Metallisch dichtende Kugelhähne für zuverlässige Absperrungen in Tiefengeothermie und Power-to-Gas-Anlagen

Auch in dem innovativen Bereich „Power-to-Gas“ werden spezielle Hochleistungskugelhähne benötigt, die unter anderem für das anspruchsvolle Medium Wasserstoff geeignet sind.

von Helmut Berger, Prokurist für den Verkauf Europa bei der Hartmann Valves GmbH

Als umweltschonende, Erneuerbare Energie ist die Geothermie in den letzten Jahren stark im Vormarsch. Doch die Anfänge der Tiefengeothermie liegen schon einige Jahrzehnte zurück. So war der Celler Systemanbieter Hartmann Valves bereits seit 1978 in die ersten Pionier-Projekte der Geothermie in Deutschland involviert. Dank der langjährigen Expertise in der Öl- und Gasindustrie ist der Lieferant für Bohrlochköpfe und Kugelhähne prädestiniert für Aktivitäten rund um tiefe Bohrungen, anspruchsvolle Medien und höchste Sicherheitsanforderungen. Denn insbesondere wenn ein langfristiger, nahezu wartungsfreier Einsatz unter Extrembedingungen gefordert ist, müssen alle Komponenten bestens erprobt sein und maximale Verfügbarkeit garantieren.

Der Bohrlochkopf stellt die Schnittstelle zwischen der Bohrung untertage und der obertägigen Geothermieanlage dar. Somit müssen bei seiner Auslegung (Materialauswahl, Nennweiten, Druckstufe und so weiter) sowohl die geologischen Rahmenbedingungen als auch die prozesstechnischen Anforderungen der Anlage berücksichtigt werden – stets unter der Maßgabe einer maximalen Sicherheit, Verfügbarkeit und langen Lebensdauer. Als Absperrorgan an Bohrlochkopfverflanschungen hat in den letzten Jahrzehnten der Kugelhahn zunehmend Schieber (Gate Valves) im Einsatz verdrängt. Dies hat verschiedene Gründe. Aufgrund der Bauweise können bei entsprechender Konstruktion der Sitzringgeometrie zwei voneinander unabhängige Abdichtungen in einer Armatur realisiert werden. Dies trägt erheblich zur Sicherheit bei. Ein weiterer Vorteil des Kugelhahnes ist der gleichbleibende Raumbedarf der Kugel im Inneren in jeder Stellung. Bei einem Schieber müssen für die Betätigung entsprechende zusätzliche Räume vorgesehen werden. Diese können insbesondere bei Geothermie-Anwendungen, bei welchen mit Partikelansammlungen (sogenannte „Scaling“) zu rechnen ist, dadurch gefüllt werden, womit die Betätigung des Schiebers eingeschränkt und ein sicherer Abschluss ausgeschlossen ist. Bei einem Kugelhahn ist der Gehäuseinnenraum geschlossen und vom Medienstrom getrennt. Kugelhähne mit rein metallisch dichtender Kugel-Sitzring-Kombination bieten darüber hinaus den Vorteil, dass bei Scaling-Anfall die Kante des Sitzrings bei Betätigung einen zusätzlichen Reinigungseffekt hat und Ablagerungen auf der Kugel entfernt. Eine entsprechende Auslegung der Schaltwelle mit Sicherheitsfaktoren trägt dem erhöhten Drehmoment in solchen Fällen Rechnung. Zusätzlich ergibt sich bei metallisch dichtenden Kugelhähnen der Vorteil eines wesentlich geringeren Wartungsaufwandes, da ein regelmäßiges „Abschmieren“ nicht nötig ist, und somit auch kein Fett in den Medienstrom gelangen kann.

Im Bayerischen Molassebecken befinden sich derzeit die meisten Anlagen und Projekte der Tiefengeothermie in Deutschland. Das 2011 gestartete Projekt Traunreut gehört zu einem der Anspruchsvollsten seiner Art. Hohe Förderraten von 165 Litern pro Sekunde, aggressive Medien und extreme Temperaturen von circa 120 Grad Celsius in 5.000 Metern Tiefe stellen auch entsprechend hohe Anforderungen an die Bohrlochverflanschung. Das Equipment nach API 6A mit metallisch dichtenden Kugelhähnen ist ausgelegt für einen Druck bis zu 3.000 PSI (207 bar) und hat einen Durchmesser der Förderrohrtour von 13 3/8 Zoll (circa 340 mm). In der Projektierungsphase erfolgte eine ständige fachkundige Abstimmung mit dem Planungsdienstleister, sodass jederzeit technische Änderungen aufgrund neuer Anforderungen zum Beispiel aus der Obertage-Technik berücksichtigt werden konnten. Auch hier konnte durch Verwendung von modularen Komponenten in spezialisierter Auslegung die später im Betrieb geforderte Nachrüstung eines elektrischen Antriebes zur Betätigung der Armaturen realisiert werden. Die Anlage erzeugt so mittlerweile eine thermische Leistung von bis zu 12 MW zur Versorgung von 3.000 Wohneinheiten sowie eine elektrische Leistung von bis zu 5 MW für die Geothermische Kraftwerksgesellschaft Traunreut.

Im Rahmen des Projektes Freiham der Stadtwerke München wurden 2015/2016 zwei Bohrungen von circa 2.500 Metern (TVD) abgeteuft. Mit einer Produktion von etwa 90 Litern pro Sekunde bei einer Temperatur von 90 Grad Celsius wird im geothermischen Heizwerk eine thermische Leistung von bis zu 20 MW erzielt. Die beiden Bohrungen wurden mit Bohrlochköpfen nach API 6A, in Druckstufe 5000 PSI, mit hochbeständigen metallisch dichtenden Kugelhähnen ausgerüstet. Diese sind für eine nachträgliche Nachrüstung mit einem Antrieb, soweit erforderlich, vorbereitet. Durch die optimierte Konstruktion einer exzentrischen Abhängung für die 8 5/8 Zoll (circa 220 mm) Produktionsrohrtour konnte genügend Raum für zwei Kabeldurchführungen für die Pumpe geschaffen werden. Weiterhin sind dabei drei weitere Durchführungen für den späteren Einsatz von Leitungen zum Beispiel zur Einbringung von Inhibitoren realisiert worden. Der Einsatz von baugleichen Komponenten bei der Produktions- wie auch der Injektionsbohrung macht einen späteren Tausch zwischen beiden, sofern notwendig, jederzeit möglich. Aktuell ist Hartmann mit der Lieferung von sechs Bohrlochköpfen für das neue Projekt der Stadtwerke München, Schäftlarnstraße, beauftragt, für das bereits die ersten beiden pünktlich ausgeliefert wurden.

Neben der Zuverlässigkeit der Komponenten ist zudem eine effiziente Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Engineering-Partner und Betreiber in allen Projektphasen ausschlaggebend für den Erfolg des Projektes. Vor Ort leisten Ingenieure und Techniker den Aufbau-Service und stehen für technische Informationen und fachkundige Beratung zur Verfügung. Bei Problemen oder später im Rahmen von Wartungen kann innerhalb weniger Stunden ein Service- und Reparaturteam vor Ort sein. Zum umfassenden Service gehört bei Hartmann auch die Unterstützung bei der Erstellung der umfangreichen Dokumentationen für Betreiber und Genehmigungsbehörden wie dem Bergamt. Dank der Erfahrung aus rund 30 Geothermieprojekten im Bayerischen Molassebecken, dem Rheingraben und sowie in Österreich, den Niederlanden, Belgien, Frankreich und der Türkei können zudem positive Synergie- und Kosteneffekte realisiert werden. Dadurch, dass bei einer Vielzahl von Betreibern der Regionen vergleichbare und erprobte Komponenten zum Einsatz kommen, können die Planer und Betreiber beispielsweise von geringeren Entwicklungskosten und -zeiten sowie der Reduzierung von Schnittstellen profitieren.

Auch Anlagen dieser Form der Erneuerbarer Energien erfordern Hochleistungsarmaturen. Unter anderem in der Power-to-Gas-Anlage „WindGas Falkenhagen“ in Brandenburg sind Hartmann Spezialkugelhähne im Einsatz. Hier zeigt die Uniper Energy Storage GmbH als eines der weltweit ersten Unternehmen wie sich erneuerbare Energie im Erdgasnetz speichern lässt, um so Erzeugung und Verbrauch voneinander unabhängig zu gestalten. Bei dem Demonstrationsprojekt wird durch Elektrolyse aus Strom und Wasser bis zu 360 Nm3/h Wasserstoff hergestellt, der in das Erdgasnetz eingespeist wird (s. Abbildung). Das Medium reiner Wasserstoff stellt dabei besondere Anforderungen an die Absperrarmaturen, die zudem möglichst wartungsarm sein sollten. Geliefert wurden insgesamt 24 Spezialkugelhähne (DN 25 und DN 50 bis PN 100), die ihren Beitrag zur maximalen Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der Anlage leisten. Die Erzeugung und Einspeisung erfolgt mindestens einmal täglich, sodass sich für die Armaturen eine Schalthäufigkeit von mehreren Zyklen pro Tag ergibt. Auch diese Kugelhähne verfügen über eine rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring und sind mit zwei Barrieren ausgestattet. Im Falle einer eintrittsseitigen Undichtigkeit sind die Armaturen konstruktiv so ausgelegt, dass sie auch auf der Austrittsseite dichten. Diese doppelte Abdichtung (Double Isolation and Bleed, DIB) wird mit einem Sitzring mit „Double Piston“- Effekt realisiert.