Geohydromodellierung

Abgeschlossene Projekte

CO2-MoPa

Modellierung und Parametrisierung von CO2-Speicherung in tiefen, salinen Speichergesteinen für Dimensionierungs- und Risikoanalysen

Für die Akzeptanz neuer Technologien, wie z.B. der Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Formationen (CCS), ist eine fundierte Gefährdungsabschätzung und Risikoanalyse unerlässlich. Dazu sind u. A. Monitoringstrategien und Konzepte während und nach einer Injektion sowohl für den Regelfall als auch zur Erkennung möglicher Leckagen notwendig. Das Testen und Bewerten solcher Strategien ist dabei an bestehenden Standorten schwierig, da immer nur eine unzureichende Kenntnis der Parameter, insbesondere der räumlich verteilten geologischen Parameter, sowie der tatsächlich ablaufenden Prozesse besteht. Ein Testen der entsprechenden Methoden kann aber anhand synthetischer numerischer Modellstudien vorgenommen werden, da in diesen Fällen die Parametrisierung und die ablaufenden Prozesse exakt bekannt sind. Der Modellierung und numerischen Simulation von Injektion und Ausbreitung des CO2 im geologischen Untergrund kommt dabei eine entscheidende Bedeutung für das Verständnis der dabei auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufenden physiko- chemischen Prozesse sowie für die Beurteilung von Effizienz und Sicherheit der ausgewählten Speicher zu. Zur Durchführung dieser Simulationen sind sowohl die entsprechenden Simulationsprogramme als auch die Parametrisierung notwendig.

Im Rahmen des Projektes wurde daher die Parametrisierung als auch numerische Simulation der ablaufenden gekoppelten thermo-hydro-mechanisch-chemischen Prozesse im Reservoir betrachtet. Die Parametrisierung von räumlichen geologischen Strukturen wurde am Beispiel Schleswig-Holsteins untersucht. Zur Parametrisierung wurden umfassend Daten und Literatur zu allen notwendigen Parametern ausgewertet und insbesondere Bedingungen für eine konsistente geochemische Parametrisierung untersucht. Anhand von im Projekt durchgeführten Versuchen wurden geomechanische Prozesse als auch kinetische Minerallösung experimentell quantifiziert. Zur numerischen Simulation der CO2-Speicherung wurde ein Modellinstrumentarium entwickelt, dass die ablaufenden Prozesse abbilden kann. Hierzu wurden die entsprechenden Prozesskopplungen implementiert und ihre Auswirkung quantifiziert. Die bei einer CO2-Speicherung zu erwartenden Effekte wurden sowohl durch ein hydraulisches Monitoring als auch ein geophysikalisches Monitoring anhand von synthetischen Seismik-, Geoelektrik- und Schweremessungen ausgewertet. Anhand eines virtuellen Standortes wurde schließlich der gesamte Ablauf von der geologische- geometrischen Parametrisierung, der Prozessparametrisierung und der numerischen Simulation mit anschließender Auswertung der auftretenden Effekte sowie der Strategien zu deren Monitoring durchgeführt und somit dessen Anwendung demonstriert.

Projektpartner:

  • Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ
  • Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
  • Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein 

 

Projektlaufzeit:

April 2008 - März 2011
 

Förderung:

Das Projekt CO2-MoPa wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), EnBW Energie Baden-Württemberg AG, E.ON Energie AG, E.ON Gas Storage AG, RWE Dea AG, Vattenfall Europe Technology Research GmbH, Wintershall Holding AG and Stadtwerke Kiel AG im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN Programms.

 

  CO2MoPa_Footer_DE

 

CLEAN

Gekoppelte THMC-Prozesse im Reservoir-Nahfeld: Geochemische Modellierung der CO₂ Einspeicherung

 

Die Injektion von CO2 in ein weitgehend ausgebeutetes Gas-Reservoir führt zu geochemischen Reaktionen zwischen Porenwasser und Gesteinsmatrix. Darüber hinaus führen die geochemischen Lösungs- und Fällungsreaktionen der Mineralphasen zu einer Veränderung der Porosität und Permeabilität der Speicherschichten, was zu Rückkopplungen auf die Strömungs- und Transportprozesse führen kann. Eine verlässliche Beurteilung der relevanten Speichermechanismen muss die Zeitabhängigkeit solcher Reaktions- und Rückopplungsmechanismen berücksichtigen.

Im vorliegenden Projekt wurde deshalb der THMC-Simulator OpenGeoSys (OGS) um die Berücksichtigung kinetisch limitierter CO2-Fluid-Mineral-Reaktionen erweitert. Hierzu wurde ein allgemeines aber sehr flexibles Lasaga-Ratengesetz implementiert. Zudem wurde die bereits bestehende Schnittstelle zum geochemischen Modell ChemApp erweitert, um den Austausch konsistenter thermodynamische Daten zwischen dem OGS-Kinetik-Modul und ChemApp zu ermöglichen. Die Verifizierung des gekoppelten Simulators erfolgte über Benchmark- Vergleiche mit analytischen Lösungen und Vergleichsrechnungen gegen andere Modelle. Der mit den Benchmark-Tests erfolgreich validierte Simulator wurde schließlich für standortbezogene Untersuchungen der bei einer Enhanced-Gas-Recovery-Maßnahme durch Injektion von CO2 in das Altmark-Gas-Reservoir zu erwartenden Veränderungen des Porenraumes und der Speicherung von CO2 durch „Mineral-Trapping“ verwendet. Die Simulationen zeigen, dass die Speicherung von CO2 in mineralischer Form auf sehr langen Zeitskalen erfolgt und ein geochemisches Gleichgewicht erst nach ca. 10000 Jahren erreicht werden kann. Die nach den Szenariensimulationen zu erwartenden Veränderungen des Porenraumes mit einer Abnahme der Porosität um ca. 1 % sind aufgrund des eher geringen Ausmaßes von Mineralumwandlungsreaktionen und mineralischer Speicherung des CO2 ebenfalls relativ gering.

 

Projektpartner:

  • GFZ Potsdam
  • BGR Hannover
  • DBI gGmbH Freiberg
  • DMT GmbH Essen
  • FU Berlin
  • GDF SUEZ E&P GmbH
  • GICON GmbH Dresden
  • IFINKOR gGmbH Iserlohn
  • TU Clausthal
  • TU Dresden
  • UFZ Leipzig
  • Universität Erlangen-Nürnberg
  • Universität Halle-Wittenberg
  • Universität Jena
  • Universität Kiel
  • Universität Tübingen

 

Projektlaufzeit:

Juli 2008 - Juni 2011
 

Förderung:

Dieses Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Teil des CLEAN Projektes im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN Programms.

 

  CLEAN_Footer

 

DECOVALEX-2015

Entwicklung gekoppelter Modelle und deren Validierung gegen Experimente

 (DEvelopment of COupled models and their VALidation against EXperiments)

Das Projekt DECOVALEX ist eine internationale Arbeitsgemeinschaft zum Vvergleich von Forschung und Modellen. Ziel der Kooperation ist es, das Verständnis gekoppelter thermo-hydromechanischer und thermo-hydromechanisch-chemischer Prozesse in geologischen Systemen zu vertiefen und deren Modellierung weiterzuentwickeln. Eine Vorhersage dieser gekoppelten Prozesse ist grundlegend für die Beurteilung von Leistung und Sicherheit geologischer Entsorgungssysteme für radioaktive Abfälle und abgebrannte Brennelemente.

DECOVALEX-2015 ist die aktuelle, sechste Projektphase der 1992 gegründeten Arbeitsgemeinschaft aus nuklearen Entsorgungsorganisationen und Regulierungsbehörden. Im Teilprojekt B1 erarbeitet die Die CAU Kiel zusammen mit dem Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorat ENSI ein vertieftes Verständnis ablaufender THM-Prozesse im Bentonit und Wirtsgestein an potentiellen nuklearen Lagerstätten.

 

DECOVALEX Abbildung

Abbildung: Virtuelle 3D-Ansicht des DECOVALEX HE-E Experiments zur  Erfassung des Verhaltens von Bentonit und Wirtsgestein bei Erwärmung durch ein Heizelement (Grafik: Http://www.decovalex.org/tast-b1.html).

Förderpartner:

  • Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), DE
  • Chinese Academy of Sciences (CAS), CHN
  • Department of Energy (DOE), USA
  • Swiss Federal Nuclear Safety Inspectorate (ENSI), CHE
  • Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), FRA
  • Japan Atomic Energy Agency (JAEA), JPN
  • Korean Atomic Energy Research Institute (KAERI), KOR
  • Nuclear Decommissioning Authority (NDA), UK
  • Nuclear Regulatory Commission (NRC), USA
  • Radioactive Waste Repository Authority (RAWRA), CZE
  • Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ), DEU

 

Projektlaufzeit:

2012 - 2015

Projektwebsite:

http://www.decovalex.org/index.html

Erfahrungs- und Forschungsbericht der CAU:

DECOVALEX-2015: Erfahrungs- und Forschungsbericht der CAU

 

 

Reactions in Porous Media

Das wesentliche Ziel der DFG Forschergruppe "Reactions in Porous Media" ist die Untersuchung und Analyse von massentransferlimitierten reaktiven Prozessen im Grundwasser auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen, wie z.B. die Lösung nichtwässriger flüssiger Phasen (non-aqueous phase liquids, NAPL) über NAPL-WasserKontaktflächen oder mikrobiell induzierte und durch transversale Mischungsprozesse von Reaktionspartnern am Fahnenrand limitierte Abbauprozesse organischer Schadstofffahnen.

Im Fokus des Teilprojekts der CAU Kiel stand dabei die numerische unterstützte Evaluierung von Durchfluss-Tankexperimenten konservativer und reaktiver Tracer in künstlichen Sandaquiferen im Labormaßstab zur Ermittlung transversaler Dispersivitäten. Dabei wurden mit Hilfe des OpenGeoSys Codes (OGS) hochaufgelöste numerische Simulationen synthetischer Tankexperimente, durchgeführt, bei denen alle Parameter (Porosität, hydraulische Leitfähigkeit, longitudinale und transversale Dispersivitäten, etc.) a priori bekannt sind, um häufig verwendete Ansätze zur Parameterbestimmung zu testen und zu bewerten. Sensitivitätsstudien wurden mit Hilfe des numerischen Modells durchgeführt, um das experimentelle Setup von Labor-Tankexperimenten zu optimieren, die anschließend in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (Eberhard Karls Universität Tübingen) durchgeführt wurden, um den Transport und das Quervermischunsgverhalten konservativer Tracer in homogenen und heterogenen porösen Medien bei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten zu untersuchen.

Weiterhin wurden im Rahmen des Teilprojekts der CAU Kiel modellbasierte Auswertungen und Interpretationen von reaktiven Transportexperimenten zum mikrobiellen Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe vorgenommen, die am Deutschen Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (Helmholtz Zentrum München) durchgeführt wurden. Hierzu wurde der OGS Code um die Isotopenfraktionierung beim mikrobiellen Stoffwechsel als neuem Reaktionsprozess und eine MPI-Parallelisierung des OGS-Reaktionskernels erweitert, um die Recheneffizienz des Codes für reaktive Transportsimulationen zu erhöhen. Numerische Modellierung wurde als Werkzeug zur Auswertung eines transienten 75 Tage langen Experiments zum dispersionslimitierten aeroben / anaeroben Abbau von Toluol und Deuterium-markiertem Ethylbenzol durch miteinander konkurrierende aerobe und anaerobe (denitrifizierende) Mikroorganismen angewendet. Die Reproduktion der gemessen Toluol- und Ethylbenzolkonzentrationen sowie der Isotopenfraktionierungsmuster durch das numerische Modell ermöglichte ein besseres Verständnis der räumlich-zeitlichen Schwerpunkte der aeroben und anaeroben Abbauaktivitäten und –kinetiken der beiden in Konkurrenz stehenden Bakterienstränge.

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Eberhard Karls Universität Tübingen
  • Helmholtz Zentrum München

Projektlaufzeit:

Juli 2008 – Juni 2011

Förderung:

Diese Arbeit ist eine Kooperation in der Forschergruppe ‘‘Reactions in Porous Media’’ (FOR 525/2) gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Projektwebsite:

http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/5470602

 

DFG Logo

DFG Footer