Reservoirfluide sind aufgrund der thermischen Zersetzung der Gesteine sehr wahrscheinlich mit CO$_2$ gesättigt. Petrographische und geochemische Daten wurden verwendet, um zwei verschiedene Marmorhorizonte aus einer geothermischen Explorationsbohrung in der Westtürkei mit Oberflächenanaloga zu korrelieren. Diese Korrelation ist für ein besseres Verständnis der Reservoirgeometrie von wesentlicher Bedeutung und unterstützt das konzeptionelle geologische Modell vor weiteren geothermischen Bohrungen.
Darüber hinaus werden drei verschiedene technische Optionen untersucht: darunter Druckhaltung, ein Gas-Bypass-System und eine sekundäre Gasturbine, um die Herausforderung der CO$_2$-Handhabung während des Anlagenbetriebs zu meistern. Die geothermische Anlage in Bruchsal, Deutschland, dient als Fallbeispiel für die Prozesssimulation und weitere Analysen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass ein Gasbypass, der CO$_2$ aus dem Wärmetauschersystem ausschließt, die beste Option ist, um CO$_2$-Emissionen zu vermeiden und die höchstmögliche Leistung für die Bruchsaler Anlagenbedingungen zu erreichen. Bei einem mittleren bis höheren Gasgehalt (5-20 g/L; 0,5-2 wt-%) kann eine sekundäre Gasturbine eine geeignete Option zur Stromerzeugung zusätzlich zur üblichen Anlagenauslegung darstellen. Bei geringerem CO$_2$-Gehalt (0-5 g/L oder 0-0,5 wt-%; geringe Salinität zwischen 0-100 g/L) der Sole ist eine konventionelle Druckhaltung auf einem geeigneten Druckniveau ausreichend, um das CO$_2$ optimal handzuhaben.
Neben der Minderung der CO$_2$-Emissionen wird in dieser Studie auch die Nutzung von CO$_2$ bei der Ausfällung von Lithiumcarbonat untersucht. Die Experimente zeigen, dass CO$_2$ aus einer geothermischen Anlage, sowie potenziell jedes andere industrielle CO$_2$, für die Ausfällung von Lithiumcarbonat verwendet werden kann. Die Rückgewinnungsrate für Lithium ist zwischen dem heterogenen (bis zu 31,8 %) und dem homogenen Fällungsprozess (bis zu 53,4 %) im Labor vergleichbar, wobei auch eine vergleichbare Reinheit erreicht wird. Die Reinheit der Ausfällungen aus den Experimenten an der Geothermieanlage (Bruchsal, Deutschland) mit einer initialen Li-Konzentration von 5 g/L und 10 g/L beträgt 84,4 % bzw. 93,3 %, was nur geringfügig niedriger ist als die Ergebnisse des Laboraufbaus (88,3 % bzw. 94,8 %). Die Beobachtungen während der Ausfällungsversuche zeigen, dass die heterogene Ausfällung bei 50 °C und höheren initialen Li-Konzentrationen im Vergleich zu den Experimenten bei 25 °C eine bessere Performance in Bezug auf die Reaktionszeit aufweist und bestätigen, dass die Übersättigung und die Fällungskinetik bei höheren Reaktionstemperaturen verbessert werden.
Die Verwendung von CO$_2$ auf diese Weise ist nachhaltig, da das CO$_2$ aufgefangen und wiederverwendet wird. Eine weitere Optimierung des Fällungsprozesses könnte die Rückgewinnungsraten erhöhen. Die Weiterverwendung der restlichen LiCl-Lösung könnte ebenfalls eine praktikable Option zur Steigerung der Rückgewinnung darstellen.
Insgesamt präsentiert diese Arbeit eine umfassende Betrachtung zur Herkunft, Handhabung und Nutzung von CO$_2$ in binären geothermischen Systemen. Die Ergebnisse zeigen detaillierte Ansätze für die Herausforderungen und potenziellen Möglichkeiten der Dekarbonisierung der Strom- und Wärmeerzeugung mit Hilfe der Tiefengeothermie. Die Nutzung von CO$_2$ bei der Herstellung von Lithiumcarbonat bietet einen vielversprechenden Weg zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und zur Steigerung der Ressourcengewinnung.
Abstract (englisch):
This study investigates the origin, handling and utilisation of Carbon dioxide (CO$_2$) in binary geothermal systems in three publications. Geothermal energy is an attractive option for decarbonising power and heat production, but non-condensable gases naturally present in the majority of geothermal reservoirs, especially CO$_2$, pose a challenge in terms of corrosion, precipitation, and environmental impact.
The importance of a multi-proxy approach is highlighted to obtain reliable stratigraphic correlations in geothermal exploration. Carbonate reservoir fluids are most likely saturated with CO$_2$ due to thermal decomposition of the rocks. ... mehrPetrographical and geochemical data were used to correlate two different marble horizons from a geothermal exploration well in western Turkey with surface analogues. This correlation is essential for a better understanding of the reservoir geometry and supports the conceptual geological model prior to further geothermal drilling.
Furthermore, three different technical options are being explored, including pressure maintenance, a gas bypass system and a secondary gas turbine, to overcome the challenge of CO$_2$ handling during plant operation. The geothermal plant in Bruchsal, Germany, serves as a case study for process simulation and further analysis. The study concludes that a gas bypass that excludes CO$_2$ from the heat exchanger system is the best option to avoid CO$_2$ emissions and achieve the highest possible power output for Bruchsal plant conditions. At moderate to high gas content (5-20 g/L; 0.5-2 wt-%), a secondary gas turbine may be a suitable option for generating power in addition to usual plant layout. At lower brine CO$_2$ content (0-5 g/L or 0-0.5 wt-%; low salinity between 0-100 g/L), conventional pressure maintenance at a suitable pressure level is sufficient to handle the CO$_2$.
In addition to mitigating CO$_2$ emissions, this study also investigates the utilisation of CO$_2$ in precipitating lithium carbonate. The experiments reveal that CO$_2$ from a geothermal power plant, as well as potentially any other industrial CO$_2$, can be used to precipitate lithium carbonate. The recovery rate for lithium is comparable between the laboratory heterogeneous (up to 31.8 %) and homogeneous precipitation (up to 53.4 %) processes, with comparable purity achieved. The purity of the precipitates from the on-site experiments (Bruchsal geothermal power plant, Germany) with 84.4 and 93.3 % at 5 g/L and 10 g/L initial Li concentration, respectively, are only slightly lower than the results obtained with the laboratory set-up (88.3 and 94.8 %). The observations during the precipitation experiments reveal that the heterogeneous precipitation at 50 °C and higher initial Li concentration have a better performance in terms of reaction time compared with the experiments at 25 °C and confirm supersaturation and precipitation kinetics being enhanced at higher reaction temperatures.
The utilisation of CO$_2$ in this way is sustainable since CO$_2$ is captured. One advantage would be the reduction of the CO$_2$ footprint and the positive environmental impact for both the product and the industrial process as the source of the CO$_2$ used. Further optimisation of the precipitation process could increase recovery rates. Recycling of the residual LiCl solution may also represent a viable option for increasing recovery.
Overall, this work presents a comprehensive study to the origin, handling, and utilisation of CO$_2$ in binary geothermal systems. The results offer profound insights into the challenges and potential opportunities for decarbonising power and heat production using deep geothermal energy. Utilising CO$_2$ in the production of lithium carbonate offers a promising avenue to reduce carbon emissions and increase resource recovery.
