Numerische Modellierung und Sensitivitätsanalyse eines Heißwasserinjektionsversuches

Mit der Hinwendung des Wärmesektors zu erneuerbaren Energiequellen werden Technologien benötigt, die den saisonalen Versatz zwischen Wärmebereitstellung und -bedarf überbrücken können. Aquiferwärmespeicherung (ATES) ist in dieser Hinsicht eine vielversprechende Option, wobei Hochtemperatur- (HT-)ATES gegenüber Niedrigtemperatur-ATES die Vorteile einer erhöhten Speicherkapazität und den reduzierten Einsatz von Wärmepumpen bietet. Um das Verständnis für die induzierten Prozesse durch HT-ATES und die damit zusammenhängenden Parametersensitivitäten zu verbessern, als auch um numerische Simulationswerkzeuge zu validieren, wurde ein Heißwasserinjektionsversuch mit 75 °C Injektionstemperatur in einem oberflächennahen Aquifer durchgeführt und mittels eines hochaufgelösten Temperatur-Monitoring-Netzwerkes ausgewertet. Ein numerisches Modell der gekoppelten thermo-hydraulischen Prozesse wurde auf Basis von Feldmessungen parametrisiert, die vor dem Versuch getätigt wurden. Somit wurde eine Prognose der induzierten thermischen Auswirkungen erhalten, wobei ein Vergleich zu den gemessenen Temperaturen Aufschluss über die Güte der Erkundungsmethoden und des Prozessverständnisses gab.

Der Vergleich von simulierten und gemessenen Temperaturen zeigte eine gute Übereinstimmung. Das Modell war somit in der Lage, das allgemeine thermische Verhalten vorherzusagen. Die Genauigkeit war dabei in größerer Entfernung vom Injektionsbrunnen und langfristig höher als im Nahbereich und kurzfristig. Das Modell wurde daraufhin verwendet, um die Parametersensitivitäten zu untersuchen. Das induzierte thermische Verhalten war am sensitivsten auf die vertikale und horizontale hydraulische Durchlässigkeit und die Grundwasserfließgeschwindigkeit. Die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit hatten geringere Auswirkungen und keinen Einfluss hatte der Speicherkoeffizient. Durch die Feldmessungen konnten die Parameterspannweiten der Grundwasserfließgeschwindigkeit, der vertikalen und der horizontalen hydraulischen Durchlässigkeit gegenüber theoretisch möglichen Spanweiten aus der Literatur eingegrenzt werden, wodurch die Unsicherheit in der Prognose der thermischen Auswirkungen erheblich reduziert werden konnte. Ein quantitativer Ansatz zur Beschreibung der Modellübereinstimmung mit den gemessenen Temperaturen ermöglichte eine weitere Reduzierung der Parameterspannweiten der vertikalen und horizontalen hydraulischen Durchlässigkeit und der damit verbundenen Unsicherheiten. Der Vergleich zu den Messdaten zeigte, dass das Basisszenario, welches nicht anhand von gemessenen Temperaturen kalibriert wurde, sondern nur auf Basis von Standard-Erkundungsmethoden parametrisiert wurde, weitestgehend optimal zu den Messdaten passte. Somit wurde gezeigt, dass die thermischen Auswirkungen einer Heißwasserinjektion oder von HT-ATES auf Basis einer gründlichen Standort-Vorerkundung mittels numerischer Modelle gut vorhergesagt werden können.