Die Dekarbonisierung des Wärmesektors erfordert die Erschließung klimaneutraler Energiequellen sowie die Nutzung von natürlichen Wärmespeichern. Die flache und tiefe Geothermie kann dafür einen wertvollen Beitrag leisten.
Die Dimensionierung und Auslegung von Geothermiebohrungen und größeren Erdwärmesondenfeldern erfordert effiziente und flexible Simulationstools, um vielfältige Konstellationen (Ausbau der Geothermiebohrung, unterschiedliche Sondentypen, flexible Anordnung der Erdwärmesonden usw.) zu analysieren.
COMSOL Multiphysics® ist generell sehr gut geeignet, vielfältigen Anforderungen zu entsprechen, unterschiedliche Sondentypen zu berücksichtigen und eine große Anzahl von Erdwärmesonden flexibel anzuordnen. Durch die stark unterschiedlichen Dimensionen von Längen (Teufe der Bohrungen, Länge des Ausbaumaterials), Durchmessern (Durchmesser der Bohrung, des Ausbaus, der Erdwärmesonden) und der Abmaße des zu berücksichtigenden Gebirgsblocks stellt jedoch die Simulation mit der Methode der Finiten Elemente auf Grund der erforderlichen Auflösung des Netzes (Durchmesser/Länge) eine große Herausforderung dar. Mit COMSOL Multiphysics® wurde eine geschlossene Methodik entwickelt, die die genannten Disproportionen und Anforderungen behandelt.
Abbildung 1: Modellkonzept
Das Simulationsmodell bildet die Erdwärmenutzung von der Wärmepumpe bis zum Gebirge ab (Figure 1). Die grundlegenden Differentialgleichungen der verschiedenen Physiken werden durch COMSOL Multiphysics®, das Pipe-Flow-Module und das Subsurface-Flow-Module beschrieben. Drei verschiedene Geometrieräume (3D, 3D, 1D) bilden die verschiedenen Kompartimente ab (Figure 2). Die Kopplung der Rechengrößen erfolgt Netz unabhängig durch nicht lokale Kopplungsoperatoren. Globale ODEs und PDEs simulieren die Wärmepumpe und berechnen Hilfsgrößen. Events stellen die korrekte Berücksichtigung des zeitlichen Betriebsregimes der Geothermieanlage sicher.
Abbildung 2: Erdwärmesonde, Erdwärmesondenfeld und umgebendes Gebirge
Saisonaler Wärmeentzug und die saisonale Wärmeeinspeisung kann einen Phasenwechsel des Porenwassers im Gestein verursachen. Das Simulationsmodell berücksichtigt ebenfalls den Frost-Tau-Wechsel.
Die Analyse der Erdwärmenutzung wird in unterschiedlichen Zeitmaßstäben von Jahren, Monaten, Tagen und Stunden vorgenommen, um eine effiziente Analyse des detaillierten Betriebsregimes (zum Beispiel stündlich) und der langfristigen Nutzung (mehrere Zehnerjahre) vorzunehmen.
Abbildung 3: Analyse der Langzeitnutzung geothermischer Energie
In einer Studie für die Stadtwerke Sondershausen GmbH wurde das geothermische Standortpotential für ein Erdwärmesondenfeld von 216 Erdwärmesonden mit einer Teufe von 150m bis 400m und mit unterschiedlichen Sondentypen untersucht. Aufgrund der geplanten langen Nutzungszeit von 75a wurden die Temperaturänderungen im Gebirge durch instationäre Kompaktanalysen auf der Basis von Jahren gerechnet (Figure 3). Für die Analyse der kurzfristigen Temperaturänderungen durch Peak Loads wurden Simulationen auf der Basis von Monaten und Tagen vorgenommen (Figure 4).
Abbildung 4: Analyse der lang-, mittel- und kurzfristigen Nutzung geothermischer Energie