Optimierung der hydrothermalen Erdwärmenutzung durch Hochskalierung thermo-hydro-visko-mechanischer Bodenprozesse

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Merita Tafili
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549595908

Der weltweite Ausbau erneuerbarer Energien zielt darauf ab, fossile Brennstoffe zu ersetzen und die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Angesichts des Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und des steigenden Lebensstandards steigt der Bedarf an Heizung, Kühlung und Entfeuchtung weltweit weiter an. Die gestiegene Nachfrage nach umweltfreundlicher Energie hat das Interesse an Geothermie verstärkt, einer sauberen Energiequelle, die im Untergrund reichlich vorhanden ist. Geothermische Energie wird zunehmend an unterirdischen Bauwerken wie Tunneln und Schlitzwänden gewonnen, besonders attraktiv ist ihre Einbindung in Fernwärmenetze. Anders als in anderen europäischen Ländern wurde das Potenzial der Geothermie in Deutschland lange Zeit unterschätzt. Studien zeigen jedoch, dass große Teile der Wärmeversorgung Deutschlands durch eine gezielte Nutzung der Geothermie gewährleistet werden könnten. Um die oberflächennahe Geothermie optimal zu nutzen, ist jedoch eine bessere Vorhersage ihrer Auswirkungen auf die bebaute Umgebung erforderlich. Numerische Simulationen mit komplexen Modellen sind dafür unerlässlich, wobei eine Mehrskalenmodellierung vielversprechend ist, um mikromechanische Prozesse zu berücksichtigen. Das Ziel der beantragten Emmy-Noether-Gruppe ist die Entwicklung einer Mehrskalenmodellierungstechnik für feinkörnige Böden unter geothermischer Beanspruchung. Ein thermodynamisch korrektes Stoffmodell basierend auf der Granular Solid Hydrodynamic (GSH) Theorie wird entwickelt und in numerische Prognosemodelle implementiert. Dieses hierarchisch aufgebaute konstitutive Modell berücksichtigt auf der Mesoskala sowohl das Verhalten feinkörniger Böden bei monotoner und zyklischer mechanischer und thermischer Beanspruchung als auch die Ratenabhängigkeit. Um die Interaktion zwischen den Partikeln bzw. Aggregaten auf der Mikroebene realistisch abzubilden und die relevanten mikromechanischen Prozesse bei thermo-hydro-mechanischer Beanspruchung zu quantifizieren, werden in DEM-Simulationen sowohl eine realistische Partikelform als auch die kohäsiven Kontaktkräfte berücksichtigt. Hierzu ist die Entwicklung eines neuen Kontaktmodells erforderlich. Das Stoffmodell greift die mikromechanischen Erkenntnisse aus den DEM-Untersuchungen u.a. in Form der granularen Entropie und des elastischen Potentials auf. Schließlich wird das entwickelte Stoffmodell in die Finite-Elemente-Programme numgeo und Abaqus implementiert, um Vorhersagequalität und Robustheit zu testen und die Simulation geothermischer Systeme mit ihrer Umgebung auf der Makroebene zu ermöglichen. Zur Berücksichtigung von Temperaturfreiheitsgraden und Wärmeflüssen sind entsprechende Erweiterungen des lizenzfreien Programms numgeo erforderlich. Diese zu entwickelnde mehrskalige Modellierung von thermo-visko-mechanischen Bodenprozessen soll eine wirtschaftlichere Nutzung von Erdwärme sowie eine bessere Abschätzung möglicher Folgen der geothermischen Nutzung auf die bebaute Umgebung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen