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.
Die Beeinflussung des oberflächennahen Grundwassers durch geotechnologische Nutzungen des Untergrundes ist ein wichtiges Kriterium bei der öffentlichen Akzeptanz und politischen Bewertung bestimmter Geotechnologien. Leider existieren dazu jedoch auch international nur wenige Geländeexperimente unter kontrollierten Randbedingungen, die die Entwicklung und Validierung von Fachdisziplinen übergreifenden Erkundungs- und Monitoringansätzen wie auch von numerischen Prognosewerkzeugen und Interventionsmethoden zur Reduktion derartiger Grundwassergefährdungen ermöglichen.
Übergeordnete Zielsetzung des Verbundprojektes ist daher der Aufbau, der Betrieb und die Etablierung eines entsprechenden Testfeldes an einem Standort in der Nähe der Stadt Wittstock zur Durchführung derartiger Experimente. Dort sollen im Rahmen einer nationalen Geo:N-Infrastrukturbildung mittelfristig auch anderen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen die Möglichkeit für entsprechende Forschungen eröffnet werden.
Schwerpunkte der Feldexperimente im Rahmen des Verbundprojektes stellen zum einen geophysikalische, mikrobiologische und hydrogeochemische Untersuchungen sowie die Entwicklung und Validierung numerischer Modelle (THMC) bzw. von 'Invers-Modellen' zu experimentellen Gasleckagensimulationen (N2-, (CO2-), O2-Gemisch als 'Luft', CH4, H2) und den damit in Verbindung stehenden bzw. induzierten reaktiven Mehrphasentransportprozessen dar. Zum anderen sollen die Auswirkungen von Wärmeeinspeicherungen (T kleiner als 80 Grad Celsius) auf reaktive z.T. mehrphasige Transportprozesse in natürlichen Grundwasserleitern untersucht werden.
Übergeordnete Fragestellungen sind dabei Detektierbarkeit, Prognostizierbarkeit und Kontrollierbarkeit der reaktiven Mehrphasen- und Wärmetransportprozesse in natürlichen oberflächennahen Grundwasserleitern unter besonderer Berücksichtigung der Erprobung und Validierung geophysikalischer und numerischer Verfahren. Konkretisiert und fachlich untersetzt werden diese übergeordneten Fragestellungen in drei wissenschaftlichen Teilprojekten (TP 1 'Experimentelle und Numerische Modelle'; TP 2 'Geophysikalisches Monitoring und Parametrisierung' und TP 3 'Hydrogeochemische, isotopenchemische und mikrobiologische Prozesse') sowie dem TP 4 'Verbundkoordination und Standortmanagement'.
Der vorliegende Verbundantrag von Partnern im Landesforschungszentrum Geothermie (LFZG) hat zum Ziel, Möglichkeiten sowie Grenzen der Kühlung mit oberflächennaher Geothermie in interdisziplinärer Arbeit zu erheben und daraus Impulse für Innovationen in diesem Bereich zu gewinnen.
Das Vorhaben ist in die folgenden Arbeitspakete (AP) gegliedert:
AP 1: Bedarfe und Systemaspekte
AP 2: Systemtechnik und Planung von Anlagen zur Kühlung mit oberflächennaher Geothermie
AP 3: Analyse von Best-Practice-Beispielen
AP 4: Thermisches und hydrogeologisches Verhalten des Untergrunds
AP 5: Genehmigungspraxis und Grenzwerte
AP 6: Synopse, Innovationspotenzial und Transfer
Innerhalb der Arbeitspakete werden von einzelnen Partnern punktuelle Untersuchungen zu relevanten Fragestellungen durchgeführt und darüber hinaus diese Ergebnisse sowie vorhandene Erfahrungen und Know-how interdisziplinär und systematisch zusammengeführt. Letzteres soll u. a. in Form von FuE-Workshops geschehen, in denen Empfehlungen zur Planung und zum Betrieb von Anlagen mit oberflächennaher geothermischer Kühlung sowie Anregungen und Ideen für weitere Entwicklungen und Innovationen in diesem Bereich erarbeitet werden.
Basierend auf dem MAGS1-Projekt soll im Rahmen dieses Vorhabens eine praxisorientierte Möglichkeit zur Einschätzung für induzierte Seismizität bei Tiefengeothermievorhaben erarbeitet werden, die die Komplexität von wachsenden Geothermiefeldern und die Neuplanung (vor Bohrbeginn) von Projekten im Blickpunkt hat. Mit dem deterministischen Ansatz der thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemisch (THM:C) gekoppelten dynamischen Modellierung sollen sensitive bzw. kritische Parameter für die hydraulische Stimulation bzw. den Betrieb eines Vorhabens bestimmt werden. Dies trägt dazu bei, dass Betreibern und Genehmigungsbehörden ein 'Leitfaden' an die Hand gegeben werden kann, der zukünftig die sichere Entwicklung der Tiefengeothermie in Deutschland voranbringen kann. Ausgehend von den im MAGS1-Projekt erhobenen Daten, eigener laborativer Parameterbestimmung und Literaturdatensammlung werden für Einzelstandorte der Potentialregionen Südpfalz und Großraum München die THM:C-Modelle kalibriert und Sensitivitätsstudien für einzelne Betriebsparameter durchgeführt. Die Erkenntnisse werden dann auf komplexere Feldgeometrien übertragen und somit die gegenseitige Beeinflussung von Standorten in Abhängigkeit der lokalen Bedingungen bestimmt. Des Weiteren sollen mittels Parametervariationen für verschiedene Untergrundbedingungen Ausschlusskriterien evaluiert werden und durch synthetische seismische Kataloge ein allgemeines Prognosewerkzeug für die Einschätzung der Seismizität geschaffen werden.