Geohydromodellierung

Laufende Projekte

TestUM-Aquifer

Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen

Bei Eingriffen in den geologischen Untergrund stehen insbesondere mögliche Auswirkungen auf das oberflächennahe Grundwasser als potentielles Trinkwasserreservoir im Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit. Dabei sind die direkten Folgen z. B. einer Kontamination von Grundwasserleitern zumeist nur unzureichend untersucht. Vor allem Geländeexperimente unter kontrollierten Randbedingungen könnten hier Abhilfe schaffen und belastbare Aussagen zu Reaktionen und Transportprozessen liefern.

Aus diesem Grund soll im Rahmen des Verbundprojekts  TestUM-Aquifer ein Testfeld etabliert werden, das sich zur Untersuchung von Mehrphasen- und Wärmetransportprozessen in oberflächennahen Grundwasserleitern eignet. Hierfür steht ein bereits vorerkundetes Gebiet im Bereich der brandenburgischen Kleinstadt Wittstock zur Verfügung. Schwerpunkte der geplanten Geländeexperimente bilden geophysikalische, hydrogeochemische und mikrobiologische  Untersuchungen von reaktiven Mehrphasentransportprozessen infolge induzierter Gasleckagen in einen Grundwasserleiter. Dabei ist geplant, die Auswirkungen von Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoffgemischen (Luft), Methan und Wasserstoff sowie die Folgen von Wärmeeinspeicherung auf Transportprozesse im Grundwasser zu bestimmen. Diese Geländeexperimente sollen durch numerische Modellierungen vorbereitet und begleitet werden.

Übergeordnete Fragestellungen des Projekts sind die Detektierbarkeit, Prognostizierbarkeit und Kontrollierbarkeit reaktiver Mehrphasen- und Wärmetransportprozesse in natürlichen oberflächennahen Grundwasserleitern. TestUM-Aquifer gliedert sich in drei Teilprojekte:

  • TP 1 | Experimentelle und Numerische Modelle
  • TP 2 | Geophysikalisches Monitoring und Parametrisierung
  • TP 3 | Hydrogeochemische, isotopenchemische und mikrobiologische Prozesse

Im ersten Teilprojekt sollen experimentelle und numerische Modelle zur quantitativen Prognose von Gasausbreitungsprozessen und den damit verbundenen Mobilisierungsreaktionen entwickelt werden. Im Zentrum des zweiten Teilprojektes stehen ausgewählte geophysikalische Methoden zur Erkundung und zum Monitoring von Gasphasenkörpern und Temperaturfeldern im oberflächennahen geologischen Untergrund im Vordergrund. Das dritte Teilprojekt befasst sich mit hydrogeochemischen, isotopenchemischen und mikrobiologischen Prozessen infolge der Gas- und Wärmeexposition. Vor allem die Freisetzung von Spurenmetallen in das Grundwasser bzw. Bindung an das Sediment stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Das Testfeld und die geplanten Experimente bilden in dieser Form ein internationales Alleinstellungsmerkmal des Projekts TestUM-Aquifer. Die geplanten Untersuchungen zur Wärmespeicherung in oberflächennahen geologischen Formationen haben insbesondere für die Energiespeicherung in urbanen Räumen eine große Bedeutung. Es ist vorgesehen, den Betrieb des Testfeldes über den Projektzeitraum hinaus fortzusetzen und damit eine einmalige geowissenschaftliche Infrastruktur zu schaffen, die auch anderen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen zur Verfügung steht.

 

Verbundpartner:

  • Christian Albrechts Universität zu Kiel (CAU)
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung – UFZ GmbH
     

Verbundkoordination:

Prof. Dr. Andreas Dahmke (CAU)
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Ludewig-Meyn-Str. 10, 24118 Kiel
andreas.dahmke[at]ifg.uni-kiel.de
Tel: +49 431 880 2857
 

Testfeldkoordination:

Dr. Götz Hornbruch (CAU)
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Ludewig-Meyn-Str. 10, 24118 Kiel
goetz.hornbruch[at]ifg.uni-kiel.de
Tel: +49 431 880 2876
 

Projektlaufzeit:

36 Monate, 07/2017 – 06/2020

Projektwebsite:

http://www.testum-aquifer.de
 

Förderung:

Im Rahmen des Fachprogramms Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N) im BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3)“ der Bundesregierung wird das Projekt TestUM-Aquifer durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

       

 

ANGUS II

Auswirkungen der Nutzung des geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher – Integration unterirdischer Speichertechnologien in die Energiesystemtransformation am Beispiel des Modellgebietes Schleswig-Holstein

Energiespeicher werden in einer zukünftigen, stark auf erneuerbare Energien (EE) ausgerichteten Energie­versorgung zum Ausgleich von Erzeugerfluktuationen und saisonalen Schwankungen unver­zichtbar sein. Geotechnische Energiespeicher bieten sowohl große Speicher­kapazitäten als auch Speicher­zeiten von Stunden bis hin zu Monaten bzw. Jahren. Das Forschungsvorhaben ANGUS II setzt mit der Untersuchung von Optionen der unterirdischer Speicherung von Wasserstoff, synthetischem Methan, Druckluft und Wärme / Kälte die im Projekt ANGUS+ durchgeführten Arbeiten fort. In ANGUS II soll nun das unter­irdische Geosystem um die noch nicht betrachteten hydraulisch dichten Schichten sowie die damit verknüpften Prozesse ergänzt werden. Zur Integration geotch­nischer Energie­speicher in die Energieversorgungsnetze bei unter­schied­lichen Ausbaupfaden der Energienetze und EE-Erzeugung sowie zur Bestimmung von wirt­schaft­lichen Betriebs­szenarien wird durch Kopplung bestehender Modelle zur Simulation der Energie­netze, Energie­einzel­anlagen und der geo­technischen Speicher ein Modell­instrumentarium entwickelt und beispielhaft anhand realistischer Szenarien angewendet. Für die so dimensionierten geotechnischen Speicher werden die im Untergrund induzierten Aus­wirk­ungen zeitlich und räumlich aufgelöst durch prozessbasierte Simulationsmodelle bestimmt und mögliche Auswirkungen auf Schutzgüter und die Interaktion mit anderen geo­technischen Speichern bzw. untertägigen Nutzungen betrachtet. Anhand von Feldmessungen natürlicher Hintergrundprozesse sowie meso­skaliger Technikumsversuche soll das entwickelte Instrumentarium validiert werden. Die Ergebnisse werden zur Weiterentwicklung einer Methodik der unter­irdischen Raum­planung verwendet.

Das Forschungsvorhaben ANGUS II verfolgt vier übergeordnete Ziele:

1 | Beschreibung des in der Beispielregion Schleswig-Holstein potenziell als Energiespeicher zur Verfügung stehenden Geo­­systems: Erweiterung der Prozess- und Parametercharakterisierung für hydraulisch gering durch­lässige Schichten, Barrierehorizonte und die wasserungesättigte Zone

2 | Weiterentwicklung und Validierung bestehender Modelle zur Simulation geo­tech­nischer Energiespeicher und deren Auswirkungen, sowie Kopplung dieser Modelle mit Modellen zur Simulation der Energieversorgung und von Einzelenergieanlagen

3 | Definition und Analyse von Szenarien

a) zur Integration von geotechnischen Energie­speichern in die Energieversorgungsnetze und von wirtschaftlich sinnvollen Betriebs­szenarien

b) zur zeitlich und räumlich aufgelösten Raumbeanspruchung dieser Speicher, insbesondere im stark genutzten urbanen Untergrund

c) zu möglichen Aus­wirkungen auf Schutzgüter, sowie zur Interaktion mit anderen Speichern oder anderen Nutzungen des Unter­­grundes

4 | Bereitstellung und Erprobung des Modellinstrumentariums zur Integration geo­technischer Speicher in die Energiesysteme, Bestimmung von wirtschaftlichen Betriebsszenarios für geotechnische Energiespeicher und Weiterentwicklung der in ANGUS+ erarbeiteten Methoden und Planungsinstrumentarien für eine großskalige Raumplanung des Untergrundes

Verbundpartner:

  • Christian Albrechts Universität zu Kiel (CAU) - Koordination und Teilprojekt "Geologische Modellierung und Parametrisierung"
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig (UFZ) - Teilprojekt "Geochemische und thermische Prozesse"
  • Hochschule Flensburg (HSF) - Teilprojekt "Simulation energietechnischer Einzelanlagen"
  • Europa-Universität Flensburg (EUF) - Teilprojekt "Energienetzmodellierung und zukünftige Energiepfade"
  • Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) - Teilprojekt "Bewertung von Störungszonen"

 

Projektlaufzeit:

01/2017 – 12/2020

Förderung:

Im Rahmen der Forschungsinitiative Energiespeicher der Bundesregierung wird das Projekt ANGUS II durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Projektwebsite:

https://www.angus2.de

 

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

 

 

IGLU

Untersuchung, Modellierung und Bewertung eines intelligenten geothermischen Langzeitwärmespeichers mit umweltneutralem Verhalten

Teilprojekt: Modellierung und Umweltauswirkungen

Im Rahmen des Projekts IGLU wird ein umweltneutrales und wirtschaftliches durch Solarkollektoren gespeistes Energiespeicher-System in Modulbauweise zum Einsatz in Mehrfamilienhäusern und gewerblichen Gebäuden entwickelt, welches in die Wärmeversorgungssysteme sowohl von Neubauten als auch in Bestandsgebäude integriert werden kann. Die Schwerpunkte des Teilprojekts „Modellierung und Umweltauswirkungen“ sind dabei zunächst die Entwicklung eines numerischen gekoppelten thermo-hydromechanisch-chemischen (THMC) Modellwerkzeugs basierend auf der open-source Software OpenGeoSys zum simulationsbasierten Design des IGLU-Energiespeichers. Auf Grundlage von numerischen Sensitivitätsanalysen werden mit diesem Werkzeug die thermisch-hydraulischen Kennwerte sowie die Geometrien des Wärmetauschers im Speicherkörper auf Effizienz und Umweltauswirkungen hin optimiert. Das Modell wird zudem zur numerischen Dimensionierung von Versuchsanlagen sowie zur Prognose möglicher Auswirkungen auf den chemischen Zustand von Boden und Grundwasser im Speicherumfeld eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind Grundlage für die Erstellung eines Umweltverträglichkeitsleitfadens.
 

Projektpartner:

  • Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • SCHEER Heizsysteme & Produktionstechnik GmbH
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH

 

Projektlaufzeit:

 August 2014 - Juni 2018

Förderung:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

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