Geohydromodellierung

Forschung

Die Forschung in der Arbeitsgruppe Geohydromodellierung umfasst die Entwicklung und Anwendung von numerischen Simulationsprogrammen zur Beschreibung der im Untergrund ablaufenden natürlichen bzw. anthropogen induzierten hydraulischen, thermischen, mechanischen und geochemischen Prozesse (THMC-Prozesse). Ziel ist hierbei die numerische Simulation der wesentlichen Prozesse und deren Interaktionen zur Beschreibung, Verständnis und Prognose der Reaktion des geologischen Untergrunds auf Nutzungen und Eingriffe.

Modellentwicklung

Arbeiten zur Modellentwicklung konzentrieren sich auf die Entwicklung und Implementierung von numerischen Methoden im open source Programmsystem OpenGeoSys. OpenGeoSys ist eine objekt- und prozessorientierte wissenschaftliche Software zur numerischen Lösung von gekoppelten Mehrfeldproblemen (THMC-Prozesse) und Hydro-systemen. Hierbei werden insbesondere Arbeiten zur Simulation von reaktiven nicht-isothermen Transportprozessen für Ein- und Mehrphasenfluidsysteme durchgeführt. Aktuelle Entwicklungsarbeiten umfassen z.B.

  • Methoden zur Berechnung temperaturbeeinflusster kinetisch limitierter Reaktionen beim Schadstoffabbau in kontaminierten Grundwasserleitern als auch bei der Lösung von Mineralen im Kontakt mit Grundwasser
  • Methoden zur Berechnung von geochemischen Gleichgewichtsreaktionen bei erhöhten Temperaturen und Salinitäten,
  • Kopplungen von OpenGeoSys und geochemischen Simulationspaketen wie PhreeqC und ChemApp
  • die Kopplung von OpenGeoSys und dem Reservoir-Simulator ECLIPSE (©Schlumberger) zur Simulation von groß-skaligen reaktiven Mehrphasenströmungen
  • die Entwicklung von Detailmodellen für geothermische Erdwärmesonden
  • die Implementierung und Nutzung von Methoden des Hochleistungsrechnens

 

THMC.png

 

 

Anwendungsstudien

Die in der Arbeitsgruppe durchgeführten Modellanwendungen haben die Charakterisierung, quantitative Beschreibung und Prognose der im Untergrund ablaufenden reaktiven nicht-isothermen Transportprozesse zum Ziel. Anwendungs-simulationen finden sowohl auf der Laborskala als auch auf der Feldskala / Reservoirskala statt. Anwendungsgebiete sind

    • die detaillierte Simulation von Labor- und Feldversuchen zur Prozesscharakterisierung, Versuchsoptimierung
      und Parameteridentifikation
  • die Simulation der bei stofflicher Energie- (z.B. Methan bzw. Wasserstoff) oder CO₂-Speicherung im Untergrund induzierten reaktiven Strömungs- und Transport-Prozesse sowie geomechanischer Auswirkungen
  • die hochaufgelöste Simulation von Erdwärmesonden im Grundwasser
  • Prognose und Risikoabschätzung des Verhaltens von Grundwasserkontaminationen und deren Sanierung
  • die Simulation und Bewertung von Monitoring- oder Erkundungsstrategien
  • Anwendung von Methoden des Hochleistungsrechnen bei der Simulation auf der Reservoirskala

 

tank.jpg

Abb.1: Experimentelle und numerische Untersuchung des Transports gelöster Substanzen in heterogenen porösen Medien auf der Laborskala (Grafik: E. Ballarini, in Ballarini, E., Bauer, S., Eberhardt, C. & Beyer, C., 2014. Evaluation of the Role of Heterogeneities on Transverse Mixing in Bench-Scale Tank Experiments by Numerical Modeling. Groundwater, 52(3), 368–377, doi:10.1111/gwat.12066 ).

 

 

co2.jpg

Abb.2: Untersuchung und Bewertung des Druckmonitorings in einer virtuellen CO2-Speicherformation (Grafik: K. Benisch, in Benisch, K. and Bauer, S., 2013. Short- and long-term regional pressure buildup during CO2 injection and its applicability for site monitoring. International Journal of Greenhouse Gas Control 19, 220-233, doi: 10.1016/j.egypro.2013.06.260.).

 

Brine vs CO2

Abb. 3: Numerisches Modell der Konvektionsströmung aufgrund der chemischen Reaktion von verpresstem CO2 mit Sole und Speichergestein. Aufgrund von Änderung der Salinität nimmt die Dichte der Lösung nach 1000 Jahren Gleichgewichtsreaktion um 23 gl-1 zu. Der Modellraum umfasst 87,5 m Länge auf 35,0 m Höhe. Aufösung der oberen 10, 0 m: 0,05 m x 0,05 m; Auflösung der unteren 25,0 m: 0,05 m x 0,10 m (Grafik: A.B. Mitiku und S. Bauer).