ProSalz - Prozessverständnis, Skalierbarkeit und Übertragbarkeit von reaktivem Mehrphasentransport in Salzlagerstätten

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New session at the EGU 2019 - Salt deposits as reservoir and storage space: research and development in subsurface and solution mining activities

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Beschreibung:

Salzlagerstätten haben in Deutschland nicht nur eine große wirtschaftliche Bedeutung als Rohstoffquelle, sondern sind auch als Energiespeicher von wachsendem Interesse. Aufgrund der Undurchlässigkeit des Salzgesteins ist die Lagerung verschiedener energiereicher Fluide in technischen Kavernen möglich. Dies trägt zu einer stabilen Energieversorgung bei, auch bei schwankender Verfügbarkeit aus erneuerbaren Quellen. Übergeordnete Untersuchungskonzepte und Überwachungsansätze sind erforderlich, um die langfristige Integrität und Sicherheit der Kavernen während ihres Betriebs und nach ihrer Stilllegung zu gewährleisten.

Dies erfordert ein detailliertes Prozessverständnis des Mehrphasensystems Salz-Gas-Wasser im Übergangsbereich zwischen Kavernenhohlraum und Festgestein. Das im Rahmen des Fachprogramms „Geoforschung für Nachhaltigkeit (Geo:N)“ vom BMBF geförderte Projekt ProSalz adressiert deshalb offene Fragen zu zeitlichen und räumlichen Dimensionen von Fluidmigration in kavernösen Salzstrukturen. In Speicherkavernen sind konstruktionsbedingt keine direkten Beobachtungen an der Übergangszone Fluid-Salzgestein möglich. Deshalb dienen vergleichbare Strukturen im Bergwerksbetrieb als Analogon, um Prozesse am anstehenden Salzgestein zu untersuchen.

Der Fragestellung wird mit umfangreichen geochemischen und geophysikalischen Messungen im Feld und im Labor auf verschiedenen Größenordnungen nachgegangen. So soll entlang verschiedener Messprofile eine natürliche Kavernenstruktur im Untergrund untersucht werden. Weiterhin wird in einem untertägigen Salzpfeiler ein Hohlraum erstellt, um kavernentypische Abläufe zu simulieren und zu beobachten. Ähnliche Untersuchungen sind im Labormaßstab geplant - von großvolumigen Versuchen im 400 L Druckbehälter (LARS) bis hin zum mikroskopischen Bereich wird hier der Einfluss von Salzmineralogie, Feuchtegehalt, Gaszusammensetzung sowie Temperatur- und Druckgradienten auf das Fluidmigrationsverhalten erforscht.

Die vergleichenden Studien auf verschiedenen Skalen werden genutzt, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse zu evaluieren. Außerdem dienen die Ergebnisse als Grundlage für numerische Simulationen und prozessbasierte Modellansätze welche auf natürliche und künstliche Systeme übertragbar und anwendbar sein sollen. Die Projektergebnisse sind sowohl für Wissenschaft als auch für Wirtschaft von großem Interesse. Für den Ausbau neuer Technologien zur Energiespeicherung im Zuge der Energiewende sind belastbare Prognosen vom Bau, über den Betrieb bis zur finalen Verwahrung von Salzkavernen unabdingbar. Im Kali- und Salzbergbau können durch besseres Prozessverständnis die Erkundungsmethoden und Prognosegenauigkeit von möglichen Fluideinbrüchen und der damit verbundenen Salzlösungsausbreitung verbessert werden. Die bergbauliche Bewirtschaftung wird somit sicherer und effektiver.

ProSalz untergliedert sich in drei Teilprojekte:


TP1 Experimente Untertage

Untersuchung der Übergangszone einer natürlichen Kaverne 

  • Bohrkern und Fluidentnahme in definierten Abständen
  • Seismisches Monitoring und Georadarmessungen
  • Langzeitmonitoring der Fluidfreisetzung

Prozessorientierte Experimente an einer Feldtestkaverne

  • Erzeugung eines Kavernen-Äquivalents in einem Pfeiler
  • Experimentelle Simulation von kavernentypischen Prozessen
  • Prozessmonitoring mit Hilfe eines seismischen Sensornetzwerkes, Georadarmessungen und durch geochemische Messstellen rund um den Pfeiler

 

 


TP2 Untersuchungen im Labor

Geochemische Analytik der Proben des Transekts (TP1) und der experimentellen Simulationen (TP2)

  • Fluid- und Gesteinsanalytik sowie Bestimmung von Modellaltern
  • Analyse der stabilen Isotope des Wassers und des CO2
  • Mikroskopische Untersuchung von Mineralbestand, Fluideinschlüssen und Mikrofrakturen

Prozessorientierte experimentelle Simulation von kavernentypischen Mehrphasenprozessen auf verschiedenen Skalen

  • Röntgenmessungen von Mineralveränderungen in einer Feuchtekammer
  • Experimentelle Simulationen in einer Durchflusszelle
  • Experimente im LArge Reservoir Simulator (LARS)

TP3 Fluidsystemmodellierung und Datenmanagement

Modellierung kavernentypischer Mehrphasenprozesse auf verschiedenen Skalenebenen

  • Prozesssimulationen für die Konzeption der Experimente
  • Sensitivitätsanalysen des Parameterraumes der Geochemie und Hydromechanik

Entwicklung komplexer, skalenübergreifender Modelle für die numerische Simulation natürlicher Kavernensysteme

  • Entwicklung skalenabhängiger Reaktionsmodule
  • Kalibrierung der Reaktionsmodule mit Labor- und Felddaten
  • Szenarienanalysen von Kavernensystemen

Publikationen

Strauch,B., Abdel Haq, C., Barth, L., Giese, R., Krüger, K., Kühn, M., Lohr, S., Myrttinen, A., Richter, H., Steding, S., Zimmer, M., Zirkler, A., Process understanding, scalability and transferability of fluid-rock interactions in salt deposits.Geophysical Research Abstracts, General Assembly European Geosciences Union (Vienna, Austria 2018), p. 10314

Strauch, B., Zimmer, M., Zirkler, A., Höntzsch, S., and Schleicher, A. M.: The influence of gas and humidity on the mineralogy of various salt compositions – implications for natural and technical caverns, Adv. Geosci., 45, 227-233, https://doi.org/10.5194/adgeo-45-227-2018, 2018

Strauch, B., Zirkler, A., Myrttinen, A.: Das Forschungsprojekt ProSalz: Prozessverständnis, Skalierbarkeit und Übertragbarkeit von reaktivem Mehrphasentransport in Salzlagerstätten, Kali &SteinSalz 02/18, 18-29, ISSN 1614-1210 https://www.vks-kalisalz.de/fileadmin/user_upload/vks_kalisalz/downloads/Zeitschriften/2018-2-Kali-Stein.pdf


Projektinformationen

Projektlaufzeit: 2017 - 2020

Finanzierung:  BMBF Programm Geo:N - Geoforschung für Nachhaltigkeit

Projektpartner:

GFZ

  • Sek. 3.1 - Dr. Bettina Strauch (Koordinatorin), Dr. Martin Zimmer
  • Sek. 6.4 - Dr. Rüdiger Giese, Dipl.-Geophys. Heike Richter
  • Sek. 3.4 - M.Sc. Svenja Steding, Prof. Dr. Michael Kühn

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Prof. Johannes Barth, Dr. Julia Arndt)

K+S Aktiengesellschaft (Axel Zirkler, Dr. Anssi Myrttinen)

Untergrundspeicher-Geotechnologie-Systeme GmbH (Claudia Abdel Haq)

 

 

Kontakt

Bettina Strauch
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Dr. Bettina Strauch
Anorganische und Isotopengeochemie
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