Uni-Bayreuth

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Parameterstudie zur Sensitivität von unterirdischen Temperaturanomalien bei der Erdwärmenutzung durch offene und geschlossene Systeme

Stephan Löbmann1, Sophie Schelenz2, Falk Händel1, Jannis Epting3, Peter Huggenberger3, Rudolf Liedl1
1 Institut für Grundwasserwirtschaft, Technische Universität Dresden
2 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Department Monitoring und Erkundungstechnologien
3 Angewandte und Umweltgeologie, Institut für Geowissenschaften, Universität Basel

P 8.4 in Geothermie und Geocooling

Die Wärmenutzung durch oberflächennahe geothermische Anlagen als regenerative Energiequellen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Folgen dieser Zunahme der Anlagendichte, insbesondere im urbanen Raum, sind die Auswirkungen auf das natürliche Grundwassersystem. Das Einleiten bzw. Entziehen von Wärme aus dem Untergrund induzieren Temperaturanomalien, die sowohl ökonomische als auch ökologische Folgen haben können. Um den Untergrund als thermische Ressource nachhaltig zu nutzen, muss den Aspekten des Grundwasserschutzes, der Anlageneffizienz sowie der Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen benachbarten Anlagen besondere Bedeutung zugeschrieben werden. Für ein besseres Verständnis der Wärmetransportprozesse während einer geothermischen Nutzung können numerische Modelle erstellt werden.

Das Ziel für die Reproduktion der Wärmetransportprozesse ist es, zu untersuchen, wie stark sich Veränderungen in den Eingangsparametern auf die Ergebnisse der Wärmetransportmodellierung für eine geothermische Nutzung auswirken. Für die Modellstudie wurden als Einflussgrößen hydraulische Parameter, Wärmetransportparameter und Randbedingungen variiert. Die Bewertung einer geothermischen Nutzung erfolgt dabei für a) eine Erdwärmesonde und b) für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe.

Zur Umsetzung der Wärmetransportprozesse wurde ein dreidimensionales Modell mit den Ausmaßen 229 x 100 x 50 m³ mit Hilfe der Simulationssoftware FEFLOW aufgebaut. Dies berücksichtigt neben den Wärmetransportprozessen in der gesättigten Zone von 12,3 m auch die 21 m mächtige ungesättigte Zone. Ausgehend von der geothermischen Nutzung wurden Kältefahnen simuliert und ihre räumliche Ausdehnung dreidimensional ausgewertet.

Bei der Parameterstudie zeigt sich, dass hydraulische Parameter, wie Grundwassermächtigkeit, Durchlässigkeit und hydraulisches Gefälle der natürlichen Grundwasserströmung, einen großen Effekt auf die Temperaturbeeinflussung in der gesättigten und ungesättigten Zone haben. Dies konnte dabei für beide geothermische Anlagen beobachtet werden. Im Gegensatz dazu zeigen sich die Parameter Porosität, Grundwasserneubildung, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Oberflächentemperatur und geothermischer Wärmegradient als weniger bedeutend für eine gesicherte numerische Abbildung von geothermischen Nutzungen unter den gewählten Bedingungen.

Bei einem Vergleich dieser Ergebnisse mit jedoch nur teilweise vorhandenen Modellierungen in der Literatur konnten die Erkenntnisse bestätigt und Analogien festgestellt werden.

Eine weitere Aufgabe bestand darin, eine mögliche Wechselwirkung zwischen beiden Anlagen zueinander aufzuzeigen. Dabei konnte eine gegenseitige Beeinflussung festgestellt und eine Zunahme der Temperaturauswirkung diagnostiziert werden.

Im untersuchten Fall zeigt sich zusammenfassend, dass vor allem Strömungsparameter bekannt sein müssen, jedoch deren quantitativer Einfluss von hydrogeologischen Standorteigenschaften und der Fragestellung abhängig sind.

Letzte Änderung 01.11.2013