DESCRAMBLE – Numerische Simulation eines superkritischen Wasser-/Dampfreservoirs
DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-CRitical AMBients of continentaL Europe) ist ein von der Europäischen Union im Rahmen des Horizon 2020-Aufrufs “Low Carbon Energy“ gefördertes Forschungsprojekt zur Entwicklung neuer Technologien für die erneuerbare Elektrizitäts- sowie Wärme/Kältegewinnung. Neue Bohrtechniken und Konzepte für geothermische Energie werden im Rahmen des Projekts finanziert. Diese Konzepte erhöhen die Anzahl geothermischer Ressourcen, deren Nutzung ökonomisch sinnvoll ist. Dies beinhaltet zum Beispiel, Festgesteinsreservoire sowie Reservoire unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen. Zusätzlich werden die neuen Bohrtechniken einen kleineren ökologischen Fußabdruck als bereits existierende Techniken besitzen.
Der Lehrstuhl für Angewandte Geophysik und Geothermische Energie, unter der Leitung von JARA-ENERGY Mitglied Prof. Christoph Clauser, wird das Bohrprogramm mit verlässlichen Vorhersagen für die physikalischen Eigenschaften, wie Temperatur, oder die natürlichen Strömungsbedingungen sowie für die Gesteinseigenschaften des Reservoirs auf regionaler sowie lokaler Ebene, begleiten. Ein tief greifendes Verständnis dieser Eigenschaft wird zur kommerziellen Nutzung solcher Hoch-Temperatur und Hoch-Druck geothermischen Reservoire benötigt. Die physikalischen Bedingungen werden durch numerische Modellierung identifiziert und charakterisiert. Die Simulationen werden die Vorhersage der Fluiddynamik während des Bohrens erlauben. Während der numerischen Modellierung löst das Team ein gekoppeltes System nichtlinearer partieller Differentialgleichungen für die Massen- und Energiebilanzen. Mit Hilfe der Lösung ist die aus dem Reservoir zu extrahierende Wärmemenge quantifizierbar. Zusätzlich wird die Vorhersage in der Lage sein, kritische Situationen während des Bohrens in superkritischen Reservoiren vorherzusagen.
Ein regionales Modell wird zur Vorhersage der natürlichen Fluidzirkulation im Gebiet herangezogen. Im späteren Verlauf wird dieses Modell die Randbedingungen für das lokale Modell liefern. Die zwei Phasen Wasser und Wasserdampf stellen die größte Herausforderung der numerischen Simulationen dar. Der institutseigene Forschungscode SHEMAT-Suite ist hochgradig parallelisiert und dafür entwickelt eine große Anzahl an Modellen und die stochastische Variation von Gesteinseigenschaften zu handhaben. Es wird ein kontinuierlich aktualisiertes thermo-hydraulisches Model des superkritischen Reservoirs zur Verfügung gestellt. Dieses Modell wird die Gesteinseigenschaften im Untergrund, sowohl die Geometrie des Reservoirs als auch die damit verknüpften Unsicherheiten, berücksichtigen.
Das Forschungsprojekt wird von 01.05.2015 bis 30.04.2018 durch die Europäische Union im Horizon 2020-Programm unter der Fördernummer 640573 gefördert.
Publikation: Ebigbo, A., Niederau, J., Marquart, G., Dini, I., Thorwart, M., Rabbel, W., Pechnig, R., Bertani, R., and Clauser, C.: Influence of depth, temperature, and structure of a crustal heat source on the geothermal reservoirs of Tuscany: numerical modelling and sensitivity study. Geothermal Energy, 4(1), 1, (2016).
Abbildung 1: Topographische Karte des Gebietes in der Toskana. Schwarze Dreiecke zeigen geothermische Bohrungen mit Daten, blaue Linien das Profil des betrachteten zweidimensionalen numerischen Modells.
Abbildung 2: Schematischer, stratigraphischer Schnitt des betrachteten Gebiets. In den metamorphen Einheiten befindet sich eine hochpermeable, geklüftete Zone (modifiziert nach Ebigbo et al., 2016).
Abbildung 3: Dampfkappe oberhalb des K-Horizonts. Gezeigt wird die Gassättigung der Zellen des K-Horizonts.
Abbildung 4: Umschlagen des Reservoirs von flüssig nach dampfförmig. Gezeigt werden die Zellen mit einer Gassättigung von mindestens 0.46.