Mikrotrennflächen spielen eine zentrale Rolle in der Ingenieurgeologie, Gesteinsphysik und Felsmechanik. Um die Entwicklung von Mikrorissen und Risssystemen in Gesteinen besser vorhersagen zu können, soll in Fortsetzung der bisherigen Arbeiten am GeoForschungsZentrum Potsdam das Mikrorisswachstum unter Modus I und II Belastung untersucht werden. Hierzu sollen fortgeschrittene Verfahren zur Analyse der bei der Rissbildung abgestrahlten akustischen Emissionen (AE) eingesetzt werden, um den Anteil unterschiedlicher Mikrorisstypen bei Rissbildung unter Modus I und II Belastung zu bestimmen. Diese Untersuchungen sollen dazu beitragen, den Zusammenhang zwischen Mikrorissverteilung in der Prozesszone und Bruchzähigkeit für unterschiedliche Belastungsarten zu erfassen. Im ersten Teil der Studie wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Modus II Bruchzähigkeit (PTS-Test) entwickelt. Dies soll nun weiterentwickelt werden, um es in der Anwendung als Standardverfahren (International Society of Rock Mechanics (ISRM) Suggested Method) einsetzen zu können. Hierzu sollen der Einfluss der Probengröße und der Belastungsgeschwindigkeit auf die Bruchzähigkeit untersucht werden.
Löß ist ein einzigartiges Archiv pleistozäner Umweltbedingungen. Seine weite Verbreitung und seine oft quasi-kontinuierliche Sedimentation ermöglichen zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Rekonstruktionen der Paläoumwelt. Darüber hinaus sind besonders die mittel- und jungwürmzeitlichen Löße hervorragende archäologische Archive. In Zentral- und in SE-Europa findet sich eine große Zahl bedeutender jungpaläolithischer Fundplätze eingebettet in mächtige Lößabfolgen. Löß kann, wie auch andere Sedimente, die zeitlichen Variationen des Erdmagnetfeldes auf Skalen von Jahrhunderten bis Jahrhunderttausenden aufzeichnen. Untersucht der Umweltmagnetismus die magnetischen Eigenschaften des 'Tonbandes' (hier Löß), so ist die möglichst genaue Rekonstruktion der darauf gespeicherte 'Musik' der Erdmagnetfeldvariationen Gegenstand des Paläomagnetismus. Ist die zeitliche Variabilität des Erdmagnetfeldes bekannt, so kann das in einem konkreten Profil erkannte Variationsmuster zur indirekten Datierung des Profils herangezogen werden. Seit September 2005 werden Grabungsprofile in der Wachau und in den rumänischen Ostkarpaten paläo- und umweltmagnetisch bearbeitet. Ziel der Untersuchungen ist -neben einer unabhängigen zeitlichen Einstufung- die Rekonstruktion des Paläoklimas zur Zeit der paläolithischen 'Besiedlung'.
Das Verbundprojekt H2-ReacT untersucht grundlegende petrophysikalische, geochemische und biogeochemische Fragen der untertägigen Wasserstoffspeicherung. Prognosen zum Langzeitverhalten geologischer Wasserstoffspeicher sind bisher nur eingeschränkt möglich da verlässliche Daten zur Geschwindigkeit relevanter Redoxreaktionen und zur Wasserstoffdurchlässigkeit von Deckschichten fehlen. Ziel des H2-ReacT Projekts ist die Gewinnung experimenteller Daten zur Kinetik chemischer Reaktionen und mikrobieller Umsetzungen sowie zu Transportmechanismen des molekularen Wasserstoffs in tiefen geologischen Systemen. Die Untersuchungen werden exemplarisch für drei geologische Wasserstoff-Speicheroptionen durchgeführt: - Porenspeicher mit toniger Abdeckung - Porenspeicher mit evaporitischer Abdeckung - Salzkavernen. Chemische und mikrobielle Reaktionen, die Wasserstoff (H2) verbrauchen, stellen bisher noch einen großen Unsicherheitsfaktor bei der quantitativen Beschreibung reaktiver Transportprozesse des molekularen Wasserstoffs in geologischen Systemen dar. Um diese Unsicherheit zu reduzieren und Wissenslücken zu schließen, befasst sich das H2-ReacT Projekt mit grundlegenden Fragen zum Prozessverständnis. Dabei werden vier Teilprojekte bearbeitet. Teilprojekt 1: Bestimmung der reaktionskinetischen Parameter ausgewählter abiotischer und biotischer Redoxreaktionen, die zu einer Wasserstoffoxidation (z. B. Methanogenese und Sulfatreduktion) führen. Verschiebungen von Lösungs-Fällungsgleichgewichten können zu Veränderungen der Speichereigenschaften und der Durchlässigkeit von Gesteinen führen. Teilprojekt 2: Bestimmung der Adsorption von Wasserstoff (Sorptionsisothermen) an ausgewählten Gesteinstypen. Aus der spezifischen Adsorption gasförmigen oder gelösten Wasserstoffs an Mineraloberflächen sollen Aussagen zur Reaktivität der Oberflächen und Auswirkungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit abgeleitet werden. Teilprojekt 3: Quantifizierung und Parametrisierung des Gastransports in Sedimentgesteinen. Es werde Durchströmungs- und Diffusionsexperimente mit Wasserstoff und anderen Gasen durchgeführt. Zusätzlich wird der Einfluss mikrobieller Redoxreaktionen auf den Ein- und Mehrphasenfluss in Speichergesteinen untersucht. Teilprojekt 4: Bestimmung der Wasserstoff-Löslichkeit in verschiedenen Formationswässern als Funktion von Druck, Temperatur und Zusammensetzung. Durch das H2-ReacT Projekt soll die vorhandene Datenbasis erweitert und konsolidiert werden. Die im Rahmen des Verbundprojekts erzielten Ergebnisse werden dazu beitragen, die Eignung geologischer Speicherstrukturen in Zukunft sicherer bewerten zu können. Außerdem tragen sie zur Verbesserung der Modellierung geotechnischer Prozesse bei der Nutzung solcher Strukturen bei.
Die Abschätzung hydraulischer Durchlässigkeiten im Untergrund unter besonderer Berücksichtigung von Störungszonen ist unerlässlich für die Bewertung geologischer Strukturen hinsichtlich ihrer Reservoir- oder Barriereeigenschaften. Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Modellen zur verbesserten Vorhersage der Kluftverteilung entsprechender Permeabilitätseigenschaften im Bereich von Störungszonen. Auf Mikroskala betrachten wir insbesondere Deformationstrukturen und Bruchmuster auf dem cm-nm Maßstab, sowie Zementation und andere diagenetischen Veränderungen. Die Mesoskala umfasst die Betrachtung einzelner Brüche unter Berücksichtigung ihrer Oberflächenstruktur und Geometrie. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden auf die Makroskala übertragen, um dort den Fluidfluss innerhalb komplexer Bruchnetzwerke zu bestimmen. Die neuen Verfahren und Methoden erlauben eine umfassende Interpretation und Analyse von Permeabilitäten in Bruchnetzwerken und daraus resultierend eine Prognose für Gebirgsdurchlässigkeiten in geklüfteten Gesteinen. Genaue Kenntnisse der Verteilung von Durchlässigkeiten und Barrieren sind wichtige Informationen im Bereich der Wasserwirtschaft und Speichertechnologie, im Tunnelbau und bei der Festlegung von Bohrzielen in der geothermischen und Kohlenwasserstoffexploration. Die Teilprojekte die an der RWTH durchgeführt werden umfassen Arbeiten zur strukturgeologischen Erfassung von Geländedaten sowie der mikrostrukturellen Analyse der im Gelände gewonnen Proben. Zudem werden Analogmodelle durchgeführt, die die Durchflusseigenschaften von Störungszonen auf der Makroskala simulieren. Die Analyse der Bruchgeometrien und mikrostrukturellen Eigenschaften in beiden Teilprojekten dient u.a. als Basis zur numerischen Simulation in den anderen Verbundprojekten.
Ziele: Durch Lösungsvorgänge im oberflächennahen Untergrund (Subrosion) können Hohlräume entstehen, in die das darüber liegende Gestein nachbrechen kann. Dadurch bilden sich an der Erdoberfläche häufig Einsenkungen, sog. Erdfälle, die im Durchmesser von wenigen bis zu mehreren hundert Metern reichen. Erdfälle treten vor allem in Gebieten auf, in denen sich lösliche Gesteine wie Evaporite oder Karbonate im Untergrund befinden. Die Bildungsgeschwindigkeit von Erdfällen reicht dabei von sehr langsamen Absenkungsbewegungen im Millimeterbereich bis hin zum schlagartigen Einbruch von mehreren Zehnermetern. Insbesondere das plötzliche Auftreten von Erdfällen kann in dicht besiedelten Gebieten eine große Gefahr für Menschen und Infrastruktur bedeuten. Der Verbund SIMULTAN beabsichtigt, ein Früherkennungssystem für Instabilität, Unruhe und Kollaps von Erdfällen zu entwickeln. Dabei sollen die Prozesse untersucht werden, die vor der Entstehung schlagartiger Einbrüche stattfinden, um geeignete Anzeichen zu identifizieren, die zur Frühwarnung genutzt werden können. Es ist geplant, strukturelle, geophysikalische, petrophysikalische und hydrologische Kartierungsmethoden zu kombinieren. Diese Arbeiten sollen durch die Entwicklung geeigneter Sensoren sowie ein skalenübergreifendes Überwachungskonzept flankiert werden. Als Untersuchungsgebiete wurden zwei Orte ausgewählt, die von evaporitischer Erdfallbildung betroffen sind. Dabei handelt es sich um eine Lokalitäten in Hamburg und Thüringen. Während in Hamburg die Auslaugung eines oberflächennahen Salzstocks zur Absenkungen führt, ist in Thüringen die Verkarstung von Gips und Anhydrit als Ursache für die dort auftretenden Subrosionserscheinungen wahrscheinlich. Das Verbundprojekt SIMULTAN gliedert sich in sechs Arbeitspakete. Zur Überwachung kritischer Zonen in Erdfällen sollen geophysikalische Schlüsselparameter bestimmt werden (AP1). Weiterhin ist die seismische Überwachung und seismogene Charakterisierung urbaner Erdfallgebiete geplant (AP2). Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Entwicklung eines geodätischen Überwachungskonzepts für erdfallinduzierte Oberflächendeformationen und Massenumlagerungen (AP3). Auch die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen Gesteinen, Boden und Wasser im Untergrund (AP4) ist Gegenstand der Forschungsarbeiten. Auf Basis der gewonnenen Daten sollen numerische Modelle zur Hohlraumbildung und zum Kollaps von Erdfallstrukturen entwickelt sowie eine Informationsplattform für die Entscheidungsträger bereitgestellt werden (AP5). Weiterhin ist die Erstellung von Protokollen und Richtlinien zur Information der lokalen Bevölkerung geplant (AP6).
Der natürliche Untergrund gerät für sehr verschiedene und möglicherweise sogar kompetitive Anwendungsbereich verstärkt in den Fokus von Ingenieuren. Einerseits birgt der Untergrund wertvolle Rohstoffe, andererseits wird er genutzt, um temporär oder permanent Stoffe zu speichern, wie z.B. Abfälle oder Gas. Für alle diese Nutzungsarten ist es für unsere Gesellschaft unverzichtbar, die Leistungen, Grenzen, Risiken und wechselseitigen Einschränken zu kennen. Die Qualität von Modellvorhersagen für diesen Zweck hängen stark von der Qualität der Modellparameter ab. Von den Modellen wird jedoch erwartet, dass Vorhersagen mit verbesserter Zuverlässigkeit möglich sind, und dass sie für Simulationen eingesetzt werden können, welche robuste Entscheidungsfindung für den Speicherbetrieb erlaubt. Aus früheren Studien ist bekannt, dass die wesentlichen Prognosefehler und Unsicherheiten bei der Gasspeicherung bzw. der Injektion von Fluiden im Untergrund aus Unsicherheiten über geologische Strukturen und in den entsprechenden der Materialeigenschaften resultieren. Dieses Vorhaben will effiziente und zuverlässige Methoden für History Matching bei CO2-Speicherprojekten entwickeln. Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten und Parametersensitivitäten während des History Matchings können in zwei Kategorien unterteilt werden: (1) Statistisch/ Stochastische Ansätze (z.B. Multiple Samples aus bedingten Verteilungen) und (2) deterministische optimierungsbasierte Ansätze (z.B. Ein optimales Modell wird kalibriert und Schätzungen der Unsicherheit nach der Kalibrierung berechnet). Dieses Projekt möchte beide Ansätze diskutieren. Das Ziel ist dabei zunächst ein Vergleich und des Weiteren eine Hybridisierung stochastischer und optimierungsbasierter Methoden für die Quantifizierung von Unsicherheiten bei Modellkalibrierung bzw. History Matching, um die Vorteile beider Welten zu kombinieren.
Der Projektname DETECT steht für 'Determining the risk of CO2 leakage along fractures of the primary caprock using an integrated monitoring and hydro-mechanical-chemical approach'. Die deutsche Übersetzung lautet: 'Bestimmung des Risikos von CO2 Austritten durch Bruchzonen in der primären Abdeckschicht unter Verwendung eines integrierten Ansatzes mit Überwachung und hydromechanisch-chemischer Modellierung' Rahmenthema des Projekts ist die Reduzierung von klimaschädlichen Treibhausgasemissionen durch die geologische Speicherung von CO2. - Die Gesteinsschichten ('Deckschichten') über potenziellen CO2-Speichergesteinen stellen eine zentrale Komponente des Speichersystems dar. Sie müssen so beschaffen sein, dass ein unkontrolliertes Austreten des gespeicherten Gases verhindert wird. - In allen geologischen Formationen können Störungszonen auftreten, die durch tektonische Ereignisse in Jahrmillionen entstanden sind. Diese Störungszonen stellen potenzielle Schwachpunkte in den Barriereeigenschaften dar. - Ziel des DETECT Projektes ist die Entwicklung und Anwendung einer Methodik zur Risiko-Quantifizierung von CO2 Leckageraten durch Bruchzonen in den Deckschichten. Diese basiert auf Laborexperimenten, numerischer Modellierung von realistischen Leckageraten sowie den potenziellen positiven Effekten von Überwachungsmaßnahmen auf das Leckagerisiko. Als Instrument für die finale Risikoabschätzung wird die qualitative 'bow-tie' Methode verwendet. - Die experimentellen Untersuchungen an der RWTH Aachen (Deutschland) am Lehrstuhl für Geologie, Geochemie und Lagerstätten des Erdöls und der Kohle sowie dem Forschungsgebiet Ton- und Grenzflächenmineralogie befassen sich mit dem potenziellen Schließen von offenen Klüften durch von CO2 induzierte Effekte. Diese sind Kluftmineralisation und Quellung von Tonmineralen. In Zusammenarbeit mit der Partnergruppe von der Heriot-Watt University (Vereinigtes Königreich) führen die beiden RWTH-Institute Laborversuche zur Durchlässigkeit (Permeabilität) von Klüften durch. Die dabei erfassten Messgrößen dienen zur Modellierung von CO2 Leckageraten und zur Überprüfung der Gültigkeit der Modelle. Darüberhinaus untersucht die Shell-Gruppe (Niederlande) verlässliche und kosteneffiziente Überwachungstechnologien, die es ermöglichen Leckage zu detektieren. Durch geeignete Maßnahmen (z.B. Stopp der CO2 Einspeicherung) kann dann die Leckagerate verringert werden. Die Risktec Solutions Arbeitsgruppe (Vereinigtes Königreich) integriert diese Erkenntnisse in ein System zur standortspezifischen Risikoanalyse ('Bowtie' Methode), welches vom Projektpartner Shell Global Solutions für proaktives und reaktives Risikomanagement verwendet werden kann. Die Finanzierung des Projekts erfolgt auf der Basis der europäischen ERA-NET Cofund Vereinbarung (http://www.eubuero.de/era-net.htm) Accelerating CCS Technologies (ACT).
Das Forschungsvorhaben H2-ReacT befasst sich mit der Speicherung von Wasserstoff in geologischen Formationen. Molekularer Wasserstoff (H2) ist ein wichtiger Rohstoff in der chemischen Industrie. Da sich das Gas leicht durch Elektrolyse von Wasser gewinnen lässt, kann es auch für die Zwischenspeicherung überschüssiger Primärenergie, z.B. aus Windkraftanlagen verwendet werden. Dabei könnten ausgeförderte Erdgas- und Erdöl-Lagerstätten oder Salzkavernen als Wasserstoffspeicher genutzt werden. Da Wasserstoff ein sehr reaktives Gas ist und insbesondere von vielen Mikroorganismen als Energiequelle genutzt werden kann, muss untersucht werden, welche Reaktionen in geologischen Wasserstoffspeichern stattfinden können und wie schnell sie ablaufen. Außerdem muss festgestellt werden, wie sich das Gas in den unterirdischen Hohlräumen verteilt und ob es möglichst verlustfrei wieder an die Oberfläche gefördert werden kann. Zu diesem Zweck führen die an H2-ReacT beteiligten Forschungsinstitute Experimente durch in welchen die Wechselwirkungen von H2-Gas mit verschiedenen Gesteinstypen untersucht werden. Dabei geht es sowohl um anorganische Reaktionen (z.B. mit Eisenoxiden) als auch um mikrobielle Prozesse (z.B. Bildung von Biofilmen in den Gesteinsporen). Die Experimente müssen dazu unter ähnlichen Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt werden, wie sie im tiefen Untergrund herrschen. Reaktionen und Transportportprozesse von molekularem Wasserstoff spielen auch bei der nuklearen Endlagerung eine Rolle. Durch Korrosionsprozesse wird langsam aber stetig H2 gebildet und kann zu einem Druckaufbau führen wenn das Gasvolumen nicht durch Diffusion oder Reaktionen reduziert wird. Im H2-ReacT Projektverbund werden exemplarisch drei Speicherszenarien untersucht: H2-Porenspeicher mit toniger Abdeckung, H2-Porenspeicher mit Salz Abdeckung und H2-Speicher in Salzkavernen. Projektpartner sind zwei Hochschulinstitute der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH) und zwei außeruniversitären Forschungseinrichtungen (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe; BGR; GeoForschungsZentrum Potsdam; GFZ). Alle verfügen über langjährige Erfahrungen in der experimentellen geowissenschaftlichen Forschung und bringen ihre Expertise auf den Gebieten Geochemie, Mineralogie und Grenzflächenchemie, Geomikrobiologie, Sedimentologie und Petrophysik ein. Die wissenschaftlichen Arbeiten sind in vier Arbeitspakete unterteilt. AP1: Abiotische und mikrobielle Redoxreaktionen von H2 (BGR) AP2: H2-Adsorption an Mineraloberflächen (RWTH/CIM) AP3: Einfluss H2-bedingter Reaktionen auf die Transporteigenschaften von Gesteinen (RWTH/LEK) AP4: Löslichkeit von H2 in Porenfluiden (GFZ)
Aufgrund ihrer hohen Abdichtungswirkung dienen Salzlagerstätten bevorzugt als Speichermedium für verschiedene Fluide. Hierzu werden künstliche Kavernenhohlräume geschaffen, die zur Untergrundspeicherung von Erdöl oder Erdgas nutzbar sind, um Bedarfsspitzen auszugleichen und eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten. Damit die langfristige Integrität solcher Kavernen sichergestellt werden kann, ist eine umfangreiche Überwachung der Speicher sowohl während der Betriebs- als auch der Nachbetriebsphase erforderlich. Im Untergrund zirkulierende wässrige Fluide bergen aufgrund ihrer lösenden Wirkung ein hohes Gefahrenpotential für die Integrität von Kavernenspeichern. Gleiches gilt für das natürliche Vorkommen von Fluiden im aktiven Kalisalzbergbau. In beiden Fällen können eindringende Fluide eine Auflockerung des Gesteinsverbandes verursachen, die zur Subsidenz mit erheblichem Schadenspotential für Bergwerksgebäude und oberirdische Schutzgüter führen kann. Das Verbundprojekt befasst sich mit offenen Fragen zur zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Fluidmigration zwischen Kavernenhohlraum und Salzgestein, die mit Hilfe geochemischer und geophysikalischer Methoden sowie experimentellen Simulationen auf verschiedenen Skalen beantwortet werden sollen. Da Speicherkavernen für direkte Untersuchungen nicht zugänglich sind, ist geplant, großskalige Untersuchungen in einem aktiven Salzbergwerk durchzuführen. In einem Bergwerksstollen sollen dabei etwa 100 Meter lange Messprofile erstellt werden, welche die Übergangszone zwischen Salzgestein und einem natürlich entstandenen Kavernenhohlraum abdecken. Weiterhin ist beabsichtigt, in einem Salzpfeiler des Bergwerks einen künstlichen Hohlraum zu schaffen, um kavernentypische Prozesse in situ zu simulieren und die Dimensionen von Fluidmigration beobachten zu können. Vergleichbare Experimente sind auch im Labormaßstab mit Autoklaven geplant. Dabei soll auch der Einfluss variierender Prozessparameter wie Salzmineralogie, Feuchtegehalt, Gaszusammensetzung sowie Temperatur- und Druckgradienten ermittelt und durch gas-, isotopen- und gesteinsgeochemische sowie petrologische Untersuchungen ergänzt werden. Die vergleichenden, skalenübergreifenden Untersuchungen - von in situ Zuständen bis hin zu mikroskopischen Maßstäben - werden für numerische Simulationen eingesetzt, wobei Modelle erarbeitet werden sollen mit denen die Übertragbarkeit auf verschiedenste natürliche und technische Situationen realisiert werden soll. ProSalz gliedert sich in drei Teilprojekte. Im Rahmen des ersten Teilprojekts werden die Salzgesteine in einem Bergwerksstollen strukturell erfasst und beprobt sowie Gas- und Isotopenzusammensetzungen bestimmt. Weiterhin wird ein Hohlraum in einem Salzpfeiler hergestellt, in dem die Gegebenheiten technischer Kavernen simuliert und die Fluidausbreitung detektiert werden können. Das zweite Teilprojekt umfasst zu den Feldversuchen komplementäre Autoklavenexperimente im Labormaßstab. (Text gekürzt)
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