Frieder Häfner

Predictive modelling of dump water impact on the surroundings of the lignite dump site Jänschwalde (Eastern Germany)

Abstract Open cast mining of lignite leads to dumps containing highly mineralised pore waters. To predict the impact of the dump waters on the undisturbed aquifers two steps are necessary. (1) The prediction of dump water quality at times when steady state flow conditions will be established. (2) The simulation of the dump ground water migration with a model that is able to handle the complexity of the homogeneous and heterogeneous interactions of the migration process. For the investigated site Janschwalde, which is still dewatered, a chemical mass balance was performed. The predicted alkalinity potentials exceed acidity potentials for the dump as a whole. The distribution of these parameters show high alkalinity potentials for the northern part. In order to model the migration process the transport code PCGEOFIM ® [Anwenderdokumentaion, IBGW Leipzig, (in German)] was coupled with the geochemical equilibrium code PHREEQC [USGS, Water-Resources Investigations Report]. This was done to simulate redox reactions, mineral dissolution and precipitation, and cation exchange in the ground water zone. The model is verified by a column flow test. The results of the simulations show a small effect of the migrating dump waters on the quartenary aquifer with respect to acidity changes. This results from calcite buffering and cation exchange. The impact on the quartenary aquifer by sulphate is much higher.

Numerische Simulation dichtebeeinflusster und reaktiver Stofftransportprozesse im Grundwasser

KurzfassungFür die Prognose der Gefährdung der Schutzgüter Grundwasser und Boden gewinnen numerische Programmsysteme zur Simulation von Strömungs- und Stofftransportprozessen immer mehr an Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei komplexe geochemische Reaktionsvorgänge, dichtebeeinflusste Strömungs- und Stofftransportvorgänge, komplizierte hydraulische Gegebenheiten und die Parameterbelegung großer Modelle. Das hier beschriebene Programmsystem MODCALIF erlaubt die dreidimensionale Simulation der dichtebeeinflussten Strömung und des Stofftransportes. Die Verwendung neu integrierter Lösungalgorithmen ermöglicht eine grobe räumliche Diskretisierung und damit eine deutliche Verringerung des Rechenaufwandes. Die Berücksichtigung unterschiedlicher Ansätze zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Feststoff sowie die Kopplung mit dem geochemischen Gleichgewichtsprogramm PHREEQC erlauben die Simulation des Stofftransportes für vielfältige Problemstellungen. Aufbauend auf einer kurzen Darstellung der theoretischen Grundlagen des Programmsystems MODCALIF wird das Programm verifiziert und seine Anwendbarkeit an zwei ausgewählten Fallbeispielen praktisch demonstriert.AbstractNumerical program systems for simulations of flow and mass transport processes gain more and more importance for the prognosis of the endangering of the natural resources of groundwater and soil. Here, the focal points of interest are complex geochemical reactions, density-dependent flow and mass transport processes, complicated hydraulic conditions, and the determination of parameters of large models. The described code MODCALIF allows a three-dimensional simulation of density-dependent flow and mass transport processes. Applying new solution algorithms permits a rough three-dimensional discretization and thus an essential reduction in computing time. The simulation of mass transport within various problem ranges is made feasible by considering different approaches to descrobe the interactions between a dissolved component and the soil as well as by coupling to the geochemical equilibrium program PHREEQC. A brief description of the theoretical basis of the program system MODCALIF is taken as a starting point for the representation of verification calculations for standardized problems. Its applicability is then demonstrated on the base of two selected examples.

Überblick über genehmigungsrechtliche Aspekte für Erdwärmebohrungen

Die gesetzlichen Vorschriften und die weiterfuhrenden behordlichen Empfehlungen und Leitfaden fur die Herstellung von Erdwarmeanlagen sind in Deutschland nicht leicht zu uberblicken. In diesem Kapitel werden die wesentlichen gesetzlichen Regelungen kurz zusammengefasst. Die Deutsche Bundesregierung hat als Gesetzesgrundlage das Wasserhaushaltgesetz und das Berggesetz geschaffen. Weiterhin sind die VDI-Empfehlungen 4640 und die Empfehlungen der Bund-Lander-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) allgemeingultig. Daruber hinaus hat nahezu jedes Bundesland eigene Leitfaden veroffentlicht.

Der Wärmehaushalt der Erdkruste bei der Erdwärmegewinnung

Die Warme unserer Erde wird durch die Energie der Sonne, durch den radioaktiven Zerfall im Gestein und durch die Zustromung von Warme aus dem Erdinneren gespeist. Die geothermische Warme ist im Zeithorizont von Jahrtausenden als erneuerbare Energie anzusehen. In grosen Tiefen tritt die Regeneration des Temperaturfeldes nach einer Erdwarmenutzung nur teilweise ein bzw. dauert sehr lange. Nach dem Zeitraum von Jahrtausenden wird die Menschheit jedoch jedoch bessere und effizientere Moglichkeiten der Warmegewinnung entwickelt haben, so dass kein bleibender Schaden fur zukunftige Generationen entsteht.

Anlagen zur Energiespeicherung

Die Speicherung von Warme bzw. Kalte im Untergrund ist nicht a priori eine energetisch und wirtschaftlich vorteilhafte Losung. Die Speicherung sollte in einem solchen geologischen Umfeld erfolgen, dessen geothermische Temperatur moglichst nahe zur Speichertemperatur liegt. Die oberflachennahe Speicherung von Warme oder Kalte ist nur fur grose Anlagen zu empfehlen, die ein ganzes Sondenfeld benotigen, nicht aber in einzeln stehenden EWS.

Berechnung von Erdwärmeanlagen

Die Berechnung von Erdwarmesonden erfordert die mathematische Losung der Warmetransportgleichung sowohl im Erdreich als auch in den Rohren der EWS. Analytische Losungen sind nur fur homogene Modellvorstellungen ableitbar, d.h. fur Raume mit konstanten Eigenschaften (Warmeleitfahigkeit, spezifische Warmekapazitat u.a.). Die hier dargestellten Losungen konnen zur Verifizierung von numerischen Simulationen genutzt werden.

Bau von Erdwärmesonden

Der Entschluss eines Bauherrn, fur sein Gebaude eine Heizung und/oder Klimatisierung auf Basis von Erdwarme zu realisieren, setzt eine vorausgegangene detaillierte gebaudetechnische Analyse voraus, in der sowohl die wirtschaftlichen Alternativen zum Erdwarmeeinsatz als auch die besonderen Voraussetzungen, die Erdwarmeanlagen an die Gebaudetechnik stellen, bewertet werden. Da oberflachennahe Erdwarmesonden die Energie in einem Temperaturniveau von ca. 0 °C bis 5 °C bereitstellen und ein energetisch effizienter Betrieb der Warmepumpe mit Leistungszahlen von 4 und groser nach Abb. 3.3 nur bei einem Temperaturhub (Temperaturspreizung) von maximal 45 K moglich ist, mussen im Gebaude Flachenheizungen (Fusboden- oder Wandheizung) vorgesehen werden, die Vorlauftemperaturen von nur 30 °C bis 45 °C erfordern.

Der Aufbau von Erdwärmeanlagen

Anlagen zur Gewinnung von Erdwarme sind in unterschiedlichster technischer Ausfuhrung bekannt. Im Handbuch Energiemanagement werden zahlreiche offene Systeme (Bohrungen zur Heiswasserforderung) und geschlossene Systeme (Erdwarmesonden, Warmepfahle, Warmekorbe, Erdkollektoren u. a.) erlautert. Dort konnen die Anlagentypen nachgelesen werden, die in diesem Buch nicht naher behandelt werden.