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TMHC-Simulation

Modellierung gekoppelter thermischer, hydraulischer, mechanischer und chemischer (THMC-)Prozesse

Die quantitative Beschreibung von THMC-Prozessen erfordert im Allgemeinen die Lösung eines gekoppelten Systems aus folgenden Erhaltungsgleichungen

  • Energiebilanz
  • Massenbilanz des bewegten Fluids und seiner Inhaltskomponenten
  • Impulsbilanz des Fluidsystems
  • Impulsbilanz für das mechanische Kräftesystem im Gestein mit seiner starken Ankoppelung an die Temperaturverteilung im Untergrund über induzierte thermomechanische Spannungen.

Solche Systeme gekoppelter partieller Differentialgleichungen können in der Praxis nur numerisch gelöst werden. Ein Aspekt ist daher die Nutzbarmachung und Pflege von Programmsystemen (z. B. Rockflow-LUH, Geosys, Mufte-UG, Feflow, FLAC2D, SHEMAT, TOUGH, CodeBright etc.) zur Berechnung des Fluid- und Wärmetransports. Diese Codes wurden zum Teil noch nur in der Forschung, zum Teil als kommerzielle Produkte erzeugt. Die wissenschaftliche Arbeit erfordert es eigentlich, an jeder Stelle den Prozess der Modellierung hinterfragen und gegebenenfalls korrigieren zu können. Insbesondere erfordert dies den Zugang zum Quellcode, dessen Modifizierung bei kommerziellen Produkten natürlich nur erkauft werden kann. Ein weiterer Aspekt der Modellierungsrealität ist es, dass viele Bereiche bereits mit entsprechenden Produkten abgedeckt werden, die aber eben aufgrund ihrer Entwicklungsgeschichte  ihre konzeptionellen Grenzen haben. Um diese Grenzen für neue Aufgaben zu überwinden, werden vielfach Kopplungen solcher Codes über Ein-/Ausgabedateien bzw. APIs verwendet. Für die Praxis spielt aber bei gegebener Rechentechnik letztendlich auch die Performance des zur Anwendung kommenden Codes eine bedeutende Rolle. Diese ist aber nur in einem System zu optimieren, dessen Elemente von vornherein aufeinander abgestimmt sind.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie wird dieser Ansatz intensiv verfolgt, er wird aber auch für verschiedeneandere  Bereiche mit ähnlichen zugrundeliegenden geophysikalischen Prozessen: neben der Geothermie auch CCS und Kohlebrände. Dies ist insbesondere deshalb notwendig, weil in der Tiefengeothermie, insbesondere bei der Hydrgeothermie, alle vier Teilgebiete eine bedeutende Rolle spielen. Dies gilt insbesondere auch für "C", also chemische Reaktionen zwischen Fluiden und Umgebungsgestein.

Zusammenfassend erfordert die Modellierung dieser Prozesse die genaue Kenntnis der eingehenden Transportkoeffizienten mit ihren Abhängigkeiten. So werden Geo-Prozesse im Wesentlichen durch den gekoppelten Transport von

  • Energie (thermisch und mechanisch) und
  • Masse (im Wesentlichen Fluide)

bestimmt. Diese Prozesse ordnet man gewöhnlich unter die Begriffe

  • thermisch (T)
  • hydraulisch (H)
  • mechanisch (M) 
  • chemisch (C)

ein, in der Gesamtheit werden sie als gekoppelte THMC-Prozesse bezeichnet. Die quantitative Beschreibung von THMC-Prozessen erfordert im Allgemeinen die Lösung eines gekoppelten Systems aus folgenden Erhaltungsgleichungen:

  • Energiebilanz
  • Massenbilanz des bewegten Fluids und seiner Inhaltskomponenten
  • Impulsbilanz des Fluidsystems
  • Impulsbilanz für das mechanische Kräftesystem im Gestein mit seiner starken Ankoppelung an die Temperaturverteilung im Untergrund über induzierte thermomechanische  Spannungen.

Solche Systeme gekoppelter partieller Differentialgleichungen können in der Praxis nur numerisch gelöst werden. Unter Simulationen versteht man Experimente mit numerischen Modellen zur Analyse der abgebildeten Prozesse und ihrer Wechselwirkungen sowie zu Prognosezwecken. Je nach dem betrachteten System, seinen bestimmenden Skalen und dem Zweck der Simulationen werden adäquate Werkzeuge zur numerischen Modellierung ausgewählt bzw. (weiter)entwickelt. Dies umfasst kommerzielle Software ( z. B. COMSOL, feflow), open source Programme ( z. B. OGS, OPM, MODFLOW),

Zu TMHC-Simulation siehe auch Simulation (Physik).

Weblinks

https://www.leibniz-liag.de/forschung/projekte/haushaltsprojekte/thmc-modellierung.html

https://www.leibniz-liag.de/forschung/methoden/numerische-methoden/mathematische-modellierung-und-simulation-von-geo-prozessen.html

Literatur

Tung, R., T. Poulet, M. Peters, M. Veveakis, K. Regenauer-Lieb EXPLAINING HIGH PERMEABILITY ON LOCALISED FAULT ZONES THROUGH THMC FEEDBACKS – A SOULTZ-SOUS-FORETS INSPIRED APPROACH, New Zealand Geothermal Workshop, 2018

Salimzadeh, S; Nick, H M; Paluszny, A; Bruhn, D F: Fowards numerical modelling of THMC coupled processes in fractured geothermal reservoirs, European Geothermal Congress , 2016

Reeves, Benato, Parashar, Davatzes, Hickman, Elsworth, Spielman, Taron: Computational Investigation of THMC Effects on Transmissivity Evolution During Selected Injection Phases at the Desert Peak EGS Project, NV, European Geothermal Conference . 2013

Souheil M. Ezzedine, Ilya N. Lomov, Lee G. Glascoe, Tarabay H. Antoun: Uncertainty Quantification of THMC Processes in Fractured Media for Systems Modeling, Stanford Geothermal Workshop, 2011