Geothermische Langzeitmodellierung eines solargekoppelten Erdsonden-Wärmespeichers in Crailsheim

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1 Beitrag Der Geothermiekongress 2011 Bochum, November 2011 Geothermische Langzeitmodellierung eines solargekoppelten Erdsonden-Wärmespeichers in Crailsheim Sebastian Homuth, Philipp Mikisek, Annette E. Götz, Ingo Sass Technische Universität Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften Fachgebiet Angewandte Geothermie Keywords: solargekoppelter Erdsonden-Wärmespeicher, geothermische Langzeitmodellierung, Muschelkalk, Bohrkernanalyse Zusammenfassung Die thermischen Veränderungen des Untergrundes im Umfeld eines saisonalen solargekoppelten Erdsonden-Wärmespeicher wurden über einen Zeitraum von 30 Betriebsjahren mit FEFLOW modelliert. Der Erdsonden-Wärmespeicher besteht aus 80 paarweise verschalteten Erdwärmesonden, die rasterförmig innerhalb einer rund 95 m² großen Kreisfläche angeordnet sind. Die Erdwärmesonden haben eine Tiefe von 55 m und befinden sich hauptsächlich in Kalksteinen des Oberen Muschelkalks (Trias). Der Erdsonden-Wärmespeicher wird von April bis September thermisch beladen, die Entladung erfolgt von Oktober bis März. Die thermischen und hydraulischen Eingangsdaten des Modells basieren auf drei 80 m tiefen durchgehend gekernten Bohrungen (GWM 1-3), die im Umfeld des Speichers abgeteuft wurden. Die Bohrkerne wurden vollständig lithologisch, faziell und feinstratigraphisch aufgenommen. Messungen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit, Permeabilität, Porosität und Dichte an 76 repräsentativen Proben der Bohrung GWM 3 sowie Messungen der Hauptkluftrichtungen in zwei Referenzaufschlüssen bei Crailsheim ermöglichten eine möglichst realitätsnahe Modellierung des Speichers. Die Ergebnisse der Langzeitmodellierung dienen einer detaillierteren Prognose der thermischen Veränderungen im Untergrund. 1. Einleitung und geologische Grundlage Eines der Forschungsziele im durch das BMU geförderten Projekt war es, die langfristigen thermischen Auswirkungen des Erdsonden-Wärmespeichers auf den Untergrund im näheren Umfeld des Speichers mit der hydraulischen und thermischen Modellierungssoftware FEFLOW zu simulieren. Dies erforderte zunächst Kenntnisse über die geologischen Verhältnisse im näheren Umfeld des Projektstandortes. Zu diesem Zweck wurde an Hand von Bohrdaten ein geologisches 3D-Modell mit Hilfe der Visualisierungssoftware GOCAD erstellt. Eingangsdaten in das knapp 9 km² große und 120 m tiefe Strukturmodell waren 17 stratigraphisch und lithofaziell aufgenommene Bohrungen. Modelliert wurden die stratigraphischen Einheiten (vom jüngsten zum ältesten) Gipskeuper (km1) und Lettenkeuper (ku) des Keupers (k), sowie die Künzelsau-Schichten (mo2k), Meißner-Schichten (mo2m), Bauland-Schichten (mo1b) Crailsheim-Schichten (mo1c) und Zwergfaunaschichten (mo1z) des Oberen Muschelkalks (mo). Die Basis des geologischen Modells bildet die Oberkante des Mittleren Muschelkalks (mm) (Abb. 2). Im Abstand von wenigen Metern rund um den Erdsonden-Wärmespeicher wurden drei durchgehend gekernte, 80 m tiefe Bohrungen (GWM2, 3 und 4) abgeteuft. Alle drei Bohrungen wurden feinstratigraphisch aufgenommen und mit regional vorhandenen Referenzbohrungen korreliert. Die für die Wärmetransportmodellierung erforderlichen Kennwerte Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Porosität und hydraulische Leitfähigkeit wurden an Bohrkernen der Bohrung GWM3 gemessen und anschließend auf die entsprechenden Bereiche der verbleibenden Bohrungen GWM2 und 4 übertragen.

2 Abb. 1: Lage des Arbeitsgebietes Das hydrogeologisch-geothermische Model umfasst ein Gebiet von ca. 2 km 2 östlich von Crailsheim in Baden-Württemberg. Zusätzlich zu den gemessenen Kennwerten wurden Daten von Flowmetermessungen und Aufschlussanalogstudien der nahegelegenen Steinbrüche Heldenmühle und Neidenfels, welche ca. zwei bzw. vier Kilometer nördlich des Modellgebietes den Unteren Muschelkalk aufschließen, in die Auswertung integriert. Abb. 2: Die Regionale geologische Struktur im Umfeld des Erdsonden-Wärmespeichers

3 Homuth, Mikisek, Götz, Sass Der Muschelkalk in der Hohenloher Ebene ist bis zu 250 m mächtig, wobei der Untere, Mittlere und Obere Muschelkalk eine durchschnittliche Mächtigkeit von jeweils ca. 80 m aufweist. Der Obere Muschelkalk wird im Projektgebiet von ca. 25 m mächtigen Sedimenten des Unteren Keupers, bestehend aus Sand- und Tonsteinen, überlagert (Abb. 3). Abb. 3: Stratigraphie, Fazies und hydrogeologische Kennwerte der Bohrungen GWM2, GWM3 und GWM4 2. Geothermische Modellierung Für die Transportmodellierung mittels FEFLOW wurde ein 2 km² großes Modellgebiet mit einer Tiefe von 150 m definiert. Die Modellgrenzen befinden sich 1,5 km in Grundwasserabstromrichtung und 500 m in Zustromrichtung des Erdsonden-Wärmespeichers. Die seitliche Distanz vom Speicher zum Modellrand beträgt 500 m. Die 80 jeweils 55 m tiefen Erdwärmesonden des Speichers wurden unter Berücksichtigung der geometrischen Gitterzellenanforderungen in das Modell intergiert. Die Anzahl der Modellschichten und Größe der einzelnen Finiten Elemente beeinflussen maßgeblich die benötigte Rechenzeit für die Simulation des Wärmetransports. Die Wahl der Anzahl von Schichten und Finiten Elementen war daher ein Kompromiss aus geologischer Genauigkeit und Rechenzeit. 3

4 Um in der am stärksten durch den Speicherbetrieb thermisch beeinflussten Zone einige Dutzend Meter rund um den eigentlich Speicher trotzdem möglichst detaillierte Ergebnisse zu erhalten, wurden die Finiten Elemente in diesem Bereich feiner gestaltet, während die Elementgröße mit zunehmendem Abstand zum Speicher ansteigt (Abb. 4). Elemente rund um jede einzelne Erdwärmesonde haben typischerweise Flächen zwischen 0,02 und 0,08 m², Elemente zwischen den einzelnen Erdwärmesonden haben Größen von 0,1 bi 0,4 m², Elemente im näheren Umkreis des Erdsonden-Wärmespeichers haben Flächen von 0,5 bis 2 m². Die Größe der Elemente im restlichen Gebiet steigt mit zunehmender Entfernung an und erreicht Flächen von 200 bis 500 m². Abb. 4: Draufsicht auf das Finite Elemente Netz des FEFLOW Modells (Ausschnitt) Um die starke Wechsellagerung des Untergrundes modellieren zu können, wären sehr viele dünne Schichten im Modell notwendig gewesen. Da dieser Detaillierungsgrad jedoch sehr lange Rechenzeiten zur Folge gehabt und keinen wesentlichen wissenschaftlichen Zugewinn bedeutet hätte, wurden geeignete Schichtbereiche zusammengefasst und als eine Schicht modelliert. Die minimale Höhe einer Schicht wurde auf 1 m limitiert, die maximale auf 10 m. Im Allgemeinen wurden Schichten im Bereich und knapp unterhalb des Speichers (d.h. bis zu einer Tiefe von 75 m) mit Elementhöhen von 1 bis 4 m modelliert, während Schichten weit unterhalb des Speichers Elementhöhen von 5 bis 10 m haben. Abb. 5 zeigt das dreidimensionale Finite Elemente Netz des Untergrundes im vertikalen Schnitt durch die Speichermitte.

5 Homuth, Mikisek, Götz, Sass Abb. 5: Modelldimensionen und Schichtmächtigkeiten des FE-Netzes (vertikaler Schnitt durch die Speichermitte); 5-fach überhöhte Darstellung Die Grundwasserfließrichtungen wurden im Modellgebiet durch Randbedingungen des hydraulischen Drucks festgelegt. Durch Bohrlochuntersuchungen mit dem Flowmeter und Permeabilitätsmessungen im Labor wurden mehrere Aquitarde in den oberen 65 m mit Fließrichtung Nordost, sowie ein Aquifer mit Fließrichtung Westsüdwest unterhalb von 72 m (Abb. 6) bestimmt. Bekannt waren die Fließrichtungen aus Angaben des Landesamtes für Geologie, Bergbau und Rohstoffe (LGRB); die Fließrichtung des Aquifers deckt sich zudem mit in den Muschelkalksteinbrüchen Heldenmühle und Neidenfels in der Nähe des Speichers gemessenen Hauptkluftrichtungen (Abb. 7). Abb. 6: Grundwasserfließrichtungen im Modell, definiert durch Randbedingungen (blaue Kreise) erster Art (hydraulische Druckhöhe); 5-fach überhöhte Darstellung 5

6 Abb. 7: Hauptkluftrichtungen gemessen in den Steinbrüchen Neidenfels und Heldenmühle nördlich von Crailsheim Basierend auf den vorher zusammengefassten einzelnen geologischen Schichten wurden den Modellschichten zunächst nur die gemittelten Messwerte für die hydraulische Leitfähigkeit (Abb. 8) zugewiesen. Die Fließgeschwindigkeiten innerhalb der Aquitarde und des Aquifers werden primär durch Klüfte gesteuert, die anhand von Literaturwerten Eingang in das Modell fanden. Die Simulation wurde anschließend als stationäres Fließmodell gerechnet, um so eine geeignete hydraulische Ausgangssituation für die anschließende instationär gerechnete Wärmetransportsimulation zu erhalten. Abb. 8: Hydraulische Leitfähigkeiten der einzelnen Schichten; 5-fach überhöhte Darstellung Für die Simulation des Wärmetransportes wurden die benötigten Kennwerte Porosität, Wärmeleitfähigkeit (Abb. 9) und Wärmekapazität in FEFLOW eingegeben. Während für Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität die Messwerte übernommen und gemittelt wurden, mussten die Messwerte der Porosität von Laborbedingungen auf Realbedingungen umgerechnet werden. Die im Labor gemessenen Porositäten spiegeln die gaseffektive Porosität wieder, für das Modell wurde jedoch die durchflusseffektive Porosität für Wasser benötigt. Die gemessenen Porositäten mussten daher deutlich reduziert werden. Um die relativen Unterschiede der

7 Homuth, Mikisek, Götz, Sass gemessenen Porosität der einzelnen Schichten im Modell sinnvoll reflektieren zu können, wurden sämtliche Porositätsmesswerte einheitlich um den Faktor 5 verringert. Der Überdeckung des Erdsonden-Wärmespeichers mit 0,4 m Dämmung und 1,6 m Erdaushub wurde durch gesonderte Modellschichten Rechnung getragen. Die initiale Temperaturverteilung im Modellbereich wurde mit Hilfe einer festen Oberflächentemperatur von 10,5 C an der Oberseite des Modells sowie einem Wärmezufluss an der Basis mit anschließender stationärer Simulation generiert. Die erzielte Temperaturverteilung mit einem Gradienten von knapp 3,5 C auf 100 m wurde mit Messdaten der ungestörten Untergrundtemperatur am Standort kalibriert. Die 80 Erdwärmesonden wurden in FEFLOW als Randbedingung 4. Art mit dem analytischen Modell gesetzt. Die Geometrie der Sonden sowie alle relevanten Stoffwerte wurden vom realen Speicher übernommen (BAUER et al., 2009). Abb. 9: Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Schichten; 5-fach überhöhte Darstellung 3. Simulation - Thermische Beeinflussung des Untergrunds Die thermischen Veränderungen im Untergrund wurden über einen Zeitraum von 30 Jahren simuliert. Der halbjährliche Wechselbetrieb des Speichers wurde mit Zulauftemperaturen von 75 C in den Monaten April bis September und 20 C in den Monaten Oktober bis März simuliert. Die Durchflussrate betrug 212,12 m 3 d -1. In den Abbildungen 10 bis 12 sind die berechneten Temperaturprofile in der Reservoirformation nach 3, 10 und 30 Jahren in einem vertikalen Schnitt durch die Speichermitte parallel zur Grundwasserströmungsrichtung dargestellt. Die Simulationsergebnisse lassen lediglich in dieser Richtung (Westsüdwest) einen deutlichen Einfluss der Grundwasserströmung auf das Temperaturprofil erkennen. Die Aquitarde mit Fließrichtung Nordost in Höhe der Sonden besitzen zu geringe Transmissivitäten, um sich signifikant auf das Temperaturprofil auszuwirken. Nach drei Betriebsjahren ist noch kein nennenswerter advektiv bedingter Wärmeabtransport in Hauptkluftrichtung zu erkennen. Nach 10 Betriebsjahren ist eine Beeinflussung des 7

8 Temperaturfeldes bis in ca. 350 m Entfernung von der Speichermitte zu verzeichnen (Abb. 10), nach 30 Betriebsjahren bis in ca. 850 m (Abb. 11). In dieser Entfernung handelt es sich allerdings um geringfügige Temperaturbeeinflussungen von deutlich unter einem Kelvin. In 100 m Entfernung vom Speicher in Abstromrichtung beträgt die berechnete Temperaturerhöhung in der am stärksten beeinflussten Tiefe von 71 bis 76 m unter GOK nach 30 Jahren 2,06 K. Abb. 10: Berechnetes Temperaturprofil im Untergrund nach 10 Betriebsjahren; 5-fach überhöhte Darstellung Abb. 11: Berechnetes Temperaturprofil im Untergrund nach 30 Betriebsjahren; 5-fach überhöhte Darstellung

9 Homuth, Mikisek, Götz, Sass Das Temperaturprofil innerhalb des Speicherbereichs wird durch advektive Effekte nur wenig beeinflusst (Abb. 12). Dies lässt bereits darauf schließen, dass der Speichernutzungsgrad durch den Grundwasserfluss nur gering reduziert wird. Weiterhin lässt sich erkennen, dass die Temperaturdifferenz zwischen voll beladenem und voll entladenem Speicher im unteren Speicherbereich aufgrund der dort höheren Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds größer ist. Zwar lässt sich somit dort volumenbezogen mehr Wärme speichern als im oberen Speicherbereich, allerdings sind auch die Wärmeverluste größer. Abb. 12: Berechnete Temperaturprofile im Untergrund im 30. Betriebsjahr voll beladen (A) und voll entladen (B); jeweils links im vertikalen Schnitt durch die Speichermitte, rechts im horizontalen Schnitt ca. 40 m unter GOK 4. Fazit Umfangreiche petrophysikalische Bohrkernuntersuchungen ermöglichten eine detaillierte geothermische Beschreibung der Standortbedingungen für den Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim. Basierend auf den petrophysikalischen und hydraulischen Daten sowie den Aufschlussanalogen konnte ein geothermisches Modell des Speichers erstellt werden. Die durchgeführte geothermische Modellierung des Erdsonden-Wärmespeichers in Crailsheim konnte aufgrund der zum Zeitpunkt der Durchführung noch nicht ausreichenden Datenbasis des Anlagenmonitorings nicht validiert werden. Sie ist somit als Prognoserechnung zu verstehen, deren Validierung zu einem späteren Zeitpunkt nachgeholt werden kann. Das im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelte Simulationsmodul auf Basis von FEFLOW ermöglichte erstmals eine umfassende und qualifizierte Untersuchung des Einflusses von Grundwasserströmung auf Erdsonden-Wärmespeicher. 9

10 Die thermische Beeinflussung des Untergrunds wurde zu ca. 350 m nach 10 Betriebsjahren und ca. 850 m nach 30 Betriebsjahren berechnet. In 100 m Entfernung in Abstromrichtung vom Speicher ergab die Berechnung eine maximale Temperaturerhöhung von ca. 2 K. Die berechneten Werte zeigen somit, dass trotz Grundwasserfluss ein effizienter und sicherer Speicherbetrieb in Crailsheim erreicht werden kann. Quellenangaben BAUER, D., HEIDEMANN, W., MARX, R., NUßBICKER-LUX, J., OCHS, F., PANTHALOOKARAN, V., RAAB, S., (2009) Solar unterstützte Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicher (Juni 2005 bis Juli 2008). Forschungsbericht zum BMU-Vorhaben J, Stuttgart. Technische Universität Darmstadt, Schnittspahnstraße 9, Darmstadt homuth@geo.tu-darmstadt.de