Mikrobielle Korrosion in der Geothermie

Geothermische Energieanlagen nutzen Flüssigkeiten, die über lange Zeiträume unterirdisch unter hoher Temperatur, hohem Druck und geringem Sauerstoffgehalt isoliert waren. Dies sind genau die Bedingungen, unter denen anaerobe und thermophile Mikroorganismen gedeihen. Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC) ist ein bekanntes Risiko im Öl- und Gasbereich, wo Flüssigkeiten viele dieser Eigenschaften ebenfalls aufweisen. In geothermischen Anlagen gelten dieselben Mechanismen, und die anhaltend hohen Temperaturen sowie die langen Verweildauern der Flüssigkeiten können das Risiko noch verstärken.

Um zu verstehen, woher dieses Risiko stammt, ist es hilfreich, den Weg der Flüssigkeit selbst nachzuvollziehen.

Temperaturzonen in einem geothermischen Bohrloch

Geothermiewässer durchlaufen zwischen dem Reservoir und der Oberfläche mehrere unterschiedliche Temperaturzonen, und die mikrobielle Gemeinschaft verändert sich in jeder dieser Phasen.

Im tiefen Reservoir herrschen oft Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius. Dabei liegt die biologische Temperaturgrenze, d.h. die Temperatur, bei der nachgewiesen noch Mikroorganismen leben und wachsen, bei 126 °C. Während die Flüssigkeit durch das Förderbohrloch nach oben strömt, sinkt die Temperatur auf einen Bereich von 80 bis 200 °C. Diese Zwischenzone ist kühler als das Reservoir, aber immer noch weit von der Umgebungstemperatur entfernt. Sie liegt im Bereich der Thermophilen und Hyperthermophilen, also der Organismen, die an das Wachstum bei diesen Temperaturen angepasst sind.

Im Bereich der Oberflächenanlagen sinkt die Temperatur weiter auf 20 bis 80 °C. In diesem Bereich kann ein noch breiteres Spektrum an Mikroorganismen aktiv bleiben, was die mikrobielle Belastung, die die Flüssigkeit auf ihrem Weg nach oben bereits aufgenommen hat, noch verstärkt.

Die Flüssigkeit wird anschließend wieder in den Untergrund zurückgeführt und transportiert dabei die mikrobiellen und chemischen Veränderungen weiter, die sich über den gesamten Kreislauf hinweg angesammelt haben.

Mit anderen Worten: Das MIC-Risiko beschränkt sich nicht auf einen einzigen Punkt im System. Es verteilt sich über den gesamten Weg, den die Flüssigkeit zurücklegt – vom Lagerstättenbereich zur Oberfläche und wieder zurück –, wobei sich in jeder Phase Besiedlung und Korrosion entwickeln können.

Foto einer geothermischen Bohrlochkopfanlage und der oberirdischen Rohrleitungen, das die industrielle Infrastruktur zeigt, durch die die Flüssigkeit auf ihrem Weg zu den oberirdischen Anlagen fließt (KI-generiert). 

MIC-Risiko nach Systemtyp

Da die zugrunde liegenden Faktoren Temperatur und Flüssigkeitschemie sind, ist nicht jede geothermische Anlage in gleicher Weise denselben Risiken ausgesetzt. Die Art des Systems bestimmt, welcher Teil dieses Temperaturbereichs den Betrieb dominiert und welche mikrobiellen Gemeinschaften daher am relevantesten sind:

• Hochtemperatur-Geothermiekraftwerke arbeiten in dem Bereich, in dem Thermophile und Hyperthermophile aktiv sind, näher am Reservoir-Ende des Spektrums. Oberhalb von 126 °C spielen Mikroorganismen keine Rolle.

• Erweiterte geothermische Systeme (EGS) schaffen neue Kluftnetze und Strömungswege und damit neue Oberflächen für die Besiedlung durch Mikroorganismen, unabhängig von der Temperatur.

• Geothermische Wärmenetze werden am unteren Ende des Temperaturbereichs über große Rohrleitungsstrecken betrieben; diese Bedingungen eignen sich für ein breiteres Spektrum an Organismen, als es bei Hochtemperatursystemen der Fall ist.

• Energiesysteme im tiefen Untergrund vereinen hohen Druck, hohe Temperaturen und anaerobe Bedingungen, die durchgehend spezialisierte mikrobielle Gemeinschaften begünstigen.

• CO₂-reiche geothermische Flüssigkeiten fügen dem Temperaturprofil eine chemische Dimension hinzu, verändern den lokalen pH-Wert und liefern eine zusätzliche Kohlenstoffquelle, die Einfluss darauf hat, welche Organismen dominieren.

• Geothermisch-Wasserstoff-Schnittstellen stellen eine neuere Kombination dar und werfen die Frage auf, ob in diese Systeme eingebrachter Wasserstoff mit denselben mikrobiellen Gemeinschaften interagieren wird, die bereits in anderen unterirdischen Speicherkontexten mit Wasserstoffverlust in Verbindung gebracht werden.

Relevante Mikroorganismen

Über alle diese Systemtypen hinweg sind zwei mikrobielle Gruppen durchgängig beteiligt. Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) sind ein Haupttreiber der mikrobiell beeinflussten Korrosion (MIC), wobei ihre Stoffwechselnebenprodukte direkt zu Korrosion und Säurebildung beitragen. Eisenreduzierende Bakterien (IRB) beeinflussen die Chemie an der Grenzfläche zwischen Metall und Fluid und tragen über einen anderen Stoffwechselweg zur Korrosion bei.

Ihre Aktivität beschränkt sich nicht auf Korrosion. Dieselben mikrobiellen Prozesse sind häufig auch für die Bildung von Mineralablagerungen verantwortlich, die den Durchfluss einschränken und die Systemeffizienz verringern. Da Korrosion und Ablagerungen häufig gemeinsam auftreten und gemeinsame mikrobielle Ursachen haben, erfordert die Unterscheidung direkte mikrobielle Daten und nicht nur Rückschlüsse allein aus den physikalischen Schäden. 

Nahaufnahme von Lochfraß an einer Metalloberfläche, die die für mikrobiell bedingte Korrosion charakteristischen lokalen Lochfraßstellen zeigt. 

Erkennung

Wenn Korrosion oder Ablagerungen sichtbar werden, ist die dahinterstehende mikrobielle Aktivität in der Regel bereits seit einiger Zeit im Gange – an einer beliebigen Stelle entlang des bereits beschriebenen Weges vom Bohrloch über die Oberfläche bis zur Reinjektion.

Microbify bietet MPN-Tests (Most Probable Number) für sulfatreduzierende und eisenreduzierende Bakterien an und liefert quantitative Daten zu aktiven mikrobiellen Populationen an jedem beliebigen Punkt in einem geothermischen Bohrloch. Anhand dieser Ergebnisse lässt sich das MIC-Risiko erkennen, bevor es zu einem Ausfall der Anlagen führt, wodurch die Lücke zwischen dem Entstehungsort des Risikos und dem Zeitpunkt, zu dem es andernfalls entdeckt würde, geschlossen wird.