Systematische Modellierung thermischer Auswirkungen von UTES zur Verwendung mit thermischen Geringfügigkeitsschwellen für eine umweltverträgliche Nutzung von Aquiferen

Wolfram Canzler1, Volker Jungk1, Uwe Hiester2, Kai-Uwe Ulrich3, Dieter Poetke3, Andreas Bertram4
1 AKVO GmbH
2 reconsite GmbH
3 BGD ECOSAX GmbH
4 Umweltbundesamt

V 8.6 in Temperaturänderungen im Grundwasser: Ursachen, Prozesse und Auswirkungen

25.03.2022, 10:45-11:00, HS 1

Im Rahmen des Forschungsvorhabens “Umweltverträgliche Nutzung geothermischer Wärmespeicher – Ermittlung und Bewertung thermischer Veränderungen im Grundwasser, thermische Bewirtschaftung des Grundwassers, Handlungsempfehlungen” wurde untersucht, welche thermischen Auswirkungen oberflächennahe unterirdische thermische Energiespeicher (UTES) auf die Grundwasserqualität haben. Die Abschätzung des thermischen Auswirkungsraumes (flächig, räumlich sowie zeitlich) eines UTES erfolgte mit numerischen Modellen. Durch systematische Variation von hydrogeologischen und sonstigen relevanten Kenngrößen wurde mit den Modellen ein vertieftes Prozessverständnis erzielt.Unterschiedliche geothermische Speicherformen wurden numerisch mit verschiedenen Anlagenleistungen und Modellrandbedingungen simuliert. Diese simulierten UTES hatten keinen Bezug zu aktuellen UTES-Planungen oder konkreten hydrogeologischen Verhältnissen, sondern stellten generalisierte UTES in einem beispielhaft homogenen Untergrund dar. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte hinsichtlich der thermischen Auswirkungen des simulierten UTES, der Parametersensitivitäten und ihres zeitlichen Verlaufes.

Folgende Ziele lagen den Modellierungen zugrunde:

►        Bestimmung der Größe (Fläche und Volumen) des Bereichs mit Energieeintrag und -austrag (konzeptioneller Nutzungsraum) unter Einhaltung des Temperaturbereiches 0 °C < T ≤ 90 °C,

►        Bestimmung der Größe des thermischen Auswirkungsraums (Thermally Impacted Volume – TIV) für verschiedene Temperaturgrenzen bzw. dessen Flächenprojektion für verschiedene Temperaturbereiche: DT ≤ 1 K oder 3 K und 6°C ≤ T ≤ 16 °C bzw. 2 °C ≤ T ≤ 40 °C,

►        Ermittlung der durch die Leistung bestimmten thermischen Energiedichte bezogen auf das Volumen des Auswirkungsraumes oder dessen Flächenprojektion,

►        Ermittlung der Regenerationszeiten nach Außerbetriebnahme des UTES.

Im Einzelnen können aus diesen Szenarien folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

►        Eine Optimierung des Verhältnisses Oberfläche/Volumen des simulierten geothermischen Energiespeichers führt zu einem geringeren Energieverlust. Damit einhergehend ist jedoch ein größeres Volumen des UTES erforderlich, um den Temperaturbereich 0 °C > T < 90 °C einzuhalten.

►        Die Größe des Speichers (Volumen des konzeptionellen Nutzungsraumes) ist nicht linear proportional zur Anlagenleistung.

►        Thermische Auswirkungen (Fläche und Volumen) sind nicht linear proportional zur Anlagenleistung,

►        Die Abklingphase ist deutlich länger als die Betriebsphase.

Ergänzend zeigte die dreidimensionale numerische Simulation von UTES, dass eine flächige Betrachtung projiziert auf die Geländeoberkante für eine Bewertung der Auswirkungen nicht ausreichend ist. In der Regel ist auch eine dreidimensionale Betrachtung der thermischen Auswirkungen erforderlich. Analytische Gleichungen (2D) sind somit kaum anwendbar. Auch eine Bewertung der Auswirkungen nach dem Flächenansatz der Grundwasserverordnung ist nur begrenzt sinnvoll.



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