Detail Diplomarbeit Winkler

Betreuung:

Prof. Dr. rer. nat. Rolf Bracke
Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt

Prof. Dr. Gerrit Höfker
Fachhochschule Bochum, Institut für Bauphysik, Baustoffe und Konstruktion

Zusammenfassung:

Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise kommt dem Einsatz Erneuerbarer Energien eine immer größere Bedeutung zu. Mit der Novellierung des Marktanreizprogrammes und Fortführung des Zukunftsinvestitionsprogrammes versucht die Bundesregierung Anreize für Investitionen in erneuerbare Energien zu schaffen. Neben den regenerativen Energieträgern Sonne, Wind, Wasser und Biomasse steigt das Interesse, die Geothermie zur Wärmegewinnung und Stromerzeugung zu etablieren.

Mit Hilfe von wissenschaftlichen Studien konnte ein hohes geothermisches Potenzial für Deutschland nachgewiesen werden. Weiterentwickelte Technologien führten zu einer immer größeren Verbreitung geothermisch genutzter Anlagen. Dadurch wurden rechtliche Rahmenbedingungen notwendig, die einen nachhaltigen Umgang sicherstellen. Die Auslegung geothermischer Anlagen erfolgt in Deutschland überwiegend auf Basis der VDI-Richtlinie 4640. Allerdings führt der Einsatz der Richtlinie häufig zu einer Überdimensionierung der untertägigen Anlagenteile. Diese Überdimensionierung schlägt sich hauptsächlich in höheren Bohrkosten nieder, die ohnehin den größten Kostenanteil einer geothermischen Anlage ausmachen. Mit der Entnahme und Untersuchung von Bohrkernen kann dieses Risiko verringert werden. Zur optimalen Dimensionierung von Erdwärmesonden wurden verschiedene PC-Programme entwickelt, die die Wärmeübertragungsvorgänge im Untergrund simulieren.

Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die geothermische Wärmeversorgung für das geplante Gebäude des GeothermieZentrums der Fachhochschule Bochum auf Basis einer mitteltiefen Erdwärmesonde mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen untersucht.

Neben der Kenntnis der bauphysikalischen Kennwerte eines Gebäudes, ist die wichtigste Grundlage zur Auslegung einer geothermischen Anlage die möglichst genaue Kenntnis der geologischen Gegebenheiten. Aus diesem Grund wurde die geologische Karte des Geologischen Dienstes NRW ausgewertet. Zusätzlich wurden den ausstreichenden Schichten Bohrkerne entnommen. Die Untersuchung und Auswertung der petrophysikalischen Kennwerte fand an der RWTH-Aachen, im Labor für angewandte Geophysik statt.

Die ermittelten Werte der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität und der Dichte lieferten wichtige Informationen für die spätere Programmanwendung. Nach Festlegung der Randbedingungen, bestand die Hauptaufgabe der Arbeit in der Simulation des geschlossenen Erdwärmetauschers mit Hilfe von drei Simulationsprogrammen.

Neben zwei Standardprogrammen (EED und EWS) kam eine Beta-Version eines Finite-Differenzen Programms (SHEMAT), das die Berechnung von Erdwärmesonden ermöglicht, zum Einsatz. Für die Bestimmung der erforderlichen Tiefe der Erdwärmesonde, wurden verschiedene Modelle aufgestellt. Da zwischen den Simulationsergebnissen große Unterschiede auftraten, wurden weitere Modelle mit verringerten Tiefen berechnet. Hierbei zeigte sich bei zwei Programmen eine gute Übereinstimmung. Grundsätzlich sollte diese Einordnung auch für das dritte Programm gelten, allerdings konnte diese Annahme durch die Berechnungen nicht verifiziert werden. Der Aufwand für die Eingaben und die Rechenzeiten des Finite-Differenzen Programms sind erheblich höher, allerdings sind für tiefe Erdwärmesonden numerische Verfahren den kombinierten Berechnungsverfahren der Standardprogramme vorzuziehen. Die in der Diplomarbeit durchgeführten Simulationsrechnungen zeigten die Grenzen und Möglichkeiten der eingesetzten Berechnungsprogramme und stellt Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen bei der Nutzbarmachung des geothermischen Energiepotentials vor enorme aber interessante Herausforderungen.