NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH

Sole verfügt über eine heilende Wirkung, fordert durch seine Mehrphasigkeit und den hohen Salzgehalt jedoch eine spezielle Lösung für die Förderung aus der Tiefe.

Bild: iStock, andresr

Exzenterschneckenpumpe für Soletherme Heilwasser richtig fördern

22.02.2019

Schwereloses Schweben in einem Salzsee und zwei Solepools: Dies verspricht der Betreiber einer sächsischen Thermelandschaft. Das Heilwasser aus einer Glaubersalzquelle wird dafür mit einer Exzenterschneckenpumpe aus der Tiefe gefördert. Aufgrund ihres Förderprinzips ist diese für extrem salzhaltige Medien besonders geeignet.

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Auf 4.500 Quadratmetern erstreckt sich eine im September 2015 eröffnete Soletherme in Sachsen. Gespeist wird sie aus einer hochgesättigten Glaubersalzquelle, die ein Umweltbüro im Jahr 2009 bohren ließ. Das Quellwasser wird mit einem Solegehalt von 22 Prozent bei einer Temperatur von 42 °C gefördert. Im Langzeitpumpversuch wurde dafür eine Anlage der Netzsch Pumpen & Systeme eingesetzt, die in enger Abstimmung mit den Projektpartnern konzipiert wurde. Kernstück der Speziallösung für die Heilwasserförderung ist eine Nemo-Exzenterschneckenpumpe, die sich aufgrund ihres Förderprinzips für das extrem salzhaltige, mehrphasige Medium besonders gut eignet: Durch einen gewendelten Rotor, der sich in einem feststehenden Stator dreht, werden geschlossene Förderkammern gebildet. In diesen wird die Sole kontinuierlich und volumetrisch gleichförmig zur Druckseite bewegt. Der Wirkungsgrad des Systems liegt bei 40 bis 70 Prozent, der volumetrische Wirkungsgrad der Downhole-Exzenterschneckenpumpe sogar bei 75 bis 95 Prozent.

Ursprünglich beauftragte das Staatsbad in Sachsen ein Planungsunternehmen mit einer Erkundung und Erschließung von Sole ausschließlich zu geothermalen Zwecken. Nachdem mittels Exploration, einer geophysikalischen Erkundung von Störungszonen, ein passender Standort im Elstertal gefunden worden war, wurden ab 2007 eine Erkundungsbohrung sowie ein erster Pumpversuch vorgenommen. Dabei stieß man in circa 1.200 m Tiefe auf hochmineralisiertes Wasser mit besonders hohem Natriumsulfat- und Chlorid-Anteil, welches aromatisch, süßlich oder teilweise stechend riecht. Diese hochgesättigte Glaubersalzquelle enthält auch Calcium, Magnesium, Hydrogenkarbonat, Silikate, seltene Erden und viele Spurenelemente, die für den menschlichen Körper wichtig sind. Im Vergleich zur bislang einzigen Glaubersalztherme in Bad Bertrich lagen die analysierten Ionenkonzentrationen jedoch bei Hydrogenkarbonat um das 25-, bei Sulfat um das 40-, bei Natrium um das 100- und bei Chlorid sogar um das 330-fache höher. Da Zusammensetzung und Konzentration so außergewöhnlich sind, entschieden sich die Verantwortlichen für eine Nutzung als Heilwasser in einer Badetherme.

Speziell angepasstes Pumpsystem

Um dieses Projekt umzusetzen, wurde in der Folge unter anderem eine geologische Pilotanlage mit einer Down­hole-Exzenterschneckenpumpe von Netzsch eingerichtet und ein Langzeitpumpversuch – einschließlich verschiedener geophysischer, geochemischer sowie hydrochemischer Untersuchungen auf Basis von Tiefenprobenahmen – vorgenommen. Ziel dieser Testphase war es, gesicherte Aussagen über das langfristige Verhalten des Brunnens zu treffen und die Einsatzbedingungen für die Fördertechnik genauer abzuschätzen, um ein für diese Anwendung optimal geeignetes System entwickeln zu können.

Für die Pilotanlage wurde von Netzsch zunächst in Zusammenarbeit mit allen Beteiligten eine Lösung konzipiert, mit der das Heilwasser schonend sowie effizient an die Oberfläche transportiert und der Bedarf des geplanten Thermalsolebads mit drei Becken und einem Fassungsvermögen von 450 m3 Wasser abgedeckt werden konnte. Die Herausforderung: Das ursprünglich für die Förderung auf Ölfeldern entwickelte Downhole-System, auf dessen Basis die neue Lösung entworfen wurde, an das Pumpen des deutschlandweit einmaligen Fluids aus dem Brunnen im Elstertal anzupassen.

Eingesetzt wurde schließlich eine Exzenterschneckenpumpe des Typs NTZ 278. Deren Körper ist vergleichsweise schmal und kann grundsätzlich auch innerhalb eines Bohrschachtes betrieben werden. Aufgrund des geringen Durchmessers von 95 mm wurde jedoch die Montage an der Oberfläche gewählt. Der Vorteil dieser Lösung liegt auch in einer schnellen Verfügbarkeit und maximaler Flexibilität in der Förderrate und dem zu fördernden Medium.

Das Aggregat basiert auf einem Rotor, der sich oszillierend in einem geometrisch auf ihn abgestimmten, feststehenden Stator dreht. Durch die exakte Geometriepaarung ergeben sich bei der Rotation Förderkammern, in denen das Medium schonend von der Saug- zur Druckseite transportiert wird. Da die Kammern in sich geschlossen sind, wird nicht nur eine Rückströmung verhindert, sondern auch eine volumen- und druckstabile Bewegung des Förderguts sichergestellt. So können keine Scherkräfte und kaum Pulsation auftreten.

Konsistenz und Viskosität des Mediums sind bei dieser Verdrängertechnologie unerheblich für den Förderstrom, sodass sich die Pumpe besonders gut für schwierige mehrphasige Flüssigkeiten wie die Sole im Elstertal eignet: Das Wasser hat einen extrem hohen Salzgehalt von 97 Prozent, mit einem kleinen prozentualen Anteil in kristalliner Form. Die Fördermenge wird dabei durch die Pumpengröße sowie die Drehzahl der Pumpe bestimmt, lässt sich also genauestens regulieren. Außerdem weist die Downhole-Pumpe auf Basis der Exzenterschneckenpumpe eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Förderrate auf.

Keine Verunreinigungen

Da das Heilwasser durch den Fördervorgang nicht verunreinigt werden darf, wurde die Pumpe in der Endausführung aus Edelstahl gefertigt. Eine wesentliche Ausnahme bildet hier nur der Stator, der aus einem Elastomer bestehen muss, um ein Blockieren der Pumpe, das durch Salz zwischen Rotor und Stator herbeigeführt werden könnte, zu verhindern. Zum Einsatz kam bei dem Modell im Elstertal der Elastomertyp 286. Wie alle anderen Komponenten des Aggregats ist der Stator umweltverträglich.

Damit das Salz bei der Förderung nicht auskristallisieren und Elastomer abschmirgeln konnte, wurde das Quellwasser beim Langzeitpumpversuch mit einem Solegehalt von 22 Prozent – das heißt verdünnt – sowie bei einer Temperatur von 42 °C gepumpt. Zudem lag die Drehzahl der NTZ 278 bei 100 bis 200 Umdrehungen pro Minute, sodass der natürliche Schmiereffekt, den die Sole bei höheren Fließgeschwindigkeiten ausübt, genutzt und ein Elastomerabrieb vermieden werden konnte.

Zur oberirdischen Erzeugung des Drehmoments setzte Netzsch einen Antriebskopf vom Typ ATEX L1 ein, der Drehzahlen von bis zu 500 Umdrehungen pro Minute möglich macht und unter anderem durch eine automatische Rücklaufbremse den höchsten Sicherheitsstandard gewährleistet. Er besitzt zudem einen integrierten Überlastungsschutz sowie eine hydraulische Bremse und wurde mit Packungen ausgestattet. Darüber hinaus ist der Antriebskopf Atex-konform nach Richtlinie 94/9/EC in explosionsgefährdeten Zonen der Stufe 1 zugelassen.

Geringe Lebenszykluskosten

Die NTZ 278 wurde 2009 von Netzsch-Technikern am Brunnenstandort inklusive Drive Head und Gestänge montiert. Sie wurde im Rahmen des Langzeitpumpversuchs mehr als einem Jahr eingesetzt und pumpte in dieser Zeit zuverlässig Heilwasser für eine Soletherme aus der Tiefe. Da das Aggregat nur über eine geringe Zahl an Verschleißteilen verfügt, erzeugt es lediglich niedrige Lebenszykluskosten.

Um die Energieeffizienz des Systems weiter erhöhen zu können, ist derzeit der Einsatz einer Netzsch-Pumpe mit Heizmantel geplant: Wird dieser um die Pumpe gelegt, erwärmt sich die Sole und kann mehr Salz lösen. Auf diese Weise erhöht sich der Schmiereffekt und die Standzeit würde sich weiter erhöhen.

Bildergalerie

  • Die Exzenterschneckenpumpe eignet sich aufgrund des Rotor-Stator-Prinzips auch für das extrem salzhaltige, mehrphasige Medium im Elstertal.

    Bild: Netzsch

  • Zur oberirdischen Erzeugung des Drehmoments wurde ein Antriebskopf vom Typ Atex LF 1 eingesetzt.

    Bild: Netzsch

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