Als letztes Kapitel in diesem Teil werden wir eine der häufigsten Herausforderungen bei der Planung von geothermischen Bohrfeldern erörtern: Ungleichgewichte. Welche Instrumente stehen uns als Planern zur Verfügung, um das Bohrlochdesign so zu verändern, dass wir damit umgehen können und die Investitionskosten überschaubar bleiben?
Ungleichgewicht und Bohrlochgestaltung
Das Ungleichgewicht, d. h. die Differenz zwischen dem Förderbedarf und dem Injektionsbedarf des Bohrlochs, ist eine Tatsache für den Planer eines Bohrlochs. Bei der Planung eines Projekts ist dies in der Regel eine Selbstverständlichkeit, da es in direktem Zusammenhang mit dem Gebäudebedarf und somit mit architektonischen Entscheidungen steht. Obwohl es manchmal möglich ist, bestimmte Aspekte des Gebäudeentwurfs zu ändern, ist dies im Allgemeinen etwas, womit die Planer von Erdwärmesonden zurechtkommen müssen.
Ein Ungleichgewicht stellt eine Belastung für die langfristigen Temperaturen des Bohrlochs dar. Wenn die Temperaturen innerhalb bestimmter Grenzen bleiben müssen, wirkt sich eine Temperaturdrift natürlich auf die Auslegung aus und erhöht in der Regel die Investitionskosten.
In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Konstruktionsentscheidungen erörtert, die Einfluss darauf haben, wie ein Bohrlochfeld mit Ungleichgewichten umgeht. Diese Optionen sind unterteilt in Lösungen, die immer funktionieren, und Lösungen, die manchmal funktionieren.
Immer günstig für das Ungleichgewicht
Wie in Teil 2 erörtert, kann die thermische Reaktion eines Bohrlochs in zwei Zeitskalen unterteilt werden: langfristige Auswirkungen und kurzfristige Auswirkungen.
Da das Ungleichgewicht ein Phänomen ist, das langfristig Probleme verursacht, ist es ein logischer erster Schritt, das Design zu ändern, um diese langfristigen Auswirkungen zu verbessern. Was auf den ersten Blick überraschen mag, ist, dass auch kurzfristige Effekte einen positiven Einfluss auf das Ungleichgewichtsproblem haben können. Die konstruktiven Entscheidungen, die das langfristige und kurzfristige Verhalten des Bohrlochs beeinflussen, werden in den nächsten beiden Abschnitten erörtert. Ein dritter Abschnitt wird...
Besseres Langzeitverhalten
Der Langzeiteffekt beschreibt, wie sich die Bohrlochwandtemperatur im Laufe der Jahre verändert, und hier werden die direkten Auswirkungen des Ungleichgewichts sichtbar. Je mehr Energie jährlich entnommen wird, desto niedriger wird langfristig die Bohrlochwandtemperatur, und umgekehrt bei einspeisungsdominierten Systemen.
Wie in Teil 2.3, Dieser Langzeiteffekt wird von den g-Funktionen bestimmt, die die thermische Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Bohrlöchern im Feld und zwischen dem Feld und seiner Umgebung verkörpern. Um die Drift der Bohrlochwandtemperatur zu minimieren, sollte die Konstruktion so angepasst werden, dass eine möglichst geringe g-Funktion erreicht wird.
Wie in der Abbildung oben zu sehen ist, gibt es mehrere Möglichkeiten, die g-Funktionen zu beeinflussen. Eine Möglichkeit, die links dargestellt ist, besteht darin, den Abstand zwischen den Bohrlöchern anzupassen. Je weiter die Bohrungen voneinander entfernt sind, desto besser können sie Energie mit dem umgebenden Boden austauschen, desto geringer ist ihre gegenseitige thermische Beeinflussung und desto geringer ist folglich die Auswirkung des Ungleichgewichts auf das System.
Die gleichen Überlegungen gelten auch für das Beispiel rechts. Wenn die Bohrlochkonfiguration in eine offenere Anordnung geändert wird, z. B. eine Linie oder eine L-Form anstelle eines Rechtecks, kann das Bohrlochfeld Energie effektiver mit dem Boden austauschen, wodurch der Einfluss des Ungleichgewichts verringert wird. Dieser Effekt wurde auch bei der vorheriges Kapitel, wenn es um die Bedeutung der Arbeit mit Bohrlochkoordinaten geht.
Gekippte Bohrlöcher
Eine weitere Möglichkeit, den Abstand zwischen den Bohrlöchern künstlich zu vergrößern, besteht darin, sie zu neigen. Dieser Ansatz ist in den skandinavischen Ländern bereits üblich und hat zu Konzepten geführt wie Celsius Energie‘s Energie-Pyramide und die Geostar-Konzept entwickelt von Fraunhofer IEG.
Dies hat nicht nur den Vorteil, dass eine kleinere Grundfläche benötigt wird, was die Installation größerer geothermischer Systeme in dicht bebauten Gebieten erleichtert, sondern auch, dass bei ausreichend tiefen Bohrlöchern die durchschnittlichen Abstände größer werden, wodurch die thermische Wechselwirkung zwischen den Bohrlöchern verringert und die Auswirkungen des Ungleichgewichts auf das endgültige Design reduziert werden.
Besseres kurzfristiges Verhalten
Das kurzfristige Verhalten, wie es in Teil 2.2, wird durch den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand beschrieben, der die Beziehung zwischen der Bohrlochwandtemperatur, die durch die oben beschriebenen g-Funktionen bestimmt wird, und der Flüssigkeitstemperatur, die innerhalb bestimmter Grenzen bleiben muss, ausdrückt. Es ist genau diese Beziehung, die den Bohrlochwiderstand bei der Behandlung von Ungleichgewichten wichtig macht.
Um dies zu verstehen, betrachten wir das folgende Temperaturprofil für ein Bohrfeld, das aus 5 Bohrungen mit einer Tiefe von jeweils 113 m besteht.
Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, ist der Unterschied zwischen der Fluidtemperatur während der Spitzenerwärmung und der Bohrlochwandtemperatur, der in diesem Fall kaum sichtbar ist, aufgrund eines relativ geringen effektiven thermischen Bohrlochwiderstands von 0,1820 mK/W während der Entnahme ziemlich groß. Das obige Bohrfeld könnte ein geothermisches Ungleichgewicht von 15,2 MWh/Jahr bei der Entnahme verkraften.
Wenn das Bohrlochfeld unverändert bleibt und der Bohrlochwiderstand auf einen Wert von 0,0718 mK/W verbessert wird, nähern sich die Fluidtemperaturen deutlich der Bohrlochwandtemperatur an. Das bedeutet, dass die Bohrlochwandtemperatur im Laufe der Zeit noch etwas weiter sinken könnte, während die Fluidtemperaturen weiterhin innerhalb ihrer Grenzen bleiben. Es stellt sich heraus, dass in diesem Fall das gleiche Bohrfeld mit 5 Bohrlöchern mit diesem verbesserten Bohrlochwiderstand ein Ungleichgewicht von 32,0 MWh/Jahr in der Förderung bewältigen könnte.
Mit anderen Worten: Wenn der Bohrlochwiderstand gering ist, kann ein größeres Ungleichgewicht effektiver bewältigt werden, weil die Energie leichter zwischen der Flüssigkeit und dem Boden übertragen werden kann.
Manchmal förderlich für das Ungleichgewicht
Neben den oben genannten Gestaltungsmöglichkeiten, die im Allgemeinen bei der Behandlung von Ungleichgewichten von Vorteil sind, gibt es weitere Gestaltungsmöglichkeiten, die in bestimmten Fällen ebenfalls von Vorteil sein können.
Zusätzliche Bohrlöcher
Eine Lösung, die oft vorgeschlagen wird, um das Ungleichgewicht auszugleichen, ist das Bohren zusätzlicher Bohrlöcher. Die Überlegung dahinter ist ganz einfach: Je mehr Bohrungen, desto mehr Energie kann mit dem Boden ausgetauscht werden. Dies folgt der gleichen Logik wie die bereits erwähnten Bohrlochabstände und -konfigurationen. Allerdings gibt es hier eine wichtige Nuance im Zusammenhang mit dem Bohrlochwiderstand.
Ein wichtiger Parameter, der den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs beeinflusst, ist das Strömungsregime, ob laminar oder turbulent. Wenn sich die Anzahl der Bohrlöcher im System ändert, wird die Gesamtdurchflussmenge auf eine größere Anzahl von Bohrlöchern verteilt, was zu einer geringeren Durchflussmenge pro Bohrloch führt. In der nachstehenden Grafik entspricht dies einer Entwicklung hin zu niedrigeren Reynoldszahlen.
Wenn ein Bohrloch im instationären Bereich zwischen Re = 2300 und Re = 4000 betrieben wird, kann eine Verringerung des Durchflusses pro Bohrloch den Bohrlochwiderstand erheblich erhöhen und damit die Fähigkeit des Bohrlochs, mit Ungleichgewichten fertig zu werden, verringern, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben. Dies bedeutet, dass sich zwar das Langzeitverhalten aufgrund des verbesserten Wärmeaustauschs mit dem umgebenden Erdreich verbessert, dieser Vorteil jedoch durch einen schlechteren Wärmeaustausch innerhalb des Bohrlochs selbst ausgeglichen werden kann.
Daher ist es beim Hinzufügen weiterer Bohrlöcher immer wichtig, den Bohrlochwiderstand zu überwachen und, wann immer möglich, die Durchflussmenge zu erhöhen oder die Bohrlochkonfiguration anzupassen, wie z. B. die Wahl zwischen einem einfachen und einem doppelten U-Rohr oder die Änderung des Rohrdurchmessers, um den Widerstand so gering wie möglich zu halten.
Tiefere Bohrlöcher
Ein letzter Ausweg für geothermische Konstrukteure bei der Bewältigung von Ungleichgewichten ist das Bohren tieferer Bohrlöcher. Dadurch ändern sich die g-Funktionen und damit das langfristige Verhalten geringfügig, da tiefere Bohrungen auch mehr Fläche für den Wärmeaustausch mit dem Boden bieten. Außerdem bedeutet ein tieferes Bohrloch im Allgemeinen eine höhere durchschnittliche Bodentemperatur. Diese höhere Temperatur verschiebt alle Linien des obigen Temperaturdiagramms nach oben, was die Bewältigung von Ungleichgewichten erleichtert.
Es ist zu beachten, dass diese Lösung nur für Bohrfelder, die von der Extraktion dominiert werden, wirksam ist. Wenn ein Bohrfeld Probleme mit der maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur hat, ist eine tiefere Bohrung im Allgemeinen keine gute Lösung, da die höheren Bodentemperaturen zusätzliche Probleme verursachen.
Fazit
In diesem Kapitel wurden verschiedene Strategien zur Bewältigung von Ungleichgewichten bei der Planung von geothermischen Bohrfeldern erörtert. Es wurde gezeigt, dass Ungleichgewichte vor allem das langfristige Verhalten des Bohrlochs beeinflussen, indem sie eine Temperaturdrift verursachen, die die erforderliche Größe des Bohrlochs und die Investitionskosten erhöhen kann.
Es wurden mehrere Lösungen vorgestellt. Die Verbesserung des Langzeitverhaltens durch größere Bohrlochabstände, offenere Konfigurationen oder geneigte Bohrlöcher trägt zur Verringerung der thermischen Störungen bei, während die Verbesserung des Kurzzeitverhaltens durch einen geringeren effektiven thermischen Bohrlochwiderstand das System in die Lage versetzt, größere Ungleichgewichte effektiver zu bewältigen. Zusätzliche Bohrungen oder tiefere Bohrungen können ebenfalls helfen, obwohl diese Lösungen nicht immer von Vorteil sind und stark von den spezifischen Projektbedingungen abhängen.
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass es keine Universallösung für ein Ungleichgewicht gibt. Jedes Projekt erfordert eine sorgfältige Abwägung zwischen thermischer Leistung, hydraulischem Verhalten und Investitionskosten.