Korrosion metallischer Werkstoffe unter ... - Geothermie

Korrosion metallischer Werkstoffe unter 

geothermischen Bedingungen 

Dipl.-Geol. Niklas Mundhenk & Dr. Petra Huttenloch 

Institut für Angewandte Geowissenschaften, Lehrstuhl für Hydrogeologie 

KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH)

Gliederung 

Grundlagen der Korrosion 

Korrosion als Systemverhalten 

Korrosionsuntersuchungen 

Ergebnisse 

Ausblick und zukünftige Aktivität 

2 22.11.2010 Dipl.-Geol. Niklas Mundhenk 

Institut für Angewandte Geowissenschaften

Korrosion 

Def. Korrosion: Von der Oberfläche ausgehende 

Beschädigung g g eines Werkstoffs 

durch das ihn umgebenden 

Medium (WRANGLÉN 1985) 

Bestreben des Metalls in seinen unter 

Atmosphärenbedingungen thermodynamisch 

stabilen Zustand (als Oxid, Hydroxid etc.) 

überzugehen, da es unter Energieaufwendung in 

elementaren Zustand überführt wurde 

Korrosion lässt sich nicht verhindern, 

lediglich verzögern! 



Wechselwirkung g Metall/Elektrolyt y 

Aufbau einer Potentialdifferenz 

(elektrochemische ( Doppelschicht) 

pp ) 

Triebkraft für die Korrosion 

Reaktionen Metall/Elektrolyt y ( (Bsp. p Eisen) ) 

Anodischer Teilschritt 

Fe Fe2+ + 2e- Fe Fe 2 e 

(Überführung von elementarem Eisen in Ionenform) 

Kathodischer Teilschritt 

H + + 2 e- H2 (gas) (Säurekorrosion) 

O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH- (Sauerstoffkorrosion) 

Beide Reaktionen laufen gleichzeitig ab und heben 

sich in der Summe beider Teilströme auf (Prinzip 

der Elektroneutralität) 



Arten der Korrosion 



Korrosion als Systemverhalten 

y 

Korrosionsbeständigkeit keine Werkstoffeigenschaft, sondern 

Werkstoffverhalten! 



Korrosion in der Geothermie 

Chemisch-physikalische Einflussgrößen: 

Temperatur 

Redoxpotential p 

Anwesenheit bzw. Konzentration 

von „Schlüsselspezies“ 

z.B. H + (pH), Cl- z.B. H (pH), Cl ,O , O2,H 2, H2S 2S 

Bsp. Oberrheingraben: 

Hohe Mineralisation (bis zu 130 g/l) 

pH-Wert ≈ 5 

Hoher Gasgehalt 

(CO (CO2 > 90%, 90% N N2, CH CH4) ) 

GWR > 1 


Institut für Angewandte Geowissenschaften 

Pauwels et al. 1993; Schröder & Hesshaus 2009


Problematik: Korrosion & Scaling 

Def. Scaling: g Bildung g von festen Ablagerungen g g und Inkrustationen auf 

Werkstoffoberflächen durch chemische und/oder elektrochemische Prozesse 

z.B. Karbonat, Sulfat/Sulfid, Silikat, gediegene Elemente (Bspw. Pb) 

Hydrolyse von Metallionen pH-Wert sinkt 

Einwanderung von Cl-Ionen (Elektroneutralität) 

O 2-Verarmung (Repassivierung schwer möglich) 




Geothermieprojekt p j Bruchsal 

TV-Befahrung 17.9.2007 

GB1 Injektionsbohrung 

Zustandserkundung der 

Verrohrung (N80) 

Einbau: 1983 

Ruhewasserspiegel p g ca. 67 m 



Korrosionsuntersuchungen g 

Adaption realer geothermischer Bedingungen 

im Labor 

Versuche mit originalen Geothermalwässern 

Stahlauswahl 

• Unlegierte Baustähle: u.a. N80, P110 (typischerweise für Erdöl- 

und Gasförderung verwendet) 

• rost- und säurebeständige Edelstähle: 1.4016, 1.4104,1.4404, 

1.4462, 1.4571, 1.4539 (unterschiedliche 

Legierungszusammensetzungen) 

• Ni-Basis-Legierung: Ni Basis Legierung: 2.4856 

Anlagenspezifische Versuchsbedingungen 

(p (p,T, T pH) 




- Elektrochemie – 

Kurzzeitexperimente (wenige Stunden) 

Aufzeichnung von Stromdichte-Potential-Kurven 

Berechnung der Korrosionsrate 

Ermittlung kritischer Parameter wie LK-Potential, 

Repassivierungspotential 

Abgrenzung von Aktiv-Passiv-Zuständen des 

Metalls (Passivitätsbereich) 

1.4404 




- Autoklav – 

AAuslagerung: l Wochen W h - MMonate t 

Druck (max. 200 bar) und Temperatur (max. 200°C) 

variable Gaszusammensetzung 

BBefüllung füll ohne h EEntspannung t des d Th Thermalwassers l 

möglich 

Korrosionsrate über Massenverlust 

Bestimm Bestimmung ng der Korrosionsart 

Analyse der Deckschichten 




- On-site On site Korrosionspilot – 

Korrosionspilot p Soultz-sous-Forêts: Installiert vor 

der Re-Injektionsbohrung (GPK3) 

In-situ Auslagerung in Durchströmungskammern 

Versuchsdauer: Wochen – Monate 

Korrosionsrate über Massenverlust 

Korrosionsart 

Untersuchung von Deckschichten 



Ergebnisse g der Korrosionsuntersuchungen g 

Abgleich der mittels unterschiedlicher Verfahren ermittelten 

Korrosionsraten 

* Baticci (2009) 



Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen 

Elektrochemie 

Elektrochemie 

Gleichförmige Korrosion der unlegierten 

Baustähle (KR

Zusammenfassung g & Best-Practice 

Gute Übereinstimmung der KR zw zw. Elektrochemie & On-site-Auslagerung 

KR im Autoklav höher 

LK-Verhalten der Auslagerungsversuche ähnlich 


Institut für Angewandte Geowissenschaften 

• Standortabhängige Beurteilung der 

KKorrosivität i ität 

• Kosten-Nutzen-Kalkulation unter 

Mi Mitberücksichtigung b ü k i h i möglicher ö li h 

Folgeschäden 

• Werkstoffauswahl unter Einbeziehung 

aller erfassbaren Betriebsparameter

Ausblick und zukünftige g Aktivität 

Optimierung bestehender Messverfahren 

Langzeitversuche an Edelstählen bzgl. LK-Anfälligkeit 

Erweiterung der Probenpalette (z.B. Titan, Nickelbasislegierungen) 

Konstruktion neuer Messinstrumente (z.B. zur Bestimmung des Gas/Wasser- 

Verhältnisses des Geothermalwassers) 

Durchführung von Laborversuchen unter den Bedingungen anderer 

Geothermieprovinzen 

z.B. Auswirkungen Auswirkungen von H H2S 2S auf die Korrosion (Molasse) 



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 

Die Untersuchungen werden im Rahmen des Projektes LOGRO (Langzeitstabilität und Optimierung eines 

Geothermie-Kraftwerkes in einem geklüftet-porösem Reservoir im Oberrheingraben, Fkz: 0325111C) von der 

EnBW Baden Württemberg AG und dem Bundesministerium für Umwelt Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) 

finanziell unterstützt.

Korrosion metallischer Werkstoffe unter ... - Geothermie

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