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.
Poröse Reservoirgesteine werden sowohl zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen und geothermischer Energie als auch zur Zwischenspeicherung von Gasen genutzt. Dabei verursachen sedimentäre und strukturelle Grenzflächen (z. B. Schichtung, Störungen, Deformationsbänder) häufig Durchlässigkeitsunterschiede im Reservoir, die sich um mehrere Größenordnungen vom unbeeinflussten Gesteinsbereichen unterscheiden können. Diese Permeabilitätsanisotropien wirken sich durch hydromechanische Druckänderungen während der Reservoirnutzung auf den Zweiphasenfluss und damit auf die Reservoirintegrität aus.
Ziel des Verbundprojekts MERID ist es, den Einfluss von sedimentären und strukturellen Mikrogefügen auf die Fließeigenschaften in Reservoiren und auf deren Integrität zu quantifizieren. Hierzu sollen die durch Fluiddruckänderungen auftretenden Permeabilitätsvariationen in porösen siliziklastischen Reservoiren experimentell sowie numerisch analysiert und modelliert werden. Es ist geplant, verschiedene Prozesse auf der Kornskala zu untersuchen und mit Hilfe von digitalen Gesteinsmodellen auf die Reservoirskala zu übertragen. In den digitalen Gesteinsmodellen werden Eigenschaften wie Kornmorphologie, Schichtgefüge, mineralogische Zusammensetzung, und geomechanische Merkmale charakterisiert. Auf Grundlage dieser Modelle sollen mit systematischen Strömungssimulationen anisotrope Permeabilitätstensoren und Strömungskennlinien für verschiedene Sandsteine und Porendrücke bestimmt werden. Es ist geplant, die Untersuchungen im Rahmen von sieben Arbeitspaketen durchzuführen. Die Arbeiten umfassen eine Reservoircharakterisierung anhand von Bohrkernmaterial und analogen Gesteinsproben. Mit Hilfe von geomechanischen Laborversuchen wird die Entwicklung von Kompaktionsstrukturen und deren Auswirkungen auf die Porosität und Permeabilität untersucht. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für repräsentative digitale Gesteinsmodelle und fließen in Strömungssimulationen ein, bei der anisotrope Permeabilitätstensoren auf der Porenskala und Reservoirskala bestimmt werden. Hieran schließt sich eine geomechanische Simulation zur Spannungsverteilung im Reservoir an. Die im Rahmen der Untersuchungen ermittelten Veränderungen des Gesteinsgefüges und daraus resultierende Permeabilitätsanisotropien bewirken einen Abfall des Porendrucks im Reservoir und sollen mit Hilfe von realen Reservoirdaten (History Match) verifiziert werden. Als Ergebnis soll ein neuartiges gekoppeltes Modell (Simulator) vorliegen, das die zeitliche Änderung des Lagerstättendrucks auf die Fließeigenschaften eines Reservoirs berücksichtigt. Der Simulator kann zur Prognose der Permeabilitätsentwicklung genutzt werden und damit einen wesentlichen Beitrag zum sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Reservoiren leisten.