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.
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.
Ziel des Verbundprojekts GEOSMART ist es, eine transparente und standortunabhängige Methode zur Risikobewertung von hydrothermalen und petrothermalen Tiefengeothermieprojekten sowie von Speicherprojekten auf Grundlage einer modularen Simulation des Gesamtsystems zu entwickeln. Üblicherweise wird bei Risikoanalysen zunächst eine Reihe konzeptioneller Vereinfachungen vorgenommen, um komplexe Prozesse im Rahmen probabilistischer Ansätze beschreiben zu können. Für das Projekt GEOSMART wurde ein entgegengesetzter Ansatz gewählt. Es ist beabsichtigt, die erforderlichen Prozessmodelle zunächst entsprechend dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik einschließlich der Prozesskopplung zu entwickeln. Im Anschluss werden für die Prozessmodelle mittels Sensitivitätsanalysen die Schlüsselparameter identifiziert, die den größten Einfluss auf die einzelnen Risikokomponenten haben. Die Abhängigkeit der Risikokomponenten von den Schlüsselparametern wird dann in Form von Wertetabellen bzw. Antwortfunktionen abgebildet und an ein zentrales Systemsimulationsmodell übergeben, mit dem die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die einzelnen Risikokomponenten berechnet wird. Die Schnittstelle über die Wertetabellen bzw. Antwortfunktionen stellt die wesentliche Vereinfachung dar und ermöglicht eine probabilistische Simulation komplexer Modelle. Der entscheidende Vorteil gegenüber herkömmlichen Risikoanalysen besteht darin, dass die relevanten Prozesse nicht auf Grundlage stark vereinfachter Modelle abgebildet werden, was die Genauigkeit von Prognosen deutlich erhöht.
Das Projekt GEOSMART gliedert sich in fünf Arbeitspakete. Im Rahmen des ersten Arbeitspaketes wird mit Hilfe des Programmpaketes GoldSim ein zentrales Systemsimulationsmodell entwickelt, an das sämtliche Prozessmodelle über Schnittstellen gekoppelt werden. Das zweite Arbeitspaket befasst sich mit einem Prozessmodell zur Integrität des Deckgebirges und den Auswirkungen von unkontrolliertem Risswachstum im Rahmen der hydraulischen Stimulation. Hierfür sind gekoppelte strömungsmechanische Simulationen vorgesehen. Im dritten Arbeitspaket wird die Migration von Fluiden aus einem Reservoir über geologische Schwächezonen betrachtet. Dabei wird mit dem Prozessmodell insbesondere der Stoff- und Wärmetransport quantifiziert. Änderungen des Spannungsfeldes und die dadurch möglicherweise induzierte Seismizität stehen im Zentrum des vierten Arbeitspaketes. Es ist geplant, mit einem Prozessmodell Wertetabellen für die Eintrittswahrscheinlichkeit solcher Ereignisse und Erschütterungskarten zu liefern. Im fünften Arbeitspaket wird die Integrität von Bohrungssystemen untersucht. Unter Berücksichtigung aller relevanten Prozesse erfolgt die Quantifizierung von Fluidleckagen für das Gesamtsystem Bohrung mithilfe gekoppelter numerischer Simulationen. (Text gekürzt)
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.
Das LUNG wird im Rahmen dieses Projekts mithilfe verfügbarer Bohrlochmessungen (Logs) aus Mecklenburg-Vorpommern und angrenzenden nordostdeutschen Bundesländern ausgewählte Horizonte lithologisch klassifizieren und ihre hydraulischen Eigenschaften evaluieren. Ziel ist es, unter Berücksichtigung der Erkenntnisse früherer Untersuchungen in diesem Gebiet (Lithologie, Fazies, hydraulische Testauswertung etc.) insgesamt zu einer besseren Charakterisierung geothermischer Nutzhorizonte zu gelangen. Um die Vergleichbarkeit zwischen den gewonnenen Daten aus Nordost- und Nordwest-Deutschland zu gewährleisten, wird hierbei in enger fachlicher Abstimmung mit dem LIAG vorgegangen. Neben der Charakterisierung und Visualisierung der hydraulischen Parameter von bereits im GeotIS erfassten Nutzhorizonten sollen weitere mögliche Zielformationen für die geothermische Exploration erkundet werden. Dies beginnt mit der Erfassung und GIS-Darstellung der Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit von bislang kaum untersuchten geothermischen Reservoiren. Anschließend wird das in GeotIS vorhandene 3D-Modell von Nordostdeutschland durch diese Horizonte ergänzt. Im Rahmen dieses Projekts werden der Untere Buntsandstein und das Toarc bearbeitet, die lokal sandige Abfolgen aufweisen, welche für eine geothermische Nutzung in Frage kommen könnten. Die neuen 3D-Strukturmodelle werden neben Tiefenlage und Verbreitung auch Informationen über Fazies und Lithologie enthalten. Die Erstellung dieser Modelle wird in enger Abstimmung mit dem LIAG und unter Verwendung der Software GOCAD/SKUA von Paradigm erfolgen. Alle neuen Daten zur Struktur und zum Nutzungspotential des tiefen Untergrundes werden in geeigneter Weise im Geothermischen Informationssystem GeotIS dargestellt. Entwicklung von 3D-Strukturmodellen für Nordostdeutschland (M-V) für den Unteren Buntsandstein und das Toarc Untersuchung der hydraulischen Eigenschaften von geothermischen Nutzhorizonten in Nordostdeutschland (M-V).