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Resource assessment and performance predictions in unconventional geothermal reservoirs

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[Quelle: https://d-nb.info]

Geothermische Energie, die aus der natürlichen Wärme der Erde gewonnen wird, hat das Potenzial, zum globalen Energiebedarf mit minimalem ökologischen Fußabdruck nachhaltig beizutragen. Mit den Möglichkeiten, Energie aus verschiedenen Arten von geothermischen Reservoiren zu nutzen, die von konventionellen hydrothermalen Ressourcen bis hin zu unkonventionellen (EGS und superheißen) geothermischen Systemen reichen, verspricht die Geothermie stabile, nachhaltige und geographisch weit verbreitete Produktionsmöglichkeiten. Trotz dieser Vorteile und des enormen Energiegewinnungspotenzials leiden geothermische Projekte unter den hohen initialen Investitionskosten während der Explorationsphase. Die Unsicherheiten bezüglich des Untergrundes erhöhen die finanziellen Risiken von geothermischen Explorationsprojekten erheblich und beeinflussen folglich die Investitionsentscheidungen. Einige der wichtigsten geologischen Faktoren, die die Ressourcenbewertung insbesondere in unkonventionellen geothermischen Feldern beeinflussen, hängen mit der begrenzten Kenntnis des zugrundeliegenden magmatischen Systems, unsicheren Gesteinsparametern und gekoppelten Untergrundprozessen zusammen. Jeder dieser Faktoren wird in dieser Arbeit auf verschiedenen Skalen untersucht. Für die Bewertung von Ressourcen auf regionaler Ebene ist die Kenntnis der zugrundeliegenden Wärmequelle essentiell, um das Wärmebudget des Feldes korrekt zu bewerten. In dieser Studie schlage ich eine Methodik zur Rekonstruktion des thermischen Regimes in aktiven Vulkanfeldern vor, die durch mehrere vulkanische Episoden und magmatische Intrusionen gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rekonstruktion der kompletten zeitlichen Entwicklung, unter Einbeziehung von magmatischen Quellinformationen aus geochemischen und petrologischen Studien, die im geothermischen Feld beobachteten thermischen Anomalien genau erfassen kann. Auf der Ebene des Reservoirs bewerte ich die Auswirkungen von unbekannten Gesteinsparametern auf die Reservoirentwicklung und -planung. Mithilfe stochastischer Modellierung quantifiziere und reduziere ich die Unsicherheit bei der Temperaturabschätzung und verbessere so die Vorhersage des geothermischen Potenzials des Feldes erheblich. Schließlich untersuche ich auf der Laborskala die gekoppelten nichtlinearen Prozesse, die durch Stimulation in geothermischen Reservoiren induziert werden. Durch die Durchführung von hydraulischen Stimulationsexperimenten in Granitproben evaluiere ich die sensitivsten Faktoren, die die Post-Stimulationsprozesse in Gesteinen mit geringer Permeabilität beeinflussen. Die gut kontrollierbaren Experimente auf der Laborskala führten zu einem Benchmark-Datensatz, der für eine vergleichende Leistungsbewertung von zwei modernen numerischen Simulatoren verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass eine zuverlässige Vorhersage des Druckverhaltens und des stimulierten Volumens durch eine genaue Modellierung des Injektionssystems, des Flüssigkeitsaustritts und der Gesteins-Sättigungsbedingungen möglich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Beiträge unterstützen Geowissenschaftler, Ingenieure und Investoren, die an verschiedenen Arten der geologischen Erkundung beteiligt sind. Die Arbeitsabläufe werden anhand von Fallbeispielen aus der unkonventionellen Geothermie vorgestellt. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Untersuchungen finden jedoch allgemeine Anwendung in der geologischen Exploration, einschließlich konventioneller Geothermie und Kohlenwasserstoffen. Der Arbeitsablauf der thermischen Untersuchung in aktiven magmatischen Systemen ist nicht nur für die Bewertung des Wärmebudgets wichtig, sondern hat auch Auswirkungen auf die Analyse der thermischen Reife von organischem Material, ein wichtiger Faktor bei der Analyse von Kohlenwasserstoff-Reservoiren. Der Arbeitsablauf der stochastischen Lagerstättenmodellierung liefert eine deutlich höhere Genauigkeit für die vorhergesagte Temperatur und unterstützt daher Entscheidungsträger bei der Durchführung einer verbesserten Risikobewertung, bevor große wirtschaftliche Investitionen getätigt werden. Schließlich ist die Untersuchung von hydraulischen Brüchen im Labormaßstab und der damit verbundene experimentelle Datensatz von großem Wert für Benchmarking und Vergleichsstudien von Simulationscodes. Solche Code-Vergleichsstudien sind sowohl für die Industrie als auch für die akademischen Bereiche von wesentlicher Bedeutung für die Entwicklung fortschrittlicher Stimulationstechniken für geothermische Systeme und geologische Speicher. Abschließend werden alle in dieser Arbeit vorgestellten Arbeitsabläufe mit dem übergeordneten Ziel vorgeschlagen, die Unsicherheit bei der Ressourcen- und Produktivitätsbewertung von geothermischen Feldern zu reduzieren.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Rainer Dirk, Medin Verem
Band 1. Teilband 1. Das neue Gebäudeenergiegesetz (GEG)
Praxisnah anhand von Beispielen erläutert
2021, XII, 288 S., 24 cm, Buch
Reguvis Fachmedien

 

 

Auf der Grundlage zweier Beispiele (Wohngebäude - WG, Nichtwohngebäude - NWG) werden im Buch die neuen Anforderungen anschaulich und nachvollziehbar dargestellt. Das Anforderungsniveau wird mit dem GEG derzeit nicht erhöht und viele Berechnungsregeln werden übernommen, dennoch gibt es einige, relevante Umstellungen: Zusammenführung von EnEG, EnEV und EEWärmeG; quartiersbezogene Bilanzierung; die Temperaturkorrekturfaktoren für untere Gebäudeabschlüsse; pauschale Wärmebrückenzuschläge; Gleichwertigkeitsnachweis nach DIN 4108 Bbl.2:2019; der Nutzenergiebedarf für Warmwasser; Wärmeverluste der Heizwärmeübergabe; Energieertrag thermischer Solaranlagen; Berechnung von Wärmepumpen, PV-Anlagen und Blockheizkraftwerken; verpflichtende Energieberatung. Die Berechnungsgrundlagen für die Beispiele beruhen für beide Gebäudetypen auf der DIN V 18599 (2018). Für ein Wohngebäude wird ausführlich dargestellt, wie sich die energetischen Anforderungen in den letzten Jahren entwickelt haben. Ziel soll sein, Häuser so zu planen und zu bauen, um den zukünftigen Anforderungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand zu entsprechen. Vergleichend wird auch untersucht, inwieweit die vereinfachten Nachweisverfahren bei Wohngebäuden angewendet werden dürfen. Man darf zwar Wohngebäude weiterhin nach DIN V 4108-6:2003 berechnen, allerdings nur noch bis Ende 2023.Das Beispiel für das Nichtwohngebäude wurde so gewählt, dass verschiedene Varianten gegenübergestellt werden. Neben den baulichen Faktoren spielen die technischen Varianten eine immer wichtigere Rolle. Dabei muss auch untersucht werden, inwieweit das Gebäude aktiv zur Energiegewinnung herangezogen werden kann. Insbesondere sind hier Photovoltaikanlagen zu nennen die beim Gebäudenachweis berücksichtigt werden.

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Daniel Fehrenbach
Modellgestützte Untersuchung des wirtschaftlichen Potenzials sektorgekoppelter Wärmeversorgung in Wohngebäuden im Kontex
Produktion und Energie, Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion und Deutsch-Französisches Institut für Umweltforschung, Band 35
Dissertationsschrift
2019, 544 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Bei der Erreichung der Energie- und Klimaziele der Bundesregierung kommt der Transformation der Energieversorgung des Wohngebäudesektors eine wichtige Rolle zu. Diese Arbeit untersucht das wirtschaftliche Potenzial der sektorgekoppelten Wärmeerzeugertechniken Mikro-KWK und Wärmepumpen zur Flexibilisierung der Elektrizitätsversorgung. Zu diesem Zweck werden zwei optimierende energiewirtschaftliche Analyseinstrumente entwickelt und angewendet: ein integriertes Energiesystemmodell zur Langfristplanung der Energieversorgung der Wohngebäude in Deutschland aus gesamtwirtschaftlicher Perspektive und ein Entscheidungsmodell zur Energieversorgung einzelner Wohngebäude unter gegebenen wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen aus einzelwirtschaftlicher Perspektive. Der kombinierte Einsatz dieser komplementären Analyseinstrumente zeigt in der Szenarioanalyse ein Spannungsverhältnis zwischen gesamtwirtschaftlich optimaler Systemplanung und Investitionsanreizen für Entscheider bei der Energieversorgung von Wohngebäuden auf. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen zur Erreichung der energie- und klimapolitischen Ziele der Bundesregierung.

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Erik Merkel
Analyse und Bewertung des Elektrizitätssystems und des Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland
Produktion und Energie, Band 21
Dissertationsschrift
2018, 434 S., graph. Darst. 21 cm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Die Arbeit befasst sich mit der Analyse und Bewertung des Elektrizitätssystem und des Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland bis zum Jahr 2050. Das Untersuchungsziel besteht neben einer Analyse der zeitlichen Veränderung der Teilenergiesysteme insbesondere darin, das Potenzial von Technologien an der Schnittstelle von Elektrizität und Wärme zu identifizieren sowie die Entwicklung vor dem Hintergrund der energie- und klimapolitischen Ziele im Wärmesystem der Wohngebäude zu bewerten. Der entwickelte Ansatz ermöglicht es erstmalig, neben einer Analyse der Entwicklung des Wärmesystems der Wohngebäude, die auf einer Vielzahl von Szenarien basiert, auch die Erreichung dessen energie- und klimapolitischen Ziele zu bewerten.

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Reinhard Jank, Reiner Kuklinski
Integrales Quartiers-Energiekonzept
Am Beispiel Karlsruhe-Rintheim
2015, 133 S., zahlr. farb. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit dem Vorhaben wird ein beispielhaftes nachhaltiges Quartierskonzept für das Wohnquartier Karlsruhe-Rintheim entwickelt und mit dessen Umsetzung begonnen. Neben bestmöglicher Kosteneffizienz soll eine Minimierung des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen erreicht werden. Das Quartier weist derzeit 36 Gebäude mit 1.243 Wohneinheiten auf. Die Gebäude sind zwischen 35 und 55 Jahren alt. Parallel zum Aufbau eines Nahwärmenetzes - gespeist aus KWK und Abwärme - sollen die Gebäude wirtschaftlich optimal modernisiert werden. Der nachfolgende Betrieb wird kontinuierlich überwacht und optimiert, wobei die Bewohner mit in die Energieeinsparbemühungen einbezogen werden. Im Rahmen des zu entwickelnden Quartiers-Nachhaltigkeitskonzepts werden auch der Stromverbrauch im Quartier, die Mobilität sowie Fragen der Zukunftssicherheit des Quartiers im Hinblick auf die demografische Entwicklung behandelt.

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Thomas Schabbach, Pascal Leibbrandt
Solarthermie
Technik im Fokus
Wie Sonne zu Wärme wird
2014, IX, 147 S., 70 SW-Abb., 10 Farbabb. 193 mm, Softcover
Springer

 

 

Welchen Beitrag kann die Solarthermie zur Energiewende leisten? Was kostet Solarwärme und -kälte? Wo sind ihre Grenzen? Nach einem kurzen Überblick über die Geschichte der solarthermischen Energienutzung führen die Autoren in die physikalischen Grundlagen der Solarstrahlung ein. Dann erläutern sie die Kollektor- und Anlagentechnik anhand zahlreicher Abbildungen. Weitere Kapitel beleuchten die zukünftigen Entwicklungslinien (Stichwort: Solarkraftwerk!) und die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie. Der Band vermittelt auch dem Laien einen guten Einstieg in die wichtige Technologie auf dem Weg zur Energiewende.

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Forschungsberichte

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Kirsten Höttges, Michael Krause, Juan Rodriguez Santiago, Matthias Kersken, Thomas Haussmann, Stephan Schlitzberger
Erarbeitung von Bewertungsverfahren zur Berücksichtigung der Eigenschaften von PCM-Produkten im Rahmen der DIN V 18599 und DIN 4108 Teil 2. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3116
2019, 178 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) werden heute in der Baupraxis bereits verschiedene Systeme umgesetzt. Die Einsatzbereiche umfassen dabei passive Systeme (Bauplatten) sowie aktive bzw. hybride Systeme (Kühldecken und -wände, Lüftungsanlagen und Speicher). Eine rechnerische Bewertung der energetischen Effekte von PCM sowie die Auswirkungen auf den thermischen Komfort kann mittels thermischen Simulationsrechnungen auf Stundenbasis erfolgen. Im Rahmen der rechtlich erforderlichen Nachweisverfahren finden thermische Simulationsrechnungen nur in Ausnahmefällen (EnEV) bzw. nicht als Regelverfahren (DIN 4108-2) Anwendung. Wünschenswert wäre die Möglichkeit, den Einsatz von PCM in die normativen Berechnungsverfahren zu implementieren, um so eine energetische Bewertung dieser Systeme auch im Rahmen der Nachweisführung - d.h. für eine weiter verbreitete Anwendung - zu ermöglichen. Dabei geht es vor allem darum, geeignete Schnittstellen und Algorithmen (Ansätze) zu identifizieren und zu verifizieren.

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Werner Lang, Thomas Auer, Karl Martin Heissler, Jakob Metz, Isabell Nemeth
Potenziale von Niedrigtemperaturnetzen zur Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien in Quartieren. Niedrigtemperaturnetze in Quartieren. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3059
2018, 97 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Heutige Nahwärmenetze arbeiten auf einem Temperaturniveau, das deutlich über dem der Umgebung liegt. Folge der Temperaturdifferenz zur Umgebung sind Verteil- sowie Exergieverluste und eine erschwerte Einbindung von erneuerbaren Energiequellen. Niedrigtemperaturnetze sind ein innovativer Ansatz um die Einbindung erneuerbarer Energien zu erleichtern. In städtischen Quartieren können durch eine thermische Vernetzung auf niedrigem Temperaturniveau erneuerbare Energiequellen sowie Umgebungs- und Restwärmepotenziale genutzt werden, die bisher nicht erschließbar waren. Niedrigtemperaturnetze bieten darüber hinaus große Potenziale durch die Minimierung der Netzverluste zur Umgebung und durch die räumliche und zeitliche Verschiebung der Wärme innerhalb des Quartieres.

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Alexander Vogt, Christoph van Treeck
Optimierung von Abwasserwärmetauschern für den gebäudetechnischen Einsatz. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3055
2018, 102 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die zentrale Problematik bei der Wärmerückgewinnung aus Abwasser ist der gehemmte Wärmeübertrag. Grund dafür ist der Biofilm auf den Wärmeüberträgern, der sich im Abwasser bildet. Dieses Biofilmwachstum wurde bisher nur unzureichend untersucht und daher zum Gegenstand dieses Forschungsprojektes gemacht. Dazu wurde ein Versuchsstand konzipiert, der es ermöglicht das Biofilmwachstum auf Wärmeübertragern ausreichend genau zu ermitteln. Es wurden verlässliche Angaben über die Biofilmentwicklung auf Wärmeübertragern sowie die Höhe der Wärmeübertragsreduktion ermittelt. Außerdem wurden verschiedene Arten der Anströmung auf den Wärmeübertrager durchgeführt und dadurch eine Reduktion des Biofilms erreicht.

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Martin Kerner, Stefan Hindersin
Entwicklung und Testung der Anlagen- und Steuerungstechnik für eine speicherfreie Nutzung der Wärme aus einer Bioreaktorfassade in einem Wohnhaus. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3092
2018, 59 S., 14 Abb. u. 6 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im BIQ Das Algenhaus werden in einer Bioenergiefassade mit Sonnenlicht Mikroalgen und Wärme produziert. Allerdings war die Nutzung der Wärme aus der Fassade für die Versorgung des Gebäudes nicht optimal, da ein Großteil über lange Zeiträume im Erdreich zwischengespeichert werden musste. Um das System zu optimieren war es Ziel des vorliegenden Projektes, ein neues Energiekonzept zu entwickeln, mit dem die Speicherung der Wärme minimiert und die direkte Nutzung maximiert wird, ohne dass die Produktion an Mikroalgen gestört wird. Der Forschungsansatz bestand darin, für die am BIQ Das Algenhaus vorhandene Bioreaktorfassade eine Anlagen- und Steuerungstechnik zu entwickeln und umzusetzen, mit der die Wärme, die in der Bioreaktorfassade produziert wird, optimal zur Deckung des Bedarfs im Wohnhaus genutzt werden kann.

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Marten F. Brunk, Christopher Seybold
Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2934
2015, 74 S., 43 Abb. u. 8 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Forschungsarbeiten knüpfen an das im Frühjahr 2012 abgeschlossene, ebenfalls mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung geförderten Forschungsvorhaben "Dezentrale Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser" (SF-10.08.18.7-10.4) an. Ziele des aktuellen Vorhabens sind die Fortführung der messtechnischen Potentialanalyse an vier Gebäuden des Vorprojektes, die Erweiterung der messtechnischen Potentialanalyse durch Aufnahme von zwei Mehrfamilienhäusern in die Analyse, die Erstellung von repräsentativen, wochentagsabhängigen Ganglinien der Energiequelle Abwasser auf Grundlage von Langzeitmessungen und der Untersuchung der maßgebenden Einflussgrößen auf das Energiepotential sowie die Konzeption, Simulation und Bewertung von dezentralen Abwasserwärmepumpensystemen. Als Ergebnis der Potentialanalyse ist ein täglicher Pro-Kopf-Wasserverbrauch bei der Wohnnutzung von 113 - 128 Litern pro Person und Werktag sowie ein täglicher Pro-Zimmer- bzw. Pro-Bett-Wasserverbrauch von 157 - 197 Litern pro Zimmer und Tag (Hotel) und von 182 - 327 Litern pro Bett und Tag (Krankenhaus) festzustellen. Die mittleren täglichen Abwassertemperaturen von 21 bis 26 Grad Celsius zeigen das im Vergleich zu regenerativen Energiequellen hohe Temperaturniveau der Wärmequelle Abwasser. Ein mögliches Anlagenkonzept zur Nutzung der Abwasserwärme stellt die Trinkwassererwärmung mittels bivalentem Speicher-Trinkwassererwärmer dar, welcher sowohl durch eine Abwasserwärmepumpe als auch durch einen konventionellen, zweiten Erzeuger (bspw. Gaskessel) gespeist wird. Die Ergebnisse der Simulation dieses Anlagenkonzeptes für die vier betrachteten Wohngebäude zeigen - auf Basis der getroffenen Annahmen - bei einer mittleren Biofilmschichtdicke von 1 mm am abwasserseitigen Wärmeüberträger und einer Teilerwärmungstemperatur durch die Abwasserwärmepumpe von 45 Grad Celsius Jahresarbeitszahlen von 4,6 bis 5,5, was einer Energiekostenersparnis von 18,8 bis 22,6 Euro pro Person und Jahr sowie einer Redukti

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Windholz, Bernd; Lauermann, Michael
Leistung einer Butan Hochtemperatur-Wärmepumpe
KI Kälte Luft Klimatechnik, 2021

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Becker-Hardt, Sonja; Fradsen, Jacob
Fresnellinsen für die Wärmewende. Ein neues Konzept für solare Prozesswärme (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Warnke, Götz
Seethermie für die Wärmewende. Die noch weitgehend ungenutzte Energie unserer Seen (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Vorländer, Jochen
Wie viel Klimaschutz bringt H2-ready? Wasserstoff im Erdgasnetz (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2021

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Lau, Markus
Grünes Flüssiggas spielt tragende Rolle bei der Energiewende auf dem Land. DBI-Studie (kostenlos)
Moderne Gebäudetechnik, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022