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.
Das Projekt STIMTEC widmet sich der Optimierung von Stimulationsverfahren und der Erforschung dabei ablaufender hydro-mechanischer Prozesse, um die Prognosefähigkeit für Stimulationsverläufe zu steigern und damit eine ökonomische und ökologische Gewinnung geothermischer Energie zu ermöglichen.
Die Bündelung interdisziplinärer Kompetenzen an drei wissenschaftlichen Einrichtungen und eines KMU nutzend, soll die Ausbreitung hydraulischer Wegsamkeiten unter bekannten Randbedingungen im Feldversuch durch hochauflösendes seismisches 3D-Monitoring beobachtet und in Kombination mit hydraulischen Versuchen sowie numerischen Modellierungen eine Technologie zur kontrollierten Durchführung von Stimulationen entwickelt werden.
Die Aussagen über die aktivierten hydraulischen Wegsamkeiten werden durch nachträgliches Erbohren, hydraulische Tests und Laborexperimente an Kernmaterial des stimulierten Bereichs validiert, was erstmals einen eindeutigeren Nachweis der ablaufenden hydro-mechanischen Prozesse und eine Zuordnung der für sie diagnostischen Phänomene erlaubt. Das Projekt trägt dem Fehlen meso-skaliger Experimente Rechnung, die gegenüber der realen Skala den Vorteil der Kontrolle über Randbedingungen und Kenntnis der Gesteinsstrukturen und gegenüber Laborexperimenten den Sprung auf die praxisrelevante Zehnermeter-Skala bieten. Es wird ein hervorragend charakterisiertes Reservoirlabor mit einzigartigen Möglichkeiten für eine Weiternutzung hinterlassen.
Eine transparente und standortunabhängige Methodik zur Risikobewertung ist ein wesentlicher Baustein für die Akzeptanz sowie eine effiziente, sichere und nachhaltige Nutzung des geologischen Untergrundes. Die Stärke der vorgeschlagenen Methodik besteht darin, dass sie in jeder Projektphase auf dem jeweils aktuellen Kenntnisstand und Entwicklungsstand der Detailmodelle beruht und im Laufe der Entwicklung eines Projektes kontinuierlich verbessert wird. Der modulare Aufbau der Methodik ermöglicht hierbei, unabhängig vom Programmpaket die aktuellsten Modelle standortspezifisch zu integrieren. Ein Systemsimulationsmodell (AP 1) dient als Grundlage zur Risikobewertung durch die Integration der in den Einzelmodulen (APs 2-5) entwickelten Prozessmodelle. GEOSMART verfolgt das Ziel, eine konsistente Methodik zur Risikobewertung für die Nutzung des geologischen Untergrundes für hydro- und geothermale Tiefengeothermieprojekte sowie zur Speicherung und Entsorgung von Fluiden auf der Grundlage einer modularen Simulation des Gesamtsystems zu schaffen. Mithilfe einer bei der probabilistischen Modellierung üblichen Korrelationsanalyse werden Prozesse und Parameter identifiziert, die einen wesentlichen Beitrag zum standortspezifischen Risiko leisten. Dies erlaubt eine objektivierte Durchführung des Risikomanagements. Dazu erfolgt in GEOSMART die Implementierung von gekoppelten Prozesssimulationsmodellen unter Berücksichtigung von Mehrphasenfluss, Geomechanik, Geochemie und Wärmetransport sowie deren innovative Integration in ein ganzheitliches Systemsimulationsmodell zur effizienten Quantifizierung der wesentlichen Risiken. AP 1.1 Prozessanalyse und konzeptionelles Modell: AP 1.2 Modellimplementierung: AP 1.3 Anwendungsszenario: AP 1.4 Sensitivitätsanalyse AP 1.5 Anpassung und Dokumentation AP 1.6 Koordination des Gesamtprojektes
Die Abschätzung hydraulischer Durchlässigkeiten im Untergrund unter besonderer Berücksichtigung von Störungszonen ist unerlässlich für die Bewertung geologischer Strukturen hinsichtlich ihrer Reservoir- oder Barriereeigenschaften. Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Modellen zur verbesserten Vorhersage der Kluftverteilung und entsprechender Permeabilitätseigenschaften im Bereich von Störungszonen. Auf der Mikroskala betrachten wir Deformationstrukturen und Bruchmuster auf einem cm-nm-Maßstab sowie Zementation und andere diagenetische Veränderungen. Die Mesoskala umfasst die Betrachtung einzelner Brüche unter Berücksichtigung ihrer Oberflächenstruktur und Geometrie. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden auf die Makroskala übertragen, um dort den Fluidfluss innerhalb komplexer Bruchnetzwerke zu bestimmen. Für Prognosen von Permeabilitäten in Störungszonen wird deren Entwicklung in Labor- und numerischen Modellen simuliert. Zudem werden Permeabilitäten von Einzelklüften und Kluftnetzwerken aus Daten synthetischer und realer Bruchnetzwerke bestimmt. In Modellen werden Rauigkeiten der Kluftflächen sowie der Einfluss des lokalen Spannungsfelds auf Klüfte und deren Öffnungsweite berücksichtigt. Die Variation der Spannungen in den Modellen ermöglicht die Abschätzung tiefenabhängiger Permeabilitätsänderungen. Das Verfahren wird durch die Untersuchung von physischen Labormodellen getestet und validiert; die skalenübergreifende Interpretation wird an einem Realdatenbeispiel erprobt. Das igem führt numerische Simulationen mit einem DEM-Ansatz zur Mechanik der Bruch- und Bruchnetzwerkentwicklung, photogrammetrische Messungen und Analysen von Bruchstrukturen im Aufschluss sowie Durchflussmessungen an analogen Kluftmodellen durch. Die in den DEM-Simulationen erzeugten Bruchgeometrien werden statistisch ausgewertet, mit den Messungen im Aufschluss verglichen und in den Arbeitspaketen zur Simulation des Fluidflusses weiterverwendet.