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 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.
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.
Für eine sichere und nachhaltige Nutzung unterirdischer Geosysteme muss die Integrität von Reservoir- und Barrieregesteinen langfristig gewährleistet sein. Eine besondere Rolle spielen dabei Prozesse, welche durch Rissbildung und Risswachstum zu einer Schwächung des Gesteins führen können. Diese Schwächung kann z. B. durch Diffusions- und Transportprozesse infolge wechselnder Druck- und Spannungsbedingungen hervorgerufen werden. Dabei ist die Rissbildung und Rissausbreitung im Untergrund mit seismischen Ereignissen verbunden. Diese Mikrobeben sind zumeist nur mit entsprechend sensitiver Messtechnik registrierbar, die Seismizität kann allerdings auch spürbare Größenordnungen erreichen oder sogar zu Schädigungen an Bauwerken und Infrastruktur führen. In konventionellen Kohlenwasserstofflagerstätten wird häufig nach einem längeren Produktionszeitraum eine erhöhte seismische Aktivität festgestellt, die auf Kompaktionsprozesse des Reservoirgesteins und die Aktivierung von Bruchzonen zurückzuführen ist. Bei der hydraulischen Stimulierung unkonventioneller Kohlenwasserstofflagerstätten oder geothermischer Reservoire werden seismische Ereignisse aufgezeichnet, die je nach Belastungszyklus und Gesteinstyp stark variieren können. Auch in Gasspeichern führen Belastung und Rissbildung zu erhöhter Seismizität, welche Prozesse anzeigt, die sich ungünstig auf die Speicherstabilität auswirken. Im Rahmen des Verbundprojekts SECURE sollen skalenübergreifende Werkzeuge zur Prognose und Charakterisierung hydromechanischer Prozesse bei der Nutzung unterirdischer Reservoirsysteme entwickelt werden. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich dabei auf Rissbildung und Risswachstum in Reservoiren und Deckgesteinen, welche als mikroseismische Ereignisse detektiert werden können. Hierzu sollen Modelle konzipiert werden, die erstmals bruchmechanische Prinzipien mit probabilistischen Seismizitätsmodellen kombinieren. Das Verbundprojekt gliedert sich in drei Arbeitspakete. Im Mittelpunkt des ersten Arbeitspakets steht das Monitoring. Dabei soll geprüft werden, wie schwache Mikroseismizität bestmöglich detektiert und charakterisiert werden kann. Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Entwicklung einheitlicher Standards zur Beschreibung von Magnituden und Herdparametern. Das zweite Arbeitspaket umfasst die Entwicklung fluidmechanischer Reservoirmodelle anhand von vier Fallstudien. Hierfür werden von den Industriepartnern Daten aus konventionellen Erdgasfeldern, aus Experimenten zur hydraulischen Stimulierung, aus Gasspeichern und aus geothermischen Aquifersystemen bereitgestellt. Ziel ist es, Druck- und Spannungsfelder als Funktion der Produktions- und Feldparameter zu bestimmen. Im dritten Arbeitspaket sollen auf Basis von Spannungssimulationen Seismizitätsmodelle entwickelt werden, welche zur Kalibrierung der fluidmechanischen Reservoirmodelle dienen. (Text gekürzt)
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 entsprechender Permeabilitätseigenschaften im Bereich von Störungszonen. Auf Mikroskala betrachten wir insbesondere Deformationstrukturen und Bruchmuster auf dem cm-nm Maßstab, sowie Zementation und andere diagenetischen 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. Die neuen Verfahren und Methoden erlauben eine umfassende Interpretation und Analyse von Permeabilitäten in Bruchnetzwerken und daraus resultierend eine Prognose für Gebirgsdurchlässigkeiten in geklüfteten Gesteinen. Genaue Kenntnisse der Verteilung von Durchlässigkeiten und Barrieren sind wichtige Informationen im Bereich der Wasserwirtschaft und Speichertechnologie, im Tunnelbau und bei der Festlegung von Bohrzielen in der geothermischen und Kohlenwasserstoffexploration. Die Teilprojekte die an der RWTH durchgeführt werden umfassen Arbeiten zur strukturgeologischen Erfassung von Geländedaten sowie der mikrostrukturellen Analyse der im Gelände gewonnen Proben. Zudem werden Analogmodelle durchgeführt, die die Durchflusseigenschaften von Störungszonen auf der Makroskala simulieren. Die Analyse der Bruchgeometrien und mikrostrukturellen Eigenschaften in beiden Teilprojekten dient u.a. als Basis zur numerischen Simulation in den anderen Verbundprojekten.
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
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 167 |
| Europa | 1 |
| Land | 13 |
| Wissenschaft | 82 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 164 |
| Text | 4 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 3 |
| Offen | 165 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 133 |
| Englisch | 39 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 12 |
| Keine | 50 |
| Webseite | 108 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 168 |
| Lebewesen und Lebensräume | 120 |
| Luft | 77 |
| Mensch und Umwelt | 168 |
| Wasser | 82 |
| Weitere | 167 |