Numerical analysis of thermal, hydraulic and mechanical processes in the near- and far-field of underground coal gasification reactors

Die Untertagevergasung von Kohle (UTV) ermöglicht die Erschließung konventionell nicht förderbarer Kohleressourcen und bietet dadurch Potenzial zur Erhöhung der weltweiten Kohlereserven. Bei der in-situ Kohleumwandlung entsteht ein hochkalorisches Synthesegas, das elektrifiziert oder zur Gewinnung chemischer Rohstoffe und synthetischer Kraftstoffe eingesetzt werden kann. Neben den wirtschaftlichen Möglichkeiten, bestehen jedoch auch standort-spezifische Umweltgefährdungspotentiale durch Subsidenz und Schadstoffmigration von UTV-Rückständen in nutzbare Grundwasserleiter. Eine nachhaltige und effiziente UTV erfordert ein umfangreiches Verständnis der thermisch, hydraulisch und mechanisch gekoppelten Prozesse im UTV-Reaktornahbereich. Aufgrund der hohen Investitionskosten von UTV-Pilotanlagen, sind numerische Simulationen gekoppelter Prozesse von entscheidender Bedeutung für die Bewertung möglicher UTV-Umweltauswirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die UTV-induzierte Permeabilitätsveränderung, Erzeugung möglicher hydraulischer Kurzschlüsse benachbarter Reaktoren und Dynamik nicht-isothermer Multiphasenflüsse mit gekoppelten Simulationen analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Implementierung temperaturabhängiger thermo-mechanischer Gesteinsparameter nur für Untersuchungen von Permeabilitäts-änderungen im Reaktornachbereich notwendig ist. Die Ergebnisse erlauben somit eine recheneffiziente Realisierung von komplexen thermo-mechanisch gekoppelten Simulations-studien regionalskaliger Modelle mit konstanten Gesteinsparametern, bei nahezu gleichbleibender Ergebnisgenauigkeit, die zur Bewertung von UTV-Umweltgefährdungs-potenzialen beitragen. Simulationen zur Ausbildung hydraulischer Kurzschlüsse zwischen einzelnen UTV-Reaktoren auf regionaler Skala, verdeutlichen die Relevanz von geologischen Störungen an einem UTV-Standort, da diese durch Reaktivierung hydraulische Verbindungen induzieren und somit einen effizienten und nachhaltigen UTV-Betrieb negativ beeinträchtigen können. In diesem Zusammenhang kommt der Ausbildung einer Wasserdampfphase, der sogenannte „steam jacket“, im Hochtemperaturnahbereich von UTV-Reaktoren, als potenzielle Barriere zur Vermeidung von UTV-Schadstoffaustritten und zur potenziellen Minimierung von Energieverlusten eine entscheidende Bedeutung zu. Diese steam jackets entstehen durch evaporiertes Formationswasser und sind komplexe nicht-isotherme Multiphasenfluss-Phänomene. Für ein verbessertes Prozessverständnis dieser Multiphasenflüsse, wurde ein neuartiges Modellkonzept entwickelt, welches, validiert gegen Feldversuchsdaten, erstmals sowohl eine Quantifizierung als auch Prognose von Wasserflussraten in und aus einem UTV-Reaktor erlaubt. Die Ergebnisse der vorgelegten Doktorarbeit bilden eine wichtige Grundlage für eine erfolgreiche Integration gekoppelter thermo-hydro-mechanischer Simulationen in weiterführende Studien. Vor dem Hintergrund hoher UTV-Umweltgefährdungspotentiale, können diese zur verbesserten Bewertung und Minderung von UTV-Umweltauswirkungen beitragen, sowie die UTV-Effizienz nachhaltig optimieren.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Potsdam

Year

2017

Author dc:creator

• Otto, Christopher

Contributors dc:contributor

• Kühn, Michael
• Kempka, Thomas

• underground coal gasification
• numerical simulation
• non-isothermal multiphase flow
• thermo-mechanical modeling
• Untertage-Kohlevergasung
• numerische Simulation
• nichtisothermer Mehrphasenfluss
• thermo-mechanische Modellierung

Statement dc:rights

• CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International

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OAI identifier oai:identifier

oai:kobv.de-opus4-uni-potsdam:40462