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Geothermieforschung in Geilenkirchen-Teveren

  • Übersicht über das Untersuchungsgebiet sowie potenzielle Datenquellen und Eingangsdaten

    Übersicht über das Untersuchungsgebiet sowie potenzielle Datenquellen und Eingangsdaten

  • 3D Modell des Gebietes um Geilenkirchen mit Schichtgrenzen und Störungen

    3D Modell des Gebietes um Geilenkirchen mit Schichtgrenzen und Störungen

  • NW-SE Profilschnitt des geologischen Modells durch das Gebiet für die Strömungs- und Wärmetransportmodellierung

    NW-SE Profilschnitt des geologischen Modells durch das Gebiet für die Strömungs- und Wärmetransportmodellierung

Institut für angewandte Geophysik und Geothermische Energie an der RWTH Aachen, E.ON Energy Research Center: Untersuchung des geothermischen Potenzials in Geilenkirchen-Teveren durch numerische Simulation

Geothermie ist jene Wärmeenergie, die in der äußeren, technisch zugänglichen Erdkruste von Menschen genutzt werden kann. Ab einer Tiefe von etwa 10m nimmt die Temperatur in Deutschland im Mittel etwa 20 bis 30 Grad pro Kilometer zu unabhängig von der Jahreszeit. Je tiefer man also in die Erde vordringt, desto wärmer wird es. Geothermie ist eine regenerative Energieform, ihre Nutzung ist klimafreundlich und gilt als ein wichtiger Baustein zur Gestaltung der Energiewende. Geothermische Energie kann direkt als Wärme genutzt werden. Sind bestimmte Voraussetzungen erfüllt, ist auch eine Umwandlung in elektrische Energie möglich. Die Menge der vorhandenen Wärmeenergie innerhalb eines bestimmten Gebietes und die Möglichkeit, diese wirtschaftlich und nutzbringend einsetzen zu können, bestimmen das geothermische Potenzial einer Region.

Mit dem geothermischen Potenzial von Geilenkirchen–Teveren beschäftigen sich zurzeit die beiden Geowissenschaftler Johanna Bruckmann und Jan Niederau im Rahmen ihrer Promotion am Lehrstuhl für angewandte Geophysik und Geothermische Energie unter Leitung von Professor Dr. Christoph Clauser. In Ermangelung aufwändiger und teurerer Messungen, gewinnen die beiden Forscher Kenntnisse über die geothermischen Gegebenheiten anhand von Computersimulationen. Das wesentliche Werkzeug hierfür ist ein Simulationsprogramm, dessen Grundlage bereits vor 28 Jahren von Professor Clauser geschaffen wurde und das seitdem stetig weiterentwickelt wurde. Die Anwendung dieses Programms auf geothermische Fragestellungen ermöglicht es letztendlich, die Kosten von Geothermieprojekten zu senken und damit die Wirtschaftlichkeit solcher Projekte sicherzustellen.

Um das Simulationsprogramm anzuwenden, müssen die beiden Forscher zunächst den Aufbau des Untergrundes in seinen wesentlichen Grundzügen erfassen. Insbesondere ist hierbei von Interesse, welche Gesteinsschichten an welcher Stelle auftreten und wie wasserdurchlässig diese sind. Denn grundsätzlich gilt: Je höher die Temperatur und der Volumenstrom des Grundwassers, desto größer ist das geothermische Potenzial. Dies liegt daran, dass durch fließendes Grundwasser wesentlich mehr Wärme im Untergrund transportiert wird als ohne Grundwasserströmung. Zur Erlangung von Kenntnissen über den Aufbau der Erdschichten verwenden die Forscher vorhandenes Datenmaterial, das beispielsweise über den geologischen Dienst NRW in Krefeld eingesehen werden kann. Durch Auswertung dieser Daten in Kombination mit geologischem Hintergrundwissen kann schrittweise der Aufbau des Untergrunds ermittelt werden. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales geologisches Modell. Bildhaft kann man es sich wie ein Tortenstück vorstellen, dessen unterschiedliche Füllungen verschiedene Materialien der Erdkruste repräsentieren.

Aufbauend auf diesem vereinfachten geologischen Modell erfolgen anschließend die Computersimulationen mit dem erwähnten Simulationsprogramm. Die Zielgrößen sind dabei Temperatur, sowie Volumenstromrate und Strömungsrichtung des Grundwassers an verschiedenen Stellen innerhalb des geologischen Modells. Es ergeben sich somit dreidimensionale Temperatur- und Strömungsfelder. Hieraus lassen sich die technischen Möglichkeiten zur Nutzung der vorhandenen Erdwärme ableiten.

Das Simulationsprogramm löst bei der Berechnung des Modells ein System verschiedener Differentialgleichungen. Dieses Gleichungssystem kann aufgrund seiner Form und Komplexität nicht auf analytischem Weg gelöst werden, sondern muss durch numerische Verfahren approximiert werden. Diese numerischen Lösungsverfahren sind sehr aufwändig und erfordern daher sehr hohe Rechnerleistungen. Daher wird das Forschungsvorhaben im Rahmen des Horizon 2020 Projektes EoCoE der Europäischen Union (EU) gefördert. EoCoE steht für „Energy oriented Centre of Excellence for computer applications“. Es handelt sich hierbei um eine Förderung, die die Forschung im Bereich der Energiewissenschaft durch Hochleistungs-Rechenprozesse unterstützen und damit die Energiewende in Europa beschleunigen soll. Im Rahmen von EoCoE wird das Programm zur Simulation des geothermischen Potenzials für die Anwendung im Hochleistungsrechnen weiterentwickelt. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit gesteigert werden und schließlich können verbesserte Aussagen über das geothermische Potenzial von Stadtteilen wie z.B. für das Gebiet Geilenkirchen-Teveren getroffen werden. Die dafür erforderlichen Höchstleistungsrechner sind z.B. am Rechenzentrum der RWTH oder am Jülich Supercomputing Centre für die Wissenschaftler zugänglich.

Den Standort Geilenkirchen haben die beiden Geologen übrigens aus verschiedenen Gründen für Ihre Untersuchungen ausgewählt: Zum einen hatte sich die Stadtverwaltung bei einem früheren Projekt als sehr aufgeschlossen gezeigt. Hinzu kommt, dass die geologischen Gegebenheiten der Niederrheinischen Bucht, in der sich auch die Stadt Geilenkirchen befindet, sehr gut zum Forschungsvorhaben passen. Teveren ist zudem ein Ort, der sich in der näheren Zukunft verändern und weiterentwickeln wird. Die Berücksichtigung verschiedener Entwicklungsalternativen ermöglicht daher die Betrachtung verschiedener Szenarien für die Nutzung von Geothermie.

Inzwischen sind  die Arbeiten zur Erstellung des dreidimensionalen geologischen Untergrundmodells fast abgeschlossen. Parallel zu dieser Arbeit erfolgt zurzeit die Recherche und Zusammentragung von Daten für das numerische Strömungs- und Wärmetransportmodell. Es liegen beispielsweise Temperaturdaten aus verschiedenen Bohrungen sowie Grundwasserstandsdaten von verschiedenen Messstellen vor.

Nach Abschluss dieser Arbeiten werden die Wissenschaftler mit Simulationsrechnungen zur Wasserströmung im Untergrund von Geilenkirchen beginnen.

Johanna Bruckmann, Geowissenschaftlerin (M.Sc)
Johanna Bruckmann studierte Georessourcenmanagement (B.Sc.) und Angewandte Geowissenschaften (M.Sc.) an der RWTH Aachen und schloss Ihr Studium im Jahr 2012 ab. Im Rahmen Ihrer Promotion am Institut von Professor Clauser zum Thema „Stochastische Parameterschätzung und Unsicherheitsanalyse in Aquiferen“ setzt sie sich unter anderem mit numerischer Simulation von Grundwasserströmungen auseinander.

Jan Niederau, Geowissenschaftler (M.Sc.)
Jan Niederau studierte Angewandte Geowissenschaften (B.Sc.) an der RWTH Aachen und schloss sein Masterstudium des europäischen Masterprogramms „European Master of Geosciences of Basins and Lithosphere“ an der RWTH Aachen und Université de Rennes 1 im Jahr 2012 ab. Zurzeit promoviert er zum Thema „Risikoanalyse für geothermische Reservoirprojekte basierend auf stochastischen Simulationsrechnungen“ am Institut von Professor Clauser.

Weiterführende Links
Institut für Angewandte Geophysik und Geothermische Energie:
www.gge.eonerc.rwth-aachen.de

EoCoE
www.eocoe.eu

 

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