Uni-Bayreuth

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Hochaufgelöste numerische Szenariensimulation zur Untersuchung von Wärmespeicherprozessen im Nahfeld einer Erdwärmesonde

Anke Boockmeyer1, Sebastian Bauer1
1 Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

P 11.8 in Wärme-, Energie- und Kohlenstoffspeicherung im Untergrund

Der im Rahmen der Energiewende verstärkte Ausbau der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien erfordert die Entwicklung von neuen und Verbesserung bereits bestehender Energiespeicher. Eine potenzielle Speicheroption ist die Speicherung großer Wärmemengen bei hohen Temperaturen (> 90 °C) aus Windkraft- oder Solaranlagen sowie Abwärme aus industriell oder gewerblich genutzten Gebäuden im geologischen Untergrund mithilfe von Erdwärmesonden. Mögliche Speicherformationen für solche Hochtemperatur-Wärmespeicher liegen dabei vornehmlich unterhalb von zur Trinkwasserversorgung genutzten Frischwasser-Aquiferen. Um die Umsetzbarkeit solch mitteltiefer Speicherszenarien sowie die Auswirkungen eines Erdwärmesondenspeichers auf Grundwasserströmung und Transportregime zu untersuchen, werden numerische Szenariensimulationen durchgeführt. Dabei ist eine realistische und korrekte Repräsentation der in einer einzelnen Erdwärmesonde ablaufenden hydraulischen und thermischen Prozesse sowie des Wärmetransfers zwischen Sonde und geologischem Untergrund von großer Bedeutung für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss verschiedener Parameter auf die Speicherung großer Wärmemengen zu quantifizieren. Dafür werden die thermischen Ausbreitungsprozesse mithilfe eines detaillierten numerischen 3D-Modells einer 100 m langen Doppel-U-Rohr-Erdwärmesonde unter Berücksichtigung von Geometrie und Komponenten der Erdwärmesonde (zirkulierendes Wärmeträgerfluid, Sondenrohr und Bohrlochhinterfüllung) und des Aquifers untersucht. Die Modellparametrisierung erfolgt anhand typischer Werte aus der Literatur.

Die Quantifizierung des Einflusses der thermischen Parameter von Bentonit und Aquifer sowie der Pumprate auf die Wärmeausbreitung erfolgt mithilfe einer Sensitivitätsanalyse. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Bentonits den Wärmetransfer zwischen Sonde und Aquifer verstärkt, während die Wärmekapazität des Bentonits keinen Einfluss auf diesen hat. Die Wärmeleitfähigkeit des Aquifers beeinflusst den diffusiven Wärmetransport, sodass bei erhöhter Wärmeleitfähigkeit die Wärme schneller transportiert wird. Das führt kurzzeitig zu erhöhten Temperaturen nahe der Erdwärmesonde, längerfristig jedoch zu einer verringerten Temperatur im Aquifer. Bei vergleichsweise geringeren Wärmeleitfähigkeiten wird dieser Effekt invertiert. Bei einer um den Faktor 1,25 erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Aquifers wird 14 % mehr Wärme im Aquifer gespeichert. Eine hohe Wärmekapazität führt hingegen zu geringeren Temperaturen im Aquifer. Jedoch wird bei einer 1,2-mal höheren Wärmekapazität des Aquifers lediglich 1,5 % mehr Wärme im Aquifer gespeichert. Eine erhöhte Fließgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluids in der Sonde führt ebenso wie eine Verringerung der Wärmekapazität des Aquifers zu einer Erhöhung der Temperatur im Aquifer. Die im Aquifer gespeicherte Wärmemenge erhöht sich bei einer verdoppelten Pumprate nur um 1,5 %.

Letzte Änderung 31.10.2013