Hydro- / Geologische Situation
Die Geologie im Zittauer Becken ist durch eine mächtige Wechsellagerung tertiärer Sedimentabfolgen geprägt. Die angestrebten numerischen Simulationsrechnungen erforderten einen hohen Detailierungsgrad des Modells mit einer entsprechenden Vielzahl geologischer Einzelkörper. Grundlage für die Modellierung bildeten die im Zuge der Zittauer Braunkohlenerkundung in einem engen Raster abgeteuften Erkundungsbohrungen. Die entsprechende Datenbasis in Form des umfangreichen Erkundungsberichtes (DITTRICH et al. 1988: unveröff. Ber., VEB GFE Freiberg) inkl. Bohrprofilen und geologischen Schnittdarstellungen wurde freundlicherweise vom Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren galt es, im Hinblick auf konvektive Wärmetransportprozesse die unterschiedlichen Grundwasserstockwerke im Modellgebiet mit ihren jeweiligen Eigenschaften (Fließrichtung und -gefälle, kf-Werte, nutzbare Porosität des Aquifergesteins) zu berücksichtigen. Auch hier gilt dem LfULG für die Bereitstellung der benötigten Datenbasis in Form von Hydroisohypsenplänen und Stichtagsmessungen besonderer Dank.
Kleinräumige geologisch-geothermische 3D-Modellierung im Zittauer Becken
Autor: Axel Gerschel
Motivation
Die Planung von Versuchsreihen am Erdwärmesonden-Versuchsstand der Hochschule Zittau/Görlitz erforderte den Aufbau eines detaillierten geologischen Untergrundmodells im Umgebungsbereich der Anlage. Bereits im Vorfeld experimenteller Untersuchungen besteht somit die Möglichkeit, anhand von modellbasierten Simulationsrechnungen versuchsspezifische Prognosen zu formulieren. Hierzu zählt auch die Bestimmung von Regenerationszeiten nach thermischen Belastungen des Untergrunds.
Langfristig gilt es, die ausgearbeiteten Modellansätze auf andere geologische Standortverhältnisse zu übertragen, um im Rahmen von Parameterstudien insbesondere den Einfluss der Hydrogeologie auf geothermische Nutzungen zu untersuchen.
Temperaturregime im Untergrund
Anhand der verbauten Messsensorik innerhalb des Erdwärmesonden-Testfeldes sowie umliegender Kontrollsonden werden die natürlichen bzw. gestörten (bei Anlagenbetrieb) Untergrundtemperaturen kontinuierlich erfasst und aufgezeichnet.
Das natürliche Temperaturregime am Standort weist mit 7 m eine geringmächtige saisonale Temperaturzone auf. Nach der sich anschließenden neutralen Temperaturzone kommt bereits ab einer Tiefe von etwa 20 m ein überdurchschnittlicher geothermischer Temperaturgradient von 12,1 K/100m zum Tragen. Dieser schwächt sich ab 46 m Tiefe auf 6,1 K/100m ab. Verglichen mit dem durchschnittlichen Temperaturgradienten in Deutschland (3 K/100m) stellt der Standort Zittau eine geothermische Wärmeanomalie dar.
Finanziert aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen
Geothermie
Thermische Speichervorgänge im Umfeld von Erdwärmesonden beim Heizen und Kühlen von Gebäuden mit Wärmepumpen
Die Nutzung oberflächennaher Geothermie mittels Erdwärmesonden stellt bei der Gebäudeenergieversorgung gegenüber konventionellen Heiz- und Kühlanwendungen eine effiziente Alternative dar. Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen tragen außerdem dazu bei, den Endenergiebedarf für die Wärmeversorgung zu minimieren. Ihr Leistungsvermögen kann diese Technologie vor allem im kombinierten Heiz- und Kühlbetrieb entfalten. Zur Ausschöpfung verfügbarer Effizienzpotenziale besteht Forschungsbedarf hinsichtlich der Planungsmethoden, Vorhersagemodelle sowie praxistauglicher Betriebskonzepte.
Zielstellung des am 01.08.2017 an der Hochschule Zittau/Görlitz gestarteten Forschungsprojektes „Thermische Speichervorgänge im Umfeld von Erdwärmesonden beim Heizen und Kühlen von Gebäuden mit Wärmepumpen“ ist es, im Themenfeld der erdgekoppelten Wärmepumpenanlagen wissenschaftlichen Problemstellungen lösungsorientiert zu begegnen, Optimierungskonzepte zu entwickeln und damit ebenso einen praxisrelevanten Beitrag zu leisten. Hierbei soll die Forschung speziell durch das Zusammenwirken von Absolventen unterschiedlicher Fachbereiche profitieren. Die in diesem Rahmen ins Leben gerufene Nachwuchsforschergruppe „Erdwärme“, bestehend aus Herrn Prasanth Subramani, Herrn Lukas Stöckmann, Herrn Axel Gerschel, Herrn Thomas Schäfer sowie Herrn Tom Walter, umfasst aktuell fünf Mitarbeiter aus den Fachbereichen angewandte Mathematik, Ingenieurwissenschaften, Geowissenschaften und Wirtschaftsingenieurwesen. Die Projektleitung erfolgt durch Herrn Prof. Dr. Tino Schütte, Herrn Prof. Dr. Jörn Krimmling und Herrn Prof. Dr. Jens Meinert.
Die unterschiedlichen inhaltlichen Themenschwerpunkte des Forschungsvorhabens lassen sich in folgende Aufgabenpakete gliedern:
- Numerische Gebäude- und Anlagensimulation mit TRNSYS
- Experimentelle Untersuchungen am Erdwärmesondenversuchsstand
- Untersuchung (hydro-)geologischer Aspekte und Modellierung mit FEFLOW
- Konstruktion und Werkstofftechnik
Den Wissenschaftlern steht für ihre Forschungstätigkeit ein umfangreich ausgestatteter Erdwärmesondenversuchstand zur Verfügung. Zur Realisierung aufwendiger numerischer Simulationsrechnungen mit TRNSYS und FEFLOW ist das Projekt darüber hinaus mit einer leistungsfähigen Rechentechnik ausgestattet.
