Die Simulation von thermo-hydro-mechanisch (THM) gekoppelten Prozessen, d.h. die Vorhersage von Wechselwirkungen zwischen Temperatur, Fluiden und mechanischen Eigenschaften in einem Endlagersystem, ist eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung und Bewertung vorläufiger Sicherheitsanalysen im deutschen Standortauswahlverfahren. Im Rahmen des OSTHM-Projektes wurde mit der Open-Source-Softwarebibliothek Oskar eine transparente, einfach zu nutzende und gleichzeitig hoch flexible Werkzeugsammlung auf Basis der Methode der Finiten Elemente zur Simulation von THM-Prozessen entwickelt. Ein zentraler Bestandteil des OSTHM-Projektes ist die Qualitätssicherung bestehend aus einer automatisierten Test- und Dokumentationsumgebung. Die Verifikation des Softwarecodes erfolgt dabei durch die Methoden der Manufactured Solutions und der Method of Exact Solutions. Im Rahmen des Projektes wurden dafür alle grundlegenden THM-Prozesse (T, H, M, TH, HM, TM, THM) mit Tests und Beispielen erfolgreich implementiert. Die Softwarebibliothek Oskar wird als Open-Source-Projekt auf einer geeigneten Plattform veröffentlicht und kontinuierlich weiterentwickelt.
Enhanced Geothermal Systems (EGS) zielen darauf ab, die in der Erdkruste gespeicherte Wärme durch zirkulierende Flüssigkeiten zwischen Injektions- und Produktionsbohrlöchern zu extrahieren. Ideale Bedingungen finden sich typischerweise in Formationen in einer Tiefe von 2 bis 5 km, in denen die Durchflussrate für kommerzielle geothermische Anlagen nicht ausreicht und in denen die Temperaturen hoch sind (d. H. >> 100 ° C). Daher ist die Hochdruck-Flüssigkeitsinjektion, die als hydraulische Stimulation bekannt ist, eine allgemein angewandte Technik, um ein verbundenes Bruchnetzwerk zu erzeugen, das die Flüssigkeitszirkulation erleichtert. Die hydraulische Stimulation geht typischerweise mit einer induzierten Seismizität einher, die von der Öffentlichkeit wahrgenommen werden kann und sogar Schäden verursacht. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein grundlegendes Verständnis der induzierten Seismizität in gebrochenen Gesteinen zu vermitteln, das die Fähigkeit verbessert, das seismische Risiko vorherzusagen und zu kontrollieren. Dieses Projekt geht von der Hypothese aus, dass die Seismizität gemeinsam durch die Bruchnetzgeometrie und die aktivierten thermo-hydromechanischen (THM) Prozesse in geologischen Systemen gesteuert wird. Wir werden Discrete Fracture Networks (DFN) anwenden, um die strukturellen Diskontinuitäten darzustellen und die THM-Prozesse mit hoher Auflösung zu modellieren. Dieses Projekt verwendet die Datensätze aus kleinen (Dekameter-) Stimulationsexperimenten am Grimsel-Teststandort in der Schweiz und modernste numerische Modelle, um Folgendes zu erreichen: 1) Testen Sie die Wirksamkeit hochauflösender Modelle zur Erfassung der seismische, hydraulische und mechanische Prozesse, die mit kleinen Experimenten beobachtet wurden; 2) Verknüpfung der geometrischen Attribute eines Bruchnetzwerks (wie Intensität, Konnektivität, Länge und räumliche Verteilung) mit der räumlichen, zeitlichen und Größenverteilung der induzierten Seismizität; 3) ein neuartiges Prognosemodell für die maximal mögliche Größe vorschlagen und testen, das die gemeinsamen Auswirkungen von Multiphysikprozessen berücksichtigt, die unter standortspezifischen geologischen Bedingungen und Betriebsbedingungen dominieren; 4) Bewertung der Hochskalierung der hochauflösenden DFN-Modelle im kleinen Maßstab (Dekameter), um die Experimente im Reservoir-Maßstab (Kilometer) zu simulieren. Dieses Forschungsprojekt ist neu in der Behandlung der durch Injektion induzierten Seismizität durch hochauflösende physikbasierte Modelle und hochwertige Datensätze, die aus einzigartigen In-situ-Experimenten abgeleitet wurden. Die vorgeschlagene Forschung hat erhebliche Auswirkungen auf die Förderung der Übergangspolitik hin zu einer Versorgung mit erneuerbaren Energien und trägt dazu bei, unser Wissen über die Auslösemechanismen induzierter Erdbeben zu erweitern.
Die Entsorgung nuklearer Abfälle in geologischen Tiefenlagern muss in Gebieten erfolgen, die vom Grundwasserstrom ausreichend isoliert bleiben. Andernfalls können Fluidströmungsprozesse bei einer gestörten Entwicklung des Endlagers die Migration von Radionukliden in die Biosphäre begünstigen. Nur wenige Studien befassen sich mit den Folgen des weiträumigen Radionuklidtransports in solchen Worst-Case-Szenarien. Die hydrogeologischen Bedingungen des Gesamtsystems in der Nachbetriebsphase werden sich jedoch letztendlich von denen zum Zeitpunkt des Endlagerbaus unterscheiden und werden sowohl von äußeren Faktoren (z.B. Klimawandel) als auch von intrinsischen Beckeneigenschaften stark beeinflusst. Dieses Vorhaben im Bereich der Umweltrisiken zielt darauf ab, die Auswirkungen von (i) Vereisung, (ii) Permafrost und (iii) tektonischen Ereignissen auf die hydrologischen und hydromechanischen Grenzen zu untersuchen, die den großräumigen Grundwasserfluss in der Nähe von hypothetischen Abfalldeponien bestimmen. Zu diesem Zweck dient der Yeniseisky-Standort (YS) in Russland, ein potenzielles geologisches Tiefenlager für radioaktive Abfälle in kristallinem Gestein, als Fallstudie, der auf einzigartige Weise alle drei oben genannten Merkmale der geologischen Umgebung umfasst. Multiphysikalische Simulationen von thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch gekoppelten Prozessen (THM-C) werden angewendet, um Szenarien der Fernfeld-Radionuklidentwicklung im Extremfall eines Endlagerstörfalls zu liefern. Die Neuartigkeit der THM-C-Modelle und der Zugang zu einer einzigartigen Datenbank der YS werden das klassische Verständnis von anomaler Fluid-, Wärme- und Massentransportvorgänge innerhalb tektonisch aktiver Becken erweitern. Während sich das vorgeschlagene Vorhaben auf die Thematik der nuklearen Entsorgungsforschung bezieht, können die den entwickelten Modellen zugrunde liegenden physikalischen und numerischen Konzepte auf eine Vielzahl von Nutzungsszenarien der Geosphäre (z.B. CO2-Speicherung, Abfallentsorgung, Entstehung seismischer Ereignisse) angewendet werden. Darüber hinaus sind entsprechende Benchmarkstudien in ähnlichen kristallinen geologischen Formationen geplant.
Die belastbare Quantifizierung von Risiken der Nutzung des tiefen geologischen Untergrundes zur geothermischen Energiegewinnung und Speicherung von Energieträgern wird als entscheidender Faktor für die zukünftige Akzeptanz dieser Technologien eingeschätzt und erlangt damit eine immer größere Bedeutung. Zur systematischen Risikoabschätzung und als Werkzeug zur Minimierung von Umweltauswirkungen greift GEOSMART als anwendungsorientierte Grundlagenforschung aktuelle und zukünftige Herausforderungen auf, sodass eine allgemein anwendbare Methodik für Risikoanalysen geschaffen wird. Basierend auf den im BMBF-Forschungsprojekt CO2RINA erarbeiteten Methoden und international bewährten Ansätzen verfolgt GEOSMART das Ziel der Entwicklung einer integrierten Vorgehensweise zur Durchführung von Risikoanalysen im Bereich der hydrothermalen und petrothermalen Energiegewinnung sowie der Speicherung von Fluiden im tiefen geologischen Untergrund. Hierbei ist die gekoppelte Prozesssimulation unter Berücksichtigung von Mehrphasenströmung, Geomechanik, Geochemie und Wärmetransport ein wesentlicher Bestandteil. Der innovative Ansatz von GEOSMART besteht dabei im konsequent modularen Aufbau unter Nutzung klar definierter Schnittstellen zwischen den Einzelmodulen, welche jeweils unterschiedliche Risiken quantitativ beschreiben. Die Anwendung und Validierung erfolgen auf der Grundlage real existierender Standorte und ermöglichen somit die konsistente Überführung des gesamten für einen Standort vorhandenen Wissens in Risikoanalysen. Im Gegensatz zu üblichen Risikoanalysen kommen somit keine vereinfachten Ansätze zum Tragen, sondern die Umsetzung einer physikalisch konsistenten Integration gekoppelter 'state of the art'-Prozess- bzw. -Detailmodelle.