GeoTHERM Journal

Editorial

Detlev Doherr — 2023-12-17

Herzlich willkommen zum ersten Jahrgang des "GeoTHERM-Journal“ – einem wegweisenden Open-Access-Journal, das sich der Veröffentlichung hochwertiger wissenschaftlicher und technischer Beiträge aus dem Bereich der Geothermie widmet. Dieses Journal ist das Ergebnis einer Zusammen-führung herausragender Forschungsergebnisse, die im Rahmen der jährlich stattfindenden GeoTHERM-Konferenz in Offenburg präsentiert wurden.

GeoWaermeWende - Monitoring of a geothermally fed low-temperature district heating and cooling network to validate simulation models as well as analysis and planning tools for new construction and retrofit projects

Lukas Drexler — 2023-12-17

Planning low-temperature district heating and cooling networks (LTDHCN) still poses many challenges. It requires research, especially in the scalability of the networks and the connected energy producers and heat sources. In the project GeoWaermeWende, a passive, existing LTDHCN is monitored. For this purpose, a monitoring concept will be developed to collect relevant operating parameters at different network locations, which will be compiled and processed in a database. In addition, various tools are developed for planning LTDHCN. With the help of the measurement data, individual simulation models are validated, which provide the basis for a holistic district model consisting of all relevant components. Analytical and numerical approaches enable a variety of promising analyses regarding the network dynamics under changing boundary conditions and the interaction of the network with the subsurface. All simulation tools are accessed via a geothermal network information system (GNIS). The GNIS is established as a spatial data infrastructure with a geoportal to facilitate web-based access to the data required for the analysis and simulation. The geoportal is also to be used to configure and analyze the LTDHCN.

Fast Calculation Method for Borehole Heat Exchanger Fields in Groundwater Flow

Roland Koenigsdorff — 2023-12-17

One class of methods for the design of borehole heat exchanger fields is the use of analytical, non-dimensional thermal step responses, such a g-functions. A main simplification and restriction of most existing analytical tools for BHE design is the neglection of groundwater advection. The theory and concept of moving line sources can, in principle, be used to calculate the thermal behaviour of BHEs in groundwater flow.

However, application of the moving line source to grouted boreholes needs a correction for the disturbance of the groundwater flow field and the lower heat transfer rates in the borehole region. Based on such a correction developed and published earlier, the applicability of the infinite moving line source model on whole borehole fields is shown in this paper by comparison with numerical simulation. Together witch spatial superposition of the long-term temperature responses and influences, fields of arbitrarily placed borehole heat exchangers can be calculated. This yields an analytical, simple and fast calculation methods for borehole heat exchanger fields, when sufficient the groundwater flow is present over the hole depth of the boreholes.

A design example is presented, in which one of three borehole heat exchangers can be saved when a significant groundwater flow is present and taken into account.

Die Leistungsfähigkeit der neuen Ringrohr-Erdwärmesonde und des ModX-Softwarepaketes

Sebastian Paulo — 2023-12-17

Die oberflächennahe Geothermie ist ein wichtiger Baustein zur Energiewende und mit vermutlich mittelfristig steigenden Stromkosten bedeutender. Aktuell sind die Kapazitäten der Bohrunternehmen voll ausgeschöpft. Dies spiegelt sich auch in stark gestiegenen Preisen je Bohrmeter wider. Generell unterliegen Bauprojekte enormen Kostendruck, oft zu Lasten von Geothermieprojekten. Die Anlagen werden weniger leistungsfähig ausgeführt oder entfallen komplett.

Hier setzt im Bereich der Zirkulationssonden die neuartige Ringrohrsonde (RRS) an. Die RRS setzt sich aus 10 Ringrohren (16x1,5), angeordnet um ein Zentralrohr (40x3,7), zusammen. Der Sondenkopf verteilt den Zulauf gleichmäßig auf die Ringrohre, ein Sondenfuß führt die Ringrohre im Zentralrohr zusammen. Die Ringrohre sind an ihrer Außenseite mit einem Gewebeschlauch verklebt. Anschließend wird die Sonde gebündelt und ähnlich der Doppel-U-Rohrsonden eingebaut. Bei der Verfüllung wird der Gewebeschlauch, vom Sondenfuß beginnend, aufgeweitet und nimmt die Ringrohre mit sich an die Bohrlochwand mit. Auf Doppel-U-Rohrsonden (32x2,9) bezogen ergeben sich folgende Vorteile:

(fast) direkter Kontakt zum Erdreich – minimaler Bohrlochwiderstand
25% mehr Rohroberfläche zur Aufnahme von Wärme
minimaler thermischer Kurzschluss bzw. max. Abstand zwischen Ab- und aufsteigenden Rohren
kein preisintensiver Verfüllwerkstoff erforderlich

Bei gleicher geothermischer Leistung können mind. 35% Bohrmeter eingespart werden.

Die Simulationsberechnungen erfolgen mit der neuentwickelten Auslegungssoftware (ModThermWg, ModGeo3D, ModTRT), mit deren Hilfe Einzelsonden und (gemischte) Sondenfelder realitätsnah ausgelegt werden können. Messungen im Feld haben deren Genauigkeit bestätigt.

Modern seismic reprocessing to cope the demands of geothermal projects

Claudia Schimschal — 2023-12-17

While seismic imaging is standard in the exploration of oil and gas fields, its significance is growing as the basis for success of geothermal projects. Standard seismic processing strategies work for areas with simple geology, but do not lead to satisfactory results in complex geologic settings. As geothermal projects regularly face such complexity (e.g. the fault systems of the Rhine Graben), the applied standard and often outdated seismic processing techniques do not provide sufficient subsurface imaging. Experience from numerous projects in highly complex geologic settings shows that five key steps are crucial to overcome these difficulties: 1. Near surface velocity model and basic statics solution, 2. surface wave suppression, 3. increase in signal-to-noise ratio and data regularization, 4. stacking/migration velocities and residual statics and 5. sophisticated imaging e.g. the Reverse Time Migration and interval velocity model. In this paper, we will present examples and further information on these key steps.

Multi-objektive Parameterabhängigkeiten bei der Dimensionierung geothermischer Wärmepumpensysteme

Sebastian Weck-Ponten — 2023-12-17

Die vorliegende Arbeit untersucht die Parameterabhängigkeiten bei der Dimensionierung geothermischer Wärmepumpensysteme für Heizungs- und Trinkwarmwasserzwecke. Anhand von Parameterstudien mit dem Systemkonfigurator GeoWPSys+Web werden die Systemzusammenhänge im Hinblick auf technische, energetische, ökonomische und ökologische Bewertungsparameter analysiert. Die Wirtschaftlichkeit und die ökologischen Bewertungsparameter sind in hohem Maße vom Energiebedarf des Gebäudes und von der Jahresarbeitszahl abhängig. Die wirtschaftlichen Einsparungen eines geothermischen Wärmepumpensystems im Vergleich zu einem Gas-Brennwertkessel hängen hauptsächlich von den Investitionskosten sowie von den Gas- und Strompreisen und deren jährlichen Steigerungen ab. Neben den wirtschaftlichen und technischen Variationsmöglichkeiten kann GeoWPSys+Web auch Einflüsse auf die CO₂-Emissionen des geothermischen Wärmepumpensystems abbilden, z. B. durch die Veränderung einer jährlichen Reduktionsrate der CO₂-Äquivalente für Strom. Auf diese Weise kann eine zukünftige erhöhte Einspeisung von erneuerbarem Strom in das Stromnetz abgebildet werden.

Why should Oil and Gas go Geothermal? A Risk Assessment

Henning von Zanthier — 2023-12-17

Rapid climate change and the aim to achieve the 1.5 degrees Celsius target mean that the business model of the Oil and Gas industry (O+G) is becoming risky. The energy sector accounts for more than 70 % of global CO2 emissions and if the use of oil, gas and coal stopped tomorrow, we would have solved the climate crisis, but would have a giant economic crisis.

Preventing both, an economic and a climate crisis, there is a solution:

O+G could transform its business model naturally by turning into the geothermal sector, which is in its geological skill and its assets very close to O+G. O+G could also provide the urgently needed financing for geothermal energy.

However, the Oil and Gas companies are still hesitant to undergo a radical transformation, possibly underestimating the strong climate-friendly policies against their traditional business model, which can be brought about by the radical climate changes already in the 2030s.

Germany could establish a political and an economic framework encouraging O+G to turn to geothermal which then other countries could follow. If O+G changes then to geothermal, the communities need less finance to pay and all citizens enjoy a less polluted planet.