Evaluation of Thermodynamic Software Packages for Geothermal Energy Recovery

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

Abstract

Mit dem schnellen zunehmenden Energiebedarf, Umweltproblemen und dem traditionellen Energieverbrauch spielt die Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien eine bedeutende Rolle um eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen. Die Erdwärme ist eine erneuerbaren Energie, die kontinuierlich von der Erde erzeugt wird und entweder im Form von Flüssigkeiten oder Feststoffen in der Erde gespeichert sind. Im Gegensatz zu Solarenergie ist es eine stabile Ressource und nicht abhängig von der Wetterlage. Die Nutzung der Erdwärme hängt nicht wie Wind- oder Solarenergie von Wetterbedingungen sowie Tages- bzw. Jahresrhythmen ab. Die immer stärkere Nutzung der geothermischen Energie könnte sich im Vergleich zur Entwicklung fossiler Brennstoffe sehr positiv auf die Umwelt auswirken. Aufgrund dieser Vorteile wird der Nutzung der Geothermie derzeit in zunehmendem Maße Beachtung geschenkt. In den letzten Jahrzehnten wurden eine große Zahl an Technologien entwickelt und im Bereich der Erdwärmegewinnung eingesetzt. Die produzierte Erdwärme kann zur Thermotherapie, Beheizung oder Kühlung von Gebäuden und Stromerzeugung genutzt werden. Die geothermischen Ressourcen variieren von wenigen Metern bis zu mehreren tausend Metern Tiefe und werden - basierend auf die Gewinnungstiefe - in flache Systeme (400 m) unterteilt. Daher wurden verschiedene Technologien für diese beiden Arten von geothermischer Energiegewinnung entwickelt. Darüber hinaus besteht auch ein zunehmender Bedarf an numerischen Modellen um die verschiedenen geothermischen Szenarien zu modellieren. In dieser Arbeit werden mathematische Methoden, die in der numerischen Modellierung zur Anwendung kommen und verschiedene Arten von Softwarepaketen für die Simulation der geothermischen Energienutzung analysiert. Die Entwicklung der mathematischen Methoden wird vorgestellt, diese gehen von Kelvin’s Line Source Theorie zur Berechnung der Bodentemperaturen nahe der Bohrung bis hin zur Finite Elemente Methode, welche die Berechnungen mittels diskreter drei-dimensionaler Modellern durchführt. Software-Pakete wurden nach den wichtigsten Funktionen in drei Kategorien eingeteilt und in dieser Arbeit evaluiert: die System Simulation Tools, die CFD Software Packete und die geologischen Software Pakete. Einige repräsentative Softwarepakete von jeder Kategorien wurden im Detail vorgestellt. Geothermie hat einige schwerwiegende Hindernisse für den Eintritt in den Mainstream-Energiemarkt. Die größten davon sind die hohen Kapitalkosten im Zusammenhang mit neuen Geothermie-Bohrungen, die lange Amortisationszeiten und das Risiko, das mit unbekannten geologischen Gegebenheiten verbunden ist wenn ein neues Gebiet erschlossen wird (Jamie Hutchins, 2011). Basierend auf bestehenden Infrastrukturen, einer Vielzahl an aufgelassenen Öl- und Gassonden, ausgereiften Produktionstechniken und Reservoir Daten, besteht in der Erdöl-industrie eine gute Chance zur Entwicklung und Nutzung geothermischer Ressourcen. Aufgrund dieses großen Potenzials der geothermischen Nutzungen wurden zwei Software-Pakete in dieser Arbeit zur Modellierung ausgewählt: Mit ANSYS Fluent wurde die geothermische Modellierung eines tiefen Erdwärmesonden-Systems durchgeführt. Mit dem Programm SHEMAT erfolgte die Modellierung hydrothermaler Dublette. Die Modellierungen wurden durchgeführt um die Leistungsfähigkeit der ausgewählten Software-Pakete für Konzeption, Analyse und Vorhersage geothermischer Gewinnungsprozesse zu prüfen.

Details

Titel in ÜbersetzungEvaluierung von Programm-Paketen zur geothermalen Energiegewinnung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung21 Okt. 2016
StatusVeröffentlicht - 2016