HEATFLOW

Entwicklung eines numerischen Modells auf Basis der Finite -Volumen-Methode zur Modellierung thermohydraulischer Prozesse in störungsgebundenen geothermischen Reservoiren.

Geothermie ist eine umweltfreundliche Energiequelle, aus der Tag und Nacht bei jedem Wetter regenerative, CO2-arme Energie gewonnen werden kann. Einer Studie des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB 2003) zufolge liegt das Gesamtpotential der geothermischen Stromproduktion in Deutschland bei der etwa 600-fachen Höhe des deutschen Jahresstrombedarfs. Die Geothermie kann also einen wichtigen Beitrag leisten, das angestrebte Ziel der Bundesregierung zu erreichen, bis zum Jahre 2020 einen Anteil von 20 % des Strombedarfs in Deutschland aus erneuerbaren Quellen zu decken. Allerdings gibt es noch großen Forschungs- und Entwicklungsbedarf, vor allem in der Explorationsmethodik, Bohr- und Kraftwerkstechnik, um das enorme Potential der tiefen Geothermie angemessen und wirtschaftlich nutzen zu können.

Thermohydraulische Modellierungen sollen belastbare Prognosen des Reservoirverhaltens liefern, um beispielsweise hydraulische Kurzschlüsse zwischen benachbarten Reservoiren im Vorfeld ausschließen zu können. Dabei spielt eine optimierte und sachgerechte Berücksichtigung der Störungssysteme und ihrer Eigenschaften bei der Strömungsmodellierung eine herausragende Rolle.

Um das Ziel, bis 2020 einen Anteil von 20 % der erneuerbaren Energien am Energiemix zu erreichen, muss die tiefe Geothermie einen entscheidenden Anteil leisten. Mit der Weiterentwicklung des existierenden Programms REACFLOW3D zu HEATFLOW soll die Abbildbarkeit von Störungssystemen in numerischen Wärmetransportmodellen optimiert werden. Ziel dabei ist sowohl eine realistische Abbildung der geologischen Gegebenheiten als auch die Entwicklung eines flexibleren Modells, in das im Zuge der Erkundung gewonnene Erkenntnisse zeitnah integriert werden könnte.

Vorliegende Erkundungsbeispiele zeigen ein hohes Risiko hydraulischer Kurzschlüsse über Störungssysteme, durch die kälteres Reinjektionswasser ungewollt in den Einzugsbereich benachbarter Geothermiekraftwerke gepresst wird.
Deshalb müssen die Störungen sehr sorgfältig in ihrer Struktur und mit ihren Eigenschaften in den numerischen Modellen abgebildet werden. Die Modellierungspraxis zeigt, dass die Übertragung der geologischen Strukturmodelle in die Welt der Strömungsmodelle mit größeren Ungenauigkeiten wie z. B. treppenhaften Abbildungen der Störungen oder einem sehr hohen Diskretisierungsaufwand verbunden ist. Bei einer kontinuierlichen Aktualisierung des geologischen Strukturmodells und des Wärmetransportmodels infolge der fortschreitend gewonnenen Erkenntnisse wäre die zwar genauere, aber auch deutlich aufwändigere Diskretisierung wiederholt durchzuführen. Diese Umstände führen dazu, dass in der Regel eine vergleichsweise einfache Berücksichtigung der Störungsstrukturen gewählt wird.

Ziel der durchzuführenden Arbeiten soll deshalb die Weiterentwicklung eines Diskretisierungsverfahrens sein, welches das originale Strukturmodell (das z.B. aus der 3D-Seismik gewonnen wird) ohne Veränderungen der Diskretisierung für die hydrothermale Modellierung verwendet und damit ein zyklisches Aktualisieren des Modells ermöglicht. Eine aufwändige Anpassung der Diskretisierung des geologischen Körpers für das Wärmetransportmodell zur Berücksichtigung der aktualisierten geologischen Strukturen wird damit überflüssig. Das neue Verfahren soll auch dafür eingesetzt werden, die neuen Erkenntnisse aus Bohrungen (z. B. aus Bohrlochmessungen und hydraulischen Versuchen) in die hydrothermale Modellierung einzubeziehen. Auf diese Weise kann bei neuen Erkundungsergebnissen unverzüglich eine sinnvolle Aktualisierung des Strukturmodells vorgenommen werden.

Erweiterung REACFLOW3D: Approximation advektiver und diffusiver Flüsse im Kluft-Matrix Bereich bei schrägen Klüften; Upwind-Methoden; anisotrope Strukturen.

Programmierung von Schnittstellen: Strukturmodell Petrel, Netzgenerator, GIS, Spring, Feflow.

Effiziente Löser: CG Verfahren, Vorkonditionierer, Newton-Raphson, adaptive Zeitschrittsteuerung.

Test analytische Brunnenlösung: Anwendungsbereich und Grenzen, Interpolation auf Gitter.

Nicht-lineare Fließgesetze: Forchheimer, Spalt- und Rohrströmungen.