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 als Kohlenwasserstoffreservoire exploriert und als geothermische oder Gas-Zwischenspeicher genutzt. Sie beinhalten sedimentäre Grenzflächen und durch Kompaktion verursachte Strukturen (Drucklösung, Deformationsbänder), die als Permeabilitätsanisotropien während der hydromechanischen Druckänderungen die Reservoirintegrität beeinflussen.
Gleichzeitig werden die Gesteine von einem Zweiphasenfluss (injiziertes Fluid vs. Formationswasser, Öl vs. Formationswasser) durchströmt, wobei die relativen Permeabilitäten von den Benetzungseigenschaften der mineralogischen Mikrostrukturen abhängen. Ziel des interdisziplinären Projekts ist die Modellierung des mikrostrukturellen Einflusses auf den Zweiphasenfluss und die Reservoirintegrität. Hierzu werden die während der Fluiddruckänderungen variierenden vertikalen und horizontalen Permeabilitäten in porösen Reservoiren experimentell und numerisch analysiert und modelliert. Durch gekoppelte geomechanische und hydrodynamische Modelle wird die dreidimensionale Hydrodynamik des Mehrphasenflusses unter Berücksichtigung der Benetzungseigenschaften auf der Kornskala berechnet und das repräsentative Volumen für die Reservoir-Skala abgeleitet. Die Ergebnisse werden anhand vorhandener Reservoirdaten validiert und die gewonnenen Erkenntnisse zur Reservoirintegrität quantifiziert. In dem integrierten interdisziplinären Ansatz werden erstmalig kornskalige Prozesse in Reservoirprozessen appliziert. Die Ergebnisse finden Anwendung in der effizienteren Nutzung von tiefen Reservoiren.
Die Nutzung des untertägigen Raums als Ressourcenquelle, Speicher und Verkehrsraum ist in den vergangenen Jahren deutlich komplexer, insbesondere im Zusammenhang mit Fragen der Transformation von Energiesystemen oder sichere Verwahrung von Abfällen bei der Energieproduktion oder aus Industrie, geworden. In der Beurteilung eines wirtschaftlichen und ökologischen Betriebs von untertägigen Geosystemen kristallisieren sich die Themen Schädigung, Rissbildung und -fortschritt sowie Grenzflächenproblematik als bisher wenig verstanden Aspekte heraus. Sie mit in der Praxis gängigen, kommerziellen numerischen Simulationssystemen derzeit nicht adäquat modellierbar und stellen daher dringlichen Forschungsbedarf dar. Das geplante Vorhaben leistet wesentliche Beiträge für experimentell-numerische Analyse zur Diskontinuitätsentstehung in den untertägigen Gesteinen, unter Berücksichtigung von gekoppelte mechanischer, thermischer und hydraulischer Prozesse in der Diskontinuitätenentwicklung. Die Projektergebnisse sollen ein verbessertes Verständnis diese Prozesse zur zuverlässigen Planung der geotechnischen Nutzung des unterirdischen Raumes geben. Das Gesamtprojekt beinhaltet 3 Hauptarbeitspakete, bezüglich der Untersuchung der Wegsamkeiten durch Quell-und Schrumpfungsprozesse, durch druckgetriebene Perkulationen und durch Spannungsumlagerungen, wobei in den AP's die experimentellen und numerischen Analysen und Entwicklungen durchgeführt werden. Die CAU Kiel ist in den experimentellen und numerischen Entwicklungen zu den AP's 1 und 2 involviert. Darin sind als experimentelle Laboruntersuchungen, Analysen zur Rissinitiierung und Selbstheilung von Tonen und Salzgesteinen unter thermisch, hydraulischen und mechanischen Randbedingungen geplant. Als numerische Entwicklungen sind aufbauend auf eigenen LEM Entwicklungen, Weiterentwicklungen zur getriggerten Rissinitiierung und Selbstheilung von Tonen und Salzgesteinen unter den gegebenen Randbedingungen geplant.
Übergeordnetes Ziel des geplanten Vorhabens ist es, in wesentlichem Umfang vorhandene Lücken im Prozess-, Methoden- und Systemverständnis bei der Entstehung und Entwicklung struktureller Diskontinuitäten in Wirts- und Barrieregesteinen zu schließen. Auf der Basis systematischer experimentell-numerischer Analysen in für geotechnologische Anwendungen typischen Gesteinen sollen zeitliche und räumliche Auswirkungen von Diskontinuitäten auf die geomechanische Integrität und Dichtheit geologischer Formationen (z.B. in Form von Permeabilitäts- und Festigkeitsänderung) betrachtet werden. Damit werden Voraussetzungen für die Etablierung und Verbesserung verlässlicher Verfahren und Leitlinien zur prognostizierenden Gefährdungsanalyse und Überwachung vermeidbarer Umweltauswirkungen geschaffen. Im vorliegenden Teilprojekt werden hydro-mechanisch gekoppelte Laborexperimente und numerische Simulationen in Bezug auf kristallines Gestein durchgeführt. Die Laborversuche enthalten klassische und spezielle bruchmechanische Versuche an Matrixmaterial sowie Diskontinuitäten. Die numerischen Simulationen auf Basis der Diskreten-Elemente-Methode beinhalten die Simulation von Rissausbreitungsprozessen sowie Dislokationen entlang existierender Klüfte bzw. Störungszonen. Dabei wird auf Basis der Laborversuche ein neues Materialgesetz zur Beschreibung des hydro-mechanischen Verhaltens von Diskontinuitäten entwickelt, implementiert, getestet und angewendet. Der Arbeitsplan umfasst folgende Schritte: 1.) Analyse des aktuellen Standes von W+T 2.) HM-gekoppelte gesteinsmechanische Laborversuche am Kristallin 3.) Numerische Simulationen zur Rissausbreitung inkl. Entwicklung eines Kluftstoffgesetzes 4.) Einbeziehung von in-situ-Daten aus Frac-Experimenten in Simulationen.