Der Schicks Combustor - secure and controlled downhole heat generation

Für die Gewinnung von Methan aus Gashydraten werden die konventionellen Produktionsmethoden der Erdöl- und Erdgasindustrie weiterentwickelt. Ziel ist es, das Hydrat bereits im Sediment (in situ) zu zersetzen, so dass lediglich das Methan über eine konventionelle Bohrung gefördert wird, nicht jedoch das Wasser oder das umgebende Sediment.

Am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ entwickelt die Arbeitsgruppe Gashydrate unter der Leitung von Judith Schicks ein Verfahren, mit dessen Hilfe Gashydrate im Sediment durch die Zufuhr von Wärme zersetzt werden können. Die Wärme wird durch eine flammenlose katalytische Verbrennung von Methan in einem sogenannten Gegenstrom-Wärmetauschreaktor, dem Schicks Combustor, erzeugt. Zukünftig soll der Schicks Combustor in eine Bohrung in hydratführende Sedimentschichten verbracht werden, so dass sich die heiße Reaktionszone im Bereich der Gashydratschicht befindet. Erste Ergebnisse aus Feldtests ohne Hydrat zeigen, dass der Schicks Combustor effizient und sicher Wärme in der Tiefe produziert. Der Schicks Combustor wurde als Laborreaktor und Bohrlochsonde gebaut, erfolgreich getestet und steht für Anwendungstestverfahren zur Verfügung.

Im Schicks Combustor erfolgt die Wärmeerzeugung durch die flammenlose katalytische Oxidation von Methan an einem Edelmetall-Katalysator. Anstelle von reinem Sauerstoff wird für die Oxidation von Methan Luft verwendet. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur im Katalysatorbett nicht so stark ansteigt, da der in der Luft enthaltende Stickstoff eine kühlende Funktion hat. Um eine sichere Zufuhr von Methan und Luft in das Katalysatorbett zu gewährleisten, werden die Reaktionspartner getrennt voneinander in einer Rohr-in-Rohr-Anordnung in eine Mischkammer geleitet. Von dort aus treffen sie in kleinen Mengen auf das Katalysatorbett, wo das Methan und der in der Luft enthaltende Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser umgesetzt werden. Der Stickstoff wird nicht umgesetzt und fließt zusammen mit den heißen Abgasen wieder zurück. Die heißen Produktgase geben ihre Wärme über einen Aluminiumschaum an die Reaktoraußenwand und dann an die Umgebung ab. Gleichzeitig werden die einströmenden Gase vorgewärmt. Die Reaktion läuft stabil und autonom zwischen 400°C bis 500°C ab. Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird in einer Wasserfalle aufgefangen und abgepumpt. Dadurch wird verhindert, dass das Katalysatormaterial durch Kondenswasser feucht und in seiner Funktion beeinträchtigt wird.

Abb.: Funktionsprinzip Schicks Combustor


Die Zersetzung von Methanhydrat ist ein endothermer Prozess, also eine Reaktion, bei der Wärme zugeführt werden muss. Diese liegt bei 52 kJ/mol. Die vollständige Oxidation von Methan am Katalysator ist eine exotherme Reaktion, bei der eine große Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird. Bei der totalen Oxidation von Methan wird folgende Wärmemenge freigesetzt:

Abb.: Vollständige Oxidation von Methan


Der Schicks Combustor als Laborreaktor

Der Laborprototyp des Schicks Combustors wurde in einem am GFZ entwickelten Reservoirsimulator (LARS) mit einem Volumen von 425 Liter getestet, um die Wärmeübertragung in gashydratführende Sedimente zu untersuchen. Dazu wurde im Reservoirsimulator zunächst Methanhydrat im Sediment erzeugt. Bei einem Test mit 80% Hydratsättigung erwärmte sich der Reservoirsimulator nach der Zündung des Katalysators innerhalb von 12 Stunden so stark, dass die Temperatur in der gesamten Probe oberhalb der Zersetzungstemperatur von Methanhydrat lag. Das zuvor erzeugte Methanhydrat zersetzte sich und das Methangas konnte abgefördert werden. Bei diesem Test wurden nur etwa 15% des geförderten Methans verbraucht, um die notwendige Energie für die thermische Zersetzung der Hydrate während des Produktionstests zu erzeugen.

Abb.: LArge Reservoir Simulator LARS mit dem Laborreaktor; Laborreaktor einzeln


Der Schicks Combustor als Bohrlochsonde

Die Erfahrungen mit dem Laborreaktor dienten als Grundlage für den Bau einer Bohrlochsonde, die für den Einsatz in natürlichen Gashydratvorkommen geeignet ist. Die Sonde hat eine Gesamtlänge von etwa 5200 mm, einen Außendurchmesser von 90 mm und wiegt ca. 100 kg. Für die Wärmeer-zeugung werden Methan und Luft von der Erdoberfläche getrennt voneinander durch ein Flatpack mit 3 Leitungen in die Sonde geführt. Das bei der katalytischen Verbrennung entstehende Kohlendioxid wird separat an die Erdoberfläche zurückgeführt. Die Bohrlochsonde verfügt über eine speziell entwickelte Pumpe, die das entstehende Reaktionswasser in der Bohrung gegen einen Druckgradienten von bis zu 35 MPa nach außen befördern kann. In seiner jetzigen Form besitzt die Bohrlochsonde eine Heizleistung von 11 kW.

Im Tiefenlabor des GFZ an der Kontinentalen Tiefbohrung in Windischeschenbach, Oberpfalz wurde die Bohrlochsonde einem Druck- und Funktionstest unterzogen. Die Druckfestigkeit der Sonde wurde erfolgreich bis zu einer Tiefe von 2000 m (20 MPa) getestet. Während des Funktionstests, der in 630 m Tiefe durchgeführt wurde, konnte der Katalysator gezündet und das Methan umgesetzt werden.

Abb.: Versuchsgelände an der Kontinentalen Tiefbohrung in Windischeschenbach, Oberpfalz (GFZ/KTB-Archiv); Foto der Bohrlochsonde

Für die Förderung von Gas aus Gashydraten muss das Gleichgewicht zwischen Hydrat und Umgebung gestört werden, so dass die Stabilitätsbedingungen nicht mehr erreicht werden. Dafür werden drei verschiedene Ansätze verfolgt: Druckentlastung, thermische Stimulation und chemische Stimulation.

Die Entwicklung des Schicks Combustors lehnt sich an konventionelle Methoden der thermischen Erdölförderung an. Eine Methode der tertiären Erdölgewinnung (enhanced oil recovery) ist die in situ Verbrennung (in situ combustion), die bereits seit einigen Jahren für die Verbesserung der Ölausbeute eingesetzt wird. Das Prinzip, die Wärme vor Ort im hydratführenden Sediment zu erzeugen, ist auch für die Zersetzung von Gashydraten in Hinblick auf eine Gasförderung interessant. Im Gegensatz zur in situ Verbrennung oder anderen bei der thermischen Erdölförderung eingesetzten Verfahren gibt es beim Schicks Combustor jedoch keinen direkten Kontakt der Reaktionszone oder der Reaktionsprodukte mit dem Reservoir.

Abb.: Grundlegende Verfahren von die Gewinnung von Gas aus natürlichen Hydratvorkommen

Der Schicks Combustor ‒ Vom Labor ins Feld zur Anwendung

Seit 2001 befassen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des GFZ mit Gashydraten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Grundlagenforschung, bei der neben natürlichen Proben auch Hydrate definierter Zusammensetzung im Labor synthetisiert und analysiert werden. Ziel dieser Experimente ist die Bestimmung der thermodynamischen, kinetischen und physikalischen Eigenschaften dieser Gashydratproben unter Einsatz der (Elektronen-)Mikroskopie, der Ramanspektrometrie, der Kalorimetrie und der Röntgendiffraktometrie. Die Ergebnisse dieser Experimente bilden die Basis für eine bessere Vorhersage hinsichtlich des Verhaltens natürlicher Gashydrate bei Änderungen ihrer Umgebung wie z. B. bei einer globalen Erwärmung. Sie sind aber auch wichtig für die angewandte Forschung mit Blick auf die Gewinnung des hydratgebundenen Methans.

Der Schicks Combustor ist ein Projekt, das die Arbeitsgruppe Gashydrate seit über 10 Jahren beglei-tet. In dieser Zeit wurden zwei Prototypen eines Laborreaktors gebaut, die die Effizienz und die Sicherheit des Verfahrens bewiesen. Um die Funktion des Laborreaktors zu testen, wurde ein zu diesem Zeitpunkt einzigartiger Reservoirsimulator gebaut, der ein Volumen von 425 L umfasst und in dem Gashydrate bei Drücken bis zu 25 MP erzeugt werden können. Im nächsten Schritt wurde der Laborreaktor zu einer Bohrlochsonde weiterentwickelt, die im gashydratführenden Sediment eingesetzt werden kann. Die Druckfestigkeit und die Funktion der Sonde konnten bei Tests in Tiefen bis zu 2000 m unter Beweis gestellt werden.

Erdgas wird in den kommenden Jahren eine steigende Bedeutung bei der Energieversorgung haben, denn im Vergleich zu anderen fossilen Energieträgern verbrennt es vergleichsweise sauber. Aus diesem Grund wird die Förderung von Gas aus Gashydraten auch als Transformationstechnologie auf dem Weg von fossilen zu erneuerbaren Energien betrachtet. Eine Möglichkeit die Gashydrate thermisch zu zersetzen, um das Gas anschließend fördern zu können, ist der Schicks Combustor. Die Wärme wird einem effizienten, sicheren und technischen erprobten Verfahren im Bohrloch erzeugt, wo sie benötigt wird.

Unsere zukünftige Herausforderung besteht darin, diese Technologie in eine industrielle Anwendung zu überführen. Dafür fehlt ein Feldtest im gashydratführenden Sediment. Die Weiterentwicklung des Schicks Combustors und die Organisation eines Feldtests sind umfassende Projekte, für die nationale und internationale Projektpartner aus der Forschung und Industrie gesucht werden. Denkbar ist zudem der Transfer in andere Anwendungsbereiche der Erdöl- und Erdgasförderung aus konventionellen und anderen unkonventionellen Lagerstätten.

Was unterscheidet den Schicks Combustor:

  • Das Verfahren ist effizient: Die Wärme wird in der Tiefe produziert, wo sie gebraucht wird. Weniger als 15% des produzierten Methans werden für die Wärmeerzeugung benötigt.
  • Das Verfahren ist sicher: Die Wärme wird in einem geschlossenen System durch eine flammenlose katalytische Verbrennung von Methan in Luft erzeugt. Die Reaktion läuft unterhalb der Zündungstemperatur von Methan (595°C) und außerhalb der Explosionsgrenzen (4,4 Vol.-% bis 17 Vol.-% in Luft) ab. Es besteht kein Kontakt der Reaktors/Reaktionszone und der Reaktionspartner mit der Umgebung. Die Abgase werden an die Oberfläche zurücktransportiert.
  • Das Verfahren ist erprobt: Im Labor- und im Feldmaßstab wurden Prototypen gebaut und erfolgreich getestet. Der Laborreaktor und die Bohrlochsonde sind einsatzbereit und stehen Firmen für Anwendungstests zur Verfügung.

Weitere Besonderheiten:

  • Zukünftig ist geplant, dass ein Reaktionspartner, idealerweise Methan, direkt aus der Formation gewonnen wird. Der Vorteil besteht darin, dass die Reaktion unmittelbar aus dem Gashydratvorkommen gespeist wird.
  • Ein weiterer Vorteil des Schicks Combustors ist, dass er zusammen mit anderen Verfahren z.B. einer Druckentlastung oder Kohlendioxidinjektion eingesetzt werden kann.
  • Der Schicks Combustor kann in der Förderbohrung die Temperatur des Gasstroms regulieren und das Verstopfen der Leitungen durch neugebildete Hydrate verhindern.

Das Verfahren wird auf folgenden Veranstaltungen präsentiert:

  • AAPG Workshop: Gas Hydrates – From Potential Geohazard to Carbon-Efficient Fuel? 16-17 April 2019, Auckland , New Zealand
  • Offshore Technology Conference: 6. - 9. Mai 2019, Houston, Texas, USA

Schicks, J., Spangenberg, E., Giese, R., Luzi-Helbing, M., Priegnitz, M., Beeskow-Strauch, B. (2013): A Counter-Current Heat-Exchange Reactor for the Thermal Stimulation of Hydrate-Bearing Sediments. - Energies, 6, 6, pp. 3002-3016. DOI: http://doi.org/10.3390/en6063002

Schicks, J., Spangenberg, E., Giese, R., Steinhauer, B., Klump, J., Luzi, M. (2011): New approaches for the production of hydrocarbons from hydrate bearing sediments. - Energies, 4, 1, pp. 151-172. DOI: http://doi.org/10.3390/en4010151

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