CFD Simulation des Energieübergangs zwischen Grubenwasser und Wärmesonde
Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: StrömungsmechanikUntertägiges Grubenwasser ist eine geothermische Ressource die zukünftig als alternative Energieform genutzt werden soll. Für die Erstellung einer Energieplanung wurden CFD Simulationen durchgeführt. Die Analyse des Strömungs- und Temperaturfelds ermöglicht die Ermittlung der thermischen Entzugsleistungen.
Zusammenfassung
Aufgabe
Im Rahmen eines Forschungsprojektes sollen die Strömungs- und Energietransporte in Schächten zu Grubenwasser ehemaliger Bergwerke ermittelt werden. Mit den Erkenntnissen soll eine exakte Energieplanung ermöglicht werden.
Lösung
Die sich durch thermische Unterschiede einstellenden unterschiedlichen Auftriebe im Bergwerksschacht wird durch Querströmungen gestört. Die Strömungs-simulation mit Ansys CFD ermöglicht einen exakten Einblick in die komplexen Strömungsverhältnisse innerhalb des Bergwerkschachtes.
Kundennutzen
Mit den durchgeführten Simulationen durch CADFEM wurden das Strömungs- und Temperaturfeld analysiert und visualisiert. So konnten die Entzugsleistungen der Wärmesonde exakt ermittelt werden. Eine ziel-gerichtete Konzeption der Energiegewinnung ist sichergestellt.
Die Umsetzung der Energiewende ist eine der relevantesten Aufgaben der heutigen Zeit. Dazu muss die Energieversorgung zunehmend auf erneuerbare Energien umgestellt werden. In diesem Zusammenhang bietet sich dem Standorteigner und Planer eines neuen Innenstadtviertels in Essen die einmalige Möglichkeit, die geothermische Energie aus dem untertägigen Grubenwasser aufgelassener Bergwerke zu nutzen. Mit dem Projekt ESSEN51 entsteht in der Nähe der Essener Innenstadt ein neues Stadtviertel, in dessen Mitte sich die ehemaligen Zechenstandorte Schacht Amalie und Marie befinden. Dadurch ist ein kontinuierlicher untertägiger Grubenwasserstrom verfügbar, der ganzjährlich ein konstantes Temperaturniveau von etwa 25 °C hat und über die beiden ehemaligen Schächte erschlossen werden kann. Hierzu soll die Energie aus dem Grubenwasser mit einer Wärmesonde zur Oberfläche transportiert werden.
Mit den Berechnungen konnte der sich einstellende Strömungszustand im Schacht und in der horizontalen Strecke dargestellt werden. Ebenso wurden die Temperaturverteilung im Grubenwasser und in der Wärmesonde sowie die entzogene Energie berechnet.
- Anhand der erzielten Ergebnisse können validierte Aussagen zur Entzugsleistung gemacht werden. Diese fließen in die Erstellung des Energiekonzeptes ein.
- Im Forschungsprojekt Grubenwasser-Ruhr lassen sich die Ergebnisse auch auf andere Schächte übertragen, wodurch ein großer Multiplikatoreffekt entsteht.
Das Grubenwasser wird durch das umliegende Gestein erwärmt, das in dieser Tiefe Temperaturen von bis zu 40 °C erreicht. Gleichzeitig entzieht die Wärmesonde dem Grubenwasser Energie. Das wärmere leichtere Wasser steigt auf und das abgekühlte, schwerere Wasser sinkt wieder ab. So entsteht in dem Schacht ein komplexer, auftriebsdominierter Strömungszustand, der von der Querströmung der angeschlossenen neunten Sole überlagert wird. Mit Ansys CFD konnte sowohl die Temperaturverteilung als auch die Strömung berechnet und visualisiert werden. Besondere Herausforderungen waren zum einen die unterschiedlichen Zeitskalen in denen die Transportprozesse in den verschiedenen Bereichen des Rechengebiets ablaufen. Zum anderen bestanden hohe Anforderungen an die Netzfeinheit, um den Wärmeübergang hinreichend genau aufzulösen, gepaart mit der großen räumlichen Ausdehnung des Modells.
