Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung

Dr.-Ing. Kenichiro Kobayashi

Optimization methods for multiphase systems in the subsurface: application to methane migration in coal mining areas

The work envolved between 2000 - 2004 at the Institute for Hydromechanics and Hydrosystemmodeling, Department 2: Civil and Enviroment Engineering, Universität Stuttgart

Day of scientific discussion: 09.07.2004

Advisors:

  • Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig, Universität Stuttgart
  • Prof. Dr.-Ing. T.Koike
  • Prof. Dr.-Ing. R. Hinkelmann, Technische Universität Berlin

Publication: Mitteilungsheft Nr. 139, (Promotionsschrift) Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart

Employer after finishing doctoral thesis / leaving TU Berlin: Employee of Institute of Sustainability Science, Kyoto University

Abstract

Abstract

Diese Dissertation behandelt zwei Kernpunkte: erstens die Entwicklung eines Simulations-Optimierungsmodells für Mehrphasenströmungen im Untergrund und zweitens Vergleichsuntersuchungen von verschiedenen Modellierungskonzepten. Zur Entwicklung des Simulations-Optimierungsmodells wurde ein Optimierungsalgorithmus, Simulated Annealing, programmiert und mit einem Mehrphasen-Mehrkomponenten-Simulationsprogramm (MUFTE-UG) gekoppelt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell wird auf die Untersuchung von optimalen Methan-Extraktionsstrategien für ein stillgelegtes Kohlebergwerk im Ruhrgebiet zugeschnitten. Die Frage, wie mit dem Methan aus stillgelegten Kohlebergwerken umgegangen werden soll, ist von großer Bedeutung. Einerseits ist einer möglichen Explosionsgefahr durch unkontrollierte Methanmigration vorzubeugen, anderseits wird die wirtschaftliche Nutzung des Methans zur Energieerzeugung untersucht. Deshalb versuche ich, ein numerisches Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das diese Entscheidungen in Bezug auf den Betrieb von Extraktionsbrunnen unterstützt. Die Möglichkeiten der Modellierung von realen Lagerstatten haben innerhalb der letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da leistungsfähige numerische Methoden und Rechner entwickelt worden sind. Deshalb wird heutzutage die Bedeutung der Entwicklung sogenannter decision-support Systeme, die diese Kenntnisse integrieren, mehr und mehr geschätzt. Dieses Simulations-Optimierungsmodell stellt eine Antwort auf diese neuen Anforderungen dar. Obwohl das Simulations-Optimierungsmodell in dieser Dissertation auf die Untersuchung besserer Methan-Extraktionsstrategien beschränkt ist, kann das Modell analog für viele andere Anwendungen verwendet werden, die durch ein Mehrphasen-Mehrkomponentenmodell modelliert werden können. In der Vergangenheit konnte diese Art von Simulations-Optimierungsmodell nur auf künstliche Beispiele angewandt werden, da die Rechenzeit für praktische Simulationen im Allgemeinen enorm ist. Da Optimierungsprozeduren Hunderte von Iterationen benötigen, wird eine pseudo-parallele Ausführung der Optimierungsprozedur durchgeführt, um Parallelrechner verwenden zu können. Damit kann die Rechenzeit dieser Prozedur um einen Faktor 23 verringert werden. Der zweite Punkt dieser Arbeit sind Vergleichsuntersuchungen unter Verwendung verschiedener Modellkonzepte (d.h., eines Zweiphasen- und eines Zweiphasen - Dreikomponentenmodells) für die Simulation von Methanmigration und Methan-Wasser-Interaktionsprozessen in den gefluteten Kohlebergwerken. Diese Arbeit schließt die Neuentwicklung eines Zweiphasen (Flüssigkeit, Gas) / Dreikomponenten (Wasser, Luft und Methan) - Modells ein, um den Massentransfer zwischen den Phasen beschreiben zu können. Die Betrachtung des Massentransfers zwischen den Phasen wird besonders dann sehr wichtig, wenn das Kohlebergwerk nach dem Grundwasseranstieg modelliert wird. Das liegt daran, dass die Löslichkeit des Methans in der Flüssigphase unter bestimmten Bedingungen relativ hoch ist.