Thermohydrodynamische Untergrundmodelle als Planungsgrundlage zur Erstellung von Geothermieanlagen

Die Geothermie als Erneuerbare Energie bietet zunehmend die Möglichkeit die Energieversorgung/Gebäudeklimatisierung von Wohn- und Nichtwohngebäuden nicht nur ökologisch nachhaltig, sondern auch wirtschaftlich betreiben zu können. Bei der oberflächennahen Geothermie bis in Tiefen von etwa 100 bis 200 m wird sich die Erdwärme des Untergrundes aber auch die Möglichkeit den Untergrund als Wärmespeicher zu verwenden zu Nutze gemacht. Hierbei wird abhängig vom Geothermiesystem (geschlossene Erdwärmesonden, offene Brunnenanlage etc.) mehr oder weniger in die natürlichen Gegebenheiten des Untergrundes wie das Grundwasser (Strömungsverhältnisse, Temperatur etc.) eingegriffen. Negative Auswirkungen auf die Umgebung, sei es die Umwelt oder benachbarte Wasserrechte, sind auszuschließen.

Je nach System, Anlagengröße und Standortbedingungen einer zu beplanenden oberflächennahen Geothermieanlage ist im Zuge eines Wasserrechtsverfahrens eine entsprechende Erlaubnis bei den zuständigen Behörden einzuholen. Hierbei kann u.U. behördlich gefordert werden, den Anlagenbetrieb in einem thermohydrodynamischen Modell zu simulieren, um negative Auswirkungen begründbar ausschließen zu können. Neben der Betrachtung möglicher Auswirkungen auf die Umgebung ist es selbstverständlich durchaus sinnvoll durch ein thermohydrodynamisches Modell den eigenen sicheren Anlagenbetrieb nachzubilden bzw. zu prognostizieren. Hierbei wird i.d.R. ein Modellzeitraum von mindestens 25 Jahren gewählt, um auch die langfristigen Auswirkungen der geplanten Anlage abschätzen zu können.

Die Grundlage eines solchen Wärmemodells bildet das Grundwasserströmungsmodell. Zum einen, da Grundwasser wegen seiner vergleichsweisen konstanten Temperatur, der hohen Wärmekapazität und seiner Möglichkeit zum konvektivem Wärmetransport eine wichtige Rolle im Wärmehaushalt des Bodens einnimmt [1].  Das Grundwasser kann vereinfacht als natürlicher und nachhaltiger Energielieferant betrachtet werden. Zum anderen wird dem Grundwasser in einigen Gebieten aufgrund seiner Nutzung zur Trinkwassergewinnung eine besondere Bedeutung zugeordnet. Ebenso wichtig ist es den natürlichen Zustand des Wassers und damit den ökologischen Lebensraum zu erhalten.

Bei dem Aufbau eines Grundwassermodells erfolgt in einem ersten Schritt eine umfassende Datenrecherche sowie die Erstellung eines gesamtheitlichen Modellkonzeptes. Neben der Modellgebietsabgrenzung, den zu wählenden Randbedingungen und den einzupflegenden Untergrundeigenschaften muss auch eine räumliche Diskretisierung des Modellgebietes erfolgen. Darüber hinaus sind bei der zeitlichen Diskretisierung je nach Fragestellung verschiedene Einstellungen zu wählen. Bei der Betrachtung von gleichbleibenden Strömungen, in denen das Einstellen eines Gleichgewichtszustände erwartet wird, ist die Verwendung eines stationären Modells sinnvoll. Sind jedoch wechselnde Fließrichtungen nachzubilden, wie z.B. die Richtungsschwankungen über den zeitlichen Jahresverlauf, so ist das stationäre Modell durch die Implementierung von Zeitreihen zu einem instationären Modell auszuweiten. Die gewählte räumliche sowie zeitliche Diskretisierung beeinflusst maßgeblich die Modellgenauigkeit, aber auch die Rechendauer und ist in Abhängigkeit von der Fragestellung sowie der vorhandenen Datendichte zu wählen. Ferner muss das Modell anhand von vorhandenen Daten kalibriert und schlussendlich validiert werden, um sicherzustellen, dass das Modell plausible Ergebnisse liefert.

Das nun erhaltene Grundwassermodell kann anschließend zu einem thermohydrodynamischen Modell erweitert werden, in dem zusätzlich ein erdseitiger Wärmeentzug (Heizperiode im Winter) oder -eintrag (z.B. Gebäudetemperierung im Sommer) simuliert wird. Für den Fall eines reinen Heizbetriebes und damit Wärmeentzuges, bildet sich langfristig eine Temperaturfahne mit niedrigeren Temperaturen im Vergleich zum unbeeinflussten Niveau aus (siehe Abbildung). Neben dem reinen Heizfall können die geothermischen Anlagen auch zur Gebäudetemperierung (z.B. im Sommer) genutzt werden. Eine Ergänzung des Wärmeeintrags durch Nutzung von Abwärme (z.B. von Serverräumen, Kühlräumen) bietet darüber hinaus eine gute Möglichkeit die Auswirkungen des Anlagenbetriebs auf die Umgebung deutlich zu reduzieren (hier: Reduzierung der Temperaturabsenkung/-fahne), sodass eine kombinierte Lösung aus Heizen und Kühlen ein sehr nachhaltiger Weg zur häuslichen Wärmegewinnung darstellt [1].

Abbildung 1: 3D- Temperaturverteilung über die Bodentiefe, bei einer Erdwärmesondenanlage nach 25 jähriger Laufzeit (Oberflächen mit gleicher Temperatur)

Abbildung 2: 2D-Darstellung der Temperaturfahne [°C] einer Erdwärmesondenanlage nach 25 jähriger Laufzeit.