Modellierung
Hydrothermik
Zur Untersuchung des hydrothermischen Langzeitverhaltens werden numerische Modelle erstellt, die die im Reservoir vorliegende Geometrie nach erfolgter hydraulischer Stimulation widerspiegeln. Wesentlicher Bestandteil der Modelle sind diskrete großskalige Risse, die durch die Stimulation entstehen. Die Berechnungen werden anhand kurzzeitiger hydraulischer und thermischer in-situ Tests kalibriert, worauf die Simulation des hydrothermischen Langzeitverhaltens folgt.
Mithilfe von numerischen Modellrechnungen kann die Leistungsfähigkeit von Konzepten für die Gewinnung von geothermischer Energie für eine übliche Nutzungsdauer (normalerweise 20 – 25 Jahre) überprüft werden. Insbesondere werden hier mit dem gleichen Modell 2 verschiedene zyklische Verfahren untersucht, das wochenzyklische und das jahreszyklische Betriebsschema.
Beim wochenzyklischen Betriebsschema wird während einer Dauer von 36 Stunden in einen künstlichen Riss kaltes Wasser injiziert. Nach einer Wartezeit von 30 Stunden wird in 5 täglichen Intervallen jeweils für eine Dauer von 16 Stunden heißes Wasser gefördert und während der Nacht 8 Stunden gewartet.
Abbildung 1: Räumliche Temperaturverteilung nach 4 Jahren Betriebsdauer. Linke Spalte wochenzyklisches Betriebsschema. Rechte Spalte jahreszyklisches Betriebsschema. Obere Reihe: Zu Ende der Injektionsphase. Untere Reihe zu Ende der Produktionsphase ( 2 Schichten, Risshalblänge = 1000 m, Überhöhung der z-Achse 1000 m)
Beim jahreszyklischen Verfahren werden während der Dauer von 3 Monaten, im Frühling und im Sommer, 200.000 m³ kaltes Wasser in den Detfurth Sandstein injiziert. Während der folgenden drei Monate kann sich das verpresste Wasser im Gebirge aufheizen um dann in der kalten Jahreszeit als Heißwasser gefördert zu werden. Im Gegensatz zu wochenzyklischen Verfahren steht die Wärme auch nachts und am Wochenende zur Verfügung.
Die oberen beiden Bilder aus Abbildung 1 zeigen die räumliche Temperaturverteilung zum Ende der Injektionsphase. Bei beiden Betriebsschemata wird der überwiegende Anteil der gewonnenen Wärme der nahezu undurchlässigen Tonsteinschicht entzogen, in die der permeable Detfurth-Sandstein eingebettet ist. Es wird deutlich, dass das jahreszyklische Verfahren den künstlichen Riss effektiver nutzt.
Abbildung 2 zeigt die mittlere berechnete Wärmeleistung während der Heizperioden für Mehrfachrisssysteme sowohl für das wochenzyklische als auch für das jahreszyklische Verfahren. Wie man schon wegen der vergleichsweise erheblich höheren Fördertemperaturen erwarten konnte, ist die Leistungsabgabe für das jahreszyklische Verfahren wesentlich größer.
Ein Vergleich von einem 4-Risswärmetauscher mit einem 2-Risswärmetauscher zeigt, dass bei gleichbleibender Rissfläche die Leistungsabgabe mit der Anzahl der Rissflächen ansteigt.
Unsere numerischen Untersuchungen zeigen, dass auf Einbohrlochverfahren basierende geothermische Systeme, die im wochen- oder jahreszyklischen Modus betrieben werden, für mehrere Jahrzehnte eine thermische Leistung von einigen MW produzieren können.
Abbildung 2: Mittlere thermische Leistung während der Heizperioden für das wochenzyklische und das jahreszyklische Betriebsschema bei Verwendung von Mehrrisswärmetauschern. Risshalblänge ist jeweils 1000 m.
Hydromechanik
Hydromechanisches Verhalten im geothermischen Reservoir ist insbesondere im künstlich erzeugten Riss zu erwarten (Abbildung 3). Die Wasserinjektion mit hohen Fliessraten öffnet durch den entstehenden Überdruck einen großskaligen Riss, der eine große Fläche für den Austausch thermischer Energie bietet. Ebenso zeigen die in-situ Tests, dass sich der Riss durch Ablassen des Überdruckes wieder schließt. Numerische Modellrechnungen belegen dieses Verhalten (Abbildung 4), und können daher verwendet werden, das Reservoirverhalten während der Energiegewinnung vorherzusagen.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der hydromechanischen Prozesse und deren Kopplungsmechanismen
Die folgende Abbildung zeigt das zu erwartende Fliessverhalten bevor und nachdem sich der großskalige Riss über den durch Perforation angeschlossenen Detfurth-Horizont hinaus öffnet.
Abbildung 4: Darstellung des Fliessverhaltens bei niedriger Injektionsrate (links)
Abbildung 4: Darstellung des Fliessverhaltens bei hoher Injektionsrate, durch die sich der vertikale Riss öffnet (rechts).
Abbildung 5: Simulationsergebnisse aus FE-Rechnungen mit ROCMAS. Durch die Simulation hydromechanischen Rissverhaltens können sowohl die Injektions- als auch die Shut-in Phase gut angepasst werden.