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.
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.
Aufgrund der Energiewende sollten Untertage Gasspeichern (UGS) für eine höhere Frequenz und z.T. auch Amplitude von Speicheroperationen ausgelegt werden. Der Einfluss dieser zyklischen Belastungen auf die geologischen und technischen Komponenten und damit auf die Funktionalität und Sicherheit von UGS steht deshalb im Fokus des Vorhabens. Zur langfristigen Sicherung der Schutzgüter müssen die zugrundeliegenden Prozesse und Mechanismen skalenüber-greifend sowohl qualitativ als auch quantitativ berücksichtigt werden. Im Mittelpunkt stehen deshalb die holistische Betrachtung betriebsbedingter Eigenschaftsänderungen von Speicher, Deckgebirge und deren Anbindung an technischen Einrichtungen (z.B. Bohrungen). Eng verzahnte experimentelle und numerische Untersuchungen bilden die Basis für Modellvorhersagen, die mit Feldbeobachtungen validiert werden. Die Modelle werden für Szenarien-Betrachtungen an realen und modellhaften Speichern genutzt, um optimierte Verfahrensweisen für Betrieb und Nachbetriebsphase abzuleiten, welche die Sicherheit auch bei erhöhter zyklischer Belastung steigern. Die Arbeiten von Piewak & Partner betreffen i. W. experimentelle Untersuchungen und die Validierung der geomechanischen Modellierung der Partner. Zur Übertragung der Resultate aus La-bor- und Technikumsexperimenten werden Versuche an Salzgroßproben zur hydraulischen Dichtheit mit Beobachtungen von Dehnungsstrukturen und Salzmetamorphose im Bergwerksmaßstab (Gruben Merkers, Hattdorf/Unterbreizbach von K+S) verglichen. Ziel ist die Charakterisierung von Schädigungsprozessen bei zyklischer Speicherung. Bestimmung des Spannungszustands im Deckgebirge von Porenspeichern und Salz als Grundlage zur Festlegung von Randbedingungen für Experimente und Modelle der Partner. Bestimmung von kritischen Strainraten in der Vergangenheit für den History Match und als Grundlage für die Ableitung optimierter Speicheroperationen für den sicheren zukünftigen Betrieb.
Ziel ist die Entwicklung einer integrierten Vorgehensweise zur Durchführung von Risikoanalysen im Bereich der geothermischen Energiegewinnung und Speicherung von Fluiden im tiefen geologischen Untergrund. Der Kern der Methodik besteht dabei auf der gekoppelten Prozesssimulation unter Berücksichtigung von Mehrphasenströmung, Geomechanik und Geochemie. Die entwickelte Methodik wird anhand real existierender Projekte/Standorte angewendet und validiert (Fluidphasentransport hinsichtlich Permeabilitätsänderungen, Transportmechanismen, Rissbildung und Heilung sowie Fluidmobilisierung durch Lösungs- und Fällungsreaktionen auf verschiedenen Skalen). Mit Hilfe eines umfangreichen numerischen Ansatzes, welcher geochemische und geomechanische Aspekte verbindet, soll die Varianz und Charakteristika der Überganszonen von natürlichen und artifiziellen Kavernen zum unveränderten Gestein erfasst und bewertet werden. Zur Validierung der Skalierbarkeit werden Untersuchungen auf verschiedenen Skalen durchgeführt. Mit Hilfe numerischer Simulationen sollen prozessorientierte, übertragbare Modellierungsansätze gefunden werden. Das Projekt ist in 5 Arbeitspakete gegliedert. Dabei ist eine enge Kooperation zwischen den AP's erforderlich, da die Arbeitspakete aufeinander aufbauen. DMT leitet das AP 3 'Schadstoff- und Formationsfluidausbreitung' (DMT, GFZ, GEOS) und benötigt insbesondere Ergebnisse aus dem AP2 (Rissausbreitung) zur Beschreibung der Schwächezonen. Die Ergebnisse des AP sind Grundlage zur ganzheitlichen Bewertung im AP1.