Geothermische Reservoir Simulation

Die Interaktion eines Wärmetauschers mit seiner Umgebung ist ein komplexer Prozess, der von einer Reihe physikalischer und technischer Faktoren bestimmt wird. Betrachtet man geothermische Systeme, wie Flächenkollektoren, Erdwärmesonden oder thermisch aktivierte Bauteile spielen zudem die lokalen geologischen und hydrogeologische Gegebenheiten eine entscheidende Rolle. Um zu verstehen, welche Entzugsleistung ein Wärmetauscher am Standort nachhaltig erzielen kann oder ob und wie stark ein Sondenfeld die Grundwassertemperaturen beeinflusst, werden numerische Modelle eingesetzt.

Eine besondere Herausforderung bei der Simulation von solchen Systemen ist die robuste Verknüpfung der kleinskaligen Physik im Wärmetauscher mit den großräumigen Prozessen der geologischen Umgebung. Ziel ist es hier, numerisch stabile Modellräume zu erstellen, die langfristige Prozesse mit möglichst kurzen Rechenzeiten nachbilden können.

Hier hat sich unsere hauseigene Software SHEMAT bzw. SHEMAT-Suite bewährt, für die wir verschiedene Zusatzmodule zur Berechnung von Wärmetauschern entwickelt haben. Bei diesen Modulen handelt es sich um sogenannte Modell-im-Modell Lösungen, bei denen die Prozesse innerhalb des Wärmetauschers über analytische Funktionen; die der Umgebung numerisch gelöst werden. Dieser Ansatz erlaubt eine deutlich schnellere Berechnung als ein rein numerischer Ansatz und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, die Umgebung des Wärmetauschers flexibel an die lokalen geologischen Gegebenheiten anzupassen. 

Unser Leistungsspektrum umfasst Punkte wie:

 

• Kurz- und Langzeitsimulation der Entzugsleistungen von geothermischen Wärmetauschern

• Leistungsprognosen für verschiedene Betriebs- und Speicherszenarien

• Prognosen von  Ein- und Austrittstemperaturen und variierende Heizzyklen

• Bewertung von geothermischen Wärmetauschereffekten auf Temperaturen im Untergrund

• Bestimmung des Einflusses von Grundwasserströmungen auf das Leistungsverhalten

Modell-im-Modell Module existieren für Doppel-U und Koaxialsonden, wobei Sondenparameter wie Rohrgeometrien, Wandstärken, Bohrdurchmesser, thermische Widerstände etc. frei konfigurierbar sind. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen sind weitere Module entstanden, mit denen zum einen flächige Wärmetauscher wie thermisch aktivierte Abdichtungselemente und Spundwände, zum anderen Vereisungsprozesse im Boden betrachtet werden können.