Laboratory for Numerical Methods

Leitung: Prof. Dr. Christoph König

Am Laboratory for Numerical Methods werden komplexe Systeme modellhaft abgebildet. Diese reichen von geothermischen und hydrologischen Reservoirs über technische Systeme (z.B. Bohr- und Versorgungstechnik) bis zur energetischen Gebäudesimulation und schließlich der dynamischen Verknüpfung von Systemen zwischen der thermischen Bauphysik und der thermischen Geophysik. Das Labor verwendet kommerzielle Programme ebenso wie selbst entwickelte numerische Werkzeuge. Das Labor besitzt u.a. Software-Lizenzen für:

  • Earth Energy Designer (EED)
  • EnergyPlus
  • EWS
  • FE-Flow
  • Flowmaster
  • MH-Software
  • Pilesim
  • TRNSYS
  • SPRING
  • Petrel
  • Matlab

Tiefengeothermie - Prognose der Auswirkungen des Dauerbetriebs einer Geothermieanlage

Projekt-Kurzbeschreibung

Für die Einspeisung eines Wärmeversorgungsnetzes im Raum München wird aus den Hydrothermalwässern des Malm in rund 1.900 m Tiefe Energie gewonnen. Die Energie des geförderten Thermalwassers wird über Wärmetauscher an das städtische Nahwärmenetz abgegeben und über eine zweite Bohrung in das Reservoir zurückgeführt. Hierzu wurde im Stadtbereich eine geothermische Dublette, bestehend aus einer Förder- und einer Reinjektionsbohrung, abgeteuft.

  • Die Prognoserechnungen zeigen den Einflussbereich des abgekühlten Thermalwassers um die Reinjektionsborhung auf.
  • Der Wärmetransport erfolgt anders als bei gelösten Stoffen nicht nur konvektiv und diffusiv mit den Geofluiden, sondern auch konduktiv über die wärmeleitende Gesteinsmatrix.
  • In dem Modell strömt der Wärme- und Massenfluss sowohl über die Matrix als auch über die Störungs- bzw. Verwerfungszonen zu der Förderbohrung hin.
  • Die Störungs- und Verwerfungszonen wurden durch zweidimensionale Kluftelemente abgebildet.
  • Das Modell wurde durch das Nachrechnen zweier Pumpversuche kalibriert und qualifiziert.
  • Die Temperaturverluste in der Förderbohrung wurden über ein analytisches Modell berechnet.
  • Die Modellergebnisse wurden als Grundlage für die Erstellung eines Wärmegutachtens genutzt, welches nach Bergrecht für die Bewilligung eines dauerhaften geothermischen Betriebs erforderlich ist.
Schlierendarstellung während der Anfangsphase eines Pumpversuchs
Schnitt durch das Modellgebie

Einflussbereich einer geothermischen Nutzung durch Erdsonden

Projekt-Kurzbeschreibung

Für eine geothermische Wärme- und Kälteversorgung sollen ca. 120 Erdwärmesonden mit einer Länge von etwa 30 m und einem Abstand von 5 m in einem Grundwasserleiter installiert werden. Der Grundwasserleiter besteht aus quartären Sanden und Kiesen. Durch die Modellierung und Simulationsrechnungen soll der Einflussbereich des Wärmeentzugs und -eintrags während der Betriebszeit abgeschätzt werden.

 

  • mit der Annahme eines dauerhaft stationären Strömungszustandes im Grundwasser, stellt sich nach ca. 10 Jahren ist ein stationärer Zustand bei der Wärmeausbreitung ein.
  • Der Einflussbereich der Erdwärmesonden erstreckt sich in Grundwasserfließrichtung über eine Länge von rund 320 m. Quer zur Grundwasserströmung beträgt die Ausdehnung maximal 100 m.
  • Die Beeinflussung der Untergundtemperatur beschränkt sich nach den Simulationsrechnungen in etwa auf das Baufeld.
  • Die Temperaturänderungen außerhalb des Baufeldes gleichen den natürlichen Temperaturschwankungen des Grundwassers.
  • Die Grundwassertemperaturen innerhalb des Baufeldes  sinken auf rund 10 °C.
Lage der Erdwärmesonden im Baufeld
Temperatureinfluss der Sonden im Grundwasser

Tiefengeothermie - Wechselwirkungen zwischen benachbarten Geothermieprojekten

Projekt-Kurzbeschreibung

Für ein bereits bestehendes Fernwärmenetz einer Gemeinde im Raum München soll ein Thermlawasserreservoir erschlossen werden. Das  Thermalwasser befindet sich in den wasserführenden Schichten des Malm in ca. 2500 bis 2900 m Tiefe. Über Wärmetauscher wird die Energie an das Fernwärmenetz abgegeben und das abgekühlte Thermalwasser anschließend in das Reservoir zurückgeführt. Die Temperaturen des geförderten Thermalwassers soll bei ca. 85 °C liegen. Nach der Abkühlung wird das Wasser mit 55 bis 60 °C verpresst. Die Schüttung der Produktionsbohrung wird mit 85 l/s erwartet. Mit Hilfe des 3D-Grundwassermodells sollen Aussagen über die mögliche Beeinflussung weiterer Geothermieprojekte im Umfeld der geothermischen Dublette getroffen werden.

  • Das dreidimensionale Grundwassermodell besteht aus dem bekannten geologischen Modell sowie weiteren bereits vorhandenen Daten und Messergebnissen. Zusätzlich sind Erfahrungswerte aus ähnlichen Gepthermieprojekten eingeflossen. Die Simulationsrehnungen geben sowohl Auskunft zu Wechsel- und Langzeitwirkungen, als auch zu Erschließungs- und Betriebsrisiken.
  • Der Wärmetransport erfolgt anders als bei gelösten Stoffen nicht nur konvektiv und diffusiv mit den Geofluiden, sondern auch konduktiv über die wärmeleitende Gesteinsmatrix.
  • Durch den diffusiven Wärmefluss der gespeicherten Wärme der Gesteinsmatrix wird ständig Energie in das System nachgeführt.
  • Die Simulationsrechnungen zeigen Temperaturen, von bis zu 90 ° C, in den unteren Schichten des Modells und niedrigere Temperaturen in den oberen Schichten. Abweichend hierzu stellt sich die Verteilung der Temperatur in den Nahbereichen der Ex- sowie des Infiltrationsbohrung dar. Entlang der Förderbohrung stellen sich hohe Temperaturen durch die Förderung des Thermalwassers auch in den oberen Schichten ein.
  • Die Modellrechnung zeigen auf, dass das Thermalwasser größtenteils aus der Tiefe über Störungs- und Verwerfungszonen zuströmt. Die horizontale Ausbreitung der Geschwindigkeitserhöhung findet nur in sehr geringem Maße statt. Das Thermalwasser wird nur zu einem sehr geringen Anteil der Gesteinsmatrix des Malms entzogen. Der Einflussbereich des abgekühlten und zurückgeführten Thermalwassers ist gering und erreicht den Förderbereich nicht.
Darstellung des Elementnetztes
Schlierendarstellung der Temperaturen im Malm

Zusätzliche Information