Abstract
The geothermal use of the subsurface leads to temperature changes in the reservoir and the geothermal plant. The temperature affects the hydrogeochemical and the physical conditions as well as the microbial community composition in the reservoir and fluids. Additionally, microbial metabolism and biofilm formation contribute to corrosion, clogging as well as mineral dissolution and precipitation. Thus, microbes play a significant role regarding process disturbances as well as operation failures of geothermal plants and therefore the sustainability and reliability of the geothermal energy use.
In the presented thesis, the microbial responses to temperature changes, an enhanced temperature- or operation-dependent substrate and electron acceptor availability have been investigated in a labscale experiment and in two geothermal plants.
A substantial impact of geothermal energy storage on the natural microbial community composition became obvious due to a temperature increase and a temperature-related sediment organic matter release from flowed through tertiary lignite sands in the labscale column experiment. However, the function of the microbial community in terms of conversion processes was similar at all temperatures. In the column fluids as well as in the highly saline fluids from the cold side of a geothermal heat store in the North German Basin and the saline fluids of a geothermal plant in the Upper Styrian Basin, sulfate reducing bacteria were most active at temperatures around 45 °C. Besides the temperature, salinity and substrate availability, the availability of electron acceptors was crucial for microbial corrosion and scaling processes.
The cold side of the heat store was affected by microbially induced corrosion and scaling due to the activity of sulfate reducers that led to process disturbances. After shutdown phases, strictly aerobic or facultative anaerobic sulfur-oxidizing bacteria became dominant, whose representatives were not abundant during regular operation. Thus, their detection indicated oxygen ingress in the wellbore during plant shut down that enhanced corrosion processes during stagnant conditions. To suppress the increasing activity of sulfate reducing bacteria going along with a corrosive and toxic hydrogen sulfide formation, nitrate was added as an alternative electron acceptor for sulfate to the saline geothermal fluids in a test pipe of the geothermal plant in the Upper Styrian Basin. The nitrate addition was an effective countermeasure for decreasing the hydrogen sulfide concentration, because nitrate-reducing sulfur-oxidizing Thiobacillus thioparus were favored. However, the corrosion rate in the test pipe increased most likely due to the formation of corrosive sulfuric acid or sulfur species like sulfur and thiosulfate.
Eine geothermische Nutzung bewirkt Temperaturänderungen im Untergrund und in der geothermischen Anlage. Die Temperatur beeinflusst sowohl hydrogeochemische und physikalische Parameter als auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose im Reservoir und Fluid. Neben chemischen Prozessen tragen auch mikrobiell katalysierte Stoffumsetzungen und die Biofilmbildung zu Korrosion, Clogging sowie Mineralbildung und -auflösung bei und können zu Prozessstörungen bis hin zu einem kompletten Ausfall der geothermischen Anlage führen. Zur Analyse der Auswirkungen von Temperaturänderungen, Salinität, erhöhter Substrat- und Elektronenakzeptorverfügbarkeit wie sie beispielsweise aufgrund von erhöhter Temperatur und Prozessstörungen auftraten, wurden Experimente im Labormaßstab und zwei großtechnische Anlagen begleitet.
In Sedimentsäulen mit Braunkohlensanden, die sowohl bei in-situ Temperatur als auch bei erhöhten Temperaturen mit Acetat-angereichertem Leitungswasser durchströmt wurden zeigten Temperatur und Substratverfügbarkeit einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose, allerdings war die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft bei allen Temperaturen ähnlich. Sowohl in den gering mineralisierten Fluiden der Säulen als auch in hochsalinen Fluiden von der kalten Seite eines Wärmespeichers im Norddeutschen Becken und in salinen Fluiden einer Geothermieanlage im Steirischen Becken wurde die höchste Aktivität korrosionsursächlicher Sulfat-reduzierender Bakterien bei Temperaturen um 45 °C nachgewiesen. Neben der Temperatur, der Salinität und der Verfügbarkeit von Elektronendonatoren spielte die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren eine entscheidende Rolle bezüglich mikrobiell induzierter Korrosion und Mineralbildung.
Nach der Wiederinbetriebnahme des Wärmespeichers im Norddeutschen Becken wiesen u. a. die erhöhten Abundanzen von Schwefel-oxidierenden Bakterien, die Indikator für einen Sauerstoffzutritt während des Abschaltens der Anlage waren, auf eine verstärkte mikrobiell induzierte Korrosion und Scaling während des Anlagenstillstandes hin. Zur Verminderung der Aktivität von korrosionsursächlichen Sulfatreduzierern wurde in einem Testleitungssystem an der Geothermieanlage im Steirischen Becken Nitrat dosiert. Die dadurch geförderten Nitrat-reduzierenden Schwefel-oxidierenden Bakterien (Thiobacillus thioparus) senkten die Sulfidkonzentrationen im Fluid, erhöhten allerdings gleichzeitig die Korrosionsraten an ausgelagerten metallischen Coupons, da korrosive Schwefelverbindungen wie Schwefelsäure gebildet wurden.
