SUBI - Sicherheit von Untertagespeichern bei zyklischer Belastung: Funktionalität, Integrität und Überwachung von Speichern und Bohrungen

Laufzeit: 2017-2020

Zuwendungsgeber: BMBF Programm Geo:N - Geoforschung für Nachhaltigkeit

Projektverantwortliche: Moritz Ziegler and Oliver Heidbach

Kooperationen: Frank Schilling, Birgit Müller, Malte Westerhaus (KIT), Karlsruhe, Deutschland; Andreas Henk , TU Darmstadt, Deutschland; UNIPER, Düsseldorf, Deutschland; Thomas Röckel, Piewak & Partner,  Bayreuth, Deutschland

Im Zuge der Energiewende erhöhen sich die Anforderungen an Untertage Gasspeichern (UGS), die infolge größerer Fluktuation in der Energiebereitstellung für eine höhere Frequenz und z.T. auch Amplitude von Speicheroperationen ausgelegt werden sollten. Der Einfluss solch 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 skalenübergreifend sowohl qualitativ als auch quantitativ berücksichtigt werden. Das Projekt verfolgt deshalb die holistische Betrachtung betriebsbedingter Eigenschaftsänderungen von Speicher, Deckgebirge und deren Anbindung an technische Einrichtungen (z.B. Zementation – Bohrungen). Eng verzahnte experimentelle und numerische Untersuchungen bilden die Basis für Modellvorhersagen, die mit Feldbeobachtungen validiert werden. Diese 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 der Speicher steigern.

Ziel des Vorhabens ist es deshalb, die komplexen geomechanischen Vorgänge, welche einen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Untertage-Gasspeichern haben, skalenübergreifend und interdisziplinär zu untersuchen. Dabei soll der Einfluss zyklischer Beanspruchungen von technischer Installation und Gasspeichern im regionalen Stressfeld untersucht werden um geeignete Betriebsweisen für Gasspeicher ableiten zu können. Der Forschungsschwerpunkt ergibt sich aus dem Test der folgenden Hypothese: Eine erhöhte Frequenz und Amplitude im Speicherbetrieb (z.B. als Folge der Energiewende) hat einen Einfluss auf die Integrität von Untertage Gasspeicher. Dabei steht implizit die Frage im Mittelpunkt, wie durch einen optimierten Betrieb die Sicherheit der Speicher möglichst weiter gesteigert werden kann, ohne die Speicherfunktionalität zu beeinträchtigen.

Dazu wird ein holistscher, systemischer Ansatz verfolgt, um über Labor-, Technikums- und Feldexperimente die komplexen rheologischen Eigenschaften so zu charakterisieren, dass diese über Modellrechnungen (THMC Modellierungen und geomechanische Betrachtungen unter Berücksichtigung biologischer Prozesse) für überprüfbare Systemvorhersagen genutzt werden können. Eine Validierung erfolgt über den Vergleich von vorhergesagter und beobachteter Deformationen. Hiermit soll die Frage geklärt werden, ob und wie Deformationen als Hinweis auf Alterungserscheinungen im Sinne einer Frühwarnung genutzt werden können. Unser Beitrag ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Fernspannungsfeld und den Spannungsänderungen in der Umgebung des Speicher, um Susidenzscenarien zu simulieren und mögliche Reaktivierung von tektonischen Störungen zu prognostizieren.

Gasspeichermodellierung Die Skizze zeigt die Änderung der Porösität (obere Abbildung) und der Durchlässigkeit (untere Abbildung) von Gasspeichern (Arrufo et al. 2014).

Publikationen/Ergebnisse

  • Aruffo, C.M., Rodriguez Herrera, A., Tenthorey, E., Krzikalla, F., Minton, J., & Henk, A. (2014): Geomechanical Modelling to Assess Fault Integrity at the CO2CRC Otway Project, Australia. – Australian Journal of Earth Sciences, 61, 987-1000