Vorhabenziel ist die Entwicklung einer technischen Konzeption zur Energiespeicherung mittels Hochdruckspeicherung von superkritischem CO2 in Salzkavernen, wofür überschüssige Windenergie genutzt wird. In einem geschlossenen CO2-Kreislauf zwischen zwei Kavernen mit unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen wird mit einer sCO2-Turbine elektrische Energie bei der thermischen Expansion gewonnen. Die dabei in den Salzkavernen mit superkritischen CO2 auftretenden thermo-mechanischen und fluiddynamischen Beanspruchungen werden im Projekt in gekoppelten numerischen Berechnungen untersucht und experimentell in Echtzeit in servohydraulischen Versuchsständen simuliert. Die Energiespeicherung in Salzkavernen mit superkritischen CO2 (ESsCO2) bietet die Möglichkeit einer dezentralen großtechnischen Speicherung elektrischer Energie. Der Bau von innovativen, emissionsfreien Kavernenspeicher-Kraftwerken mit superkritischem CO2 bietet sich im Norden Deutschlands an, wo neben der Windenergie auch das Hauptverbreitungsgebiet von Salzstöcken in Deutschland liegt. Der Vorteil der Kavernenspeicherung von superkritischem CO2 gegenüber der Druckluftspeicherung liegt in der deutlich höheren Energiedichte, woraus sich eine wesentlich kompaktere Bauweise der übertägigen Anlagen ergibt.
Aufgrund der Energiewende sollten Untertage Gasspeichern (UGS) für eine höhere Frequenz und z.T. auch Amplitude von Speicheroperationen ausgelegt werden. Der Einfluss dieser 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. Im Mittelpunkt stehen deshalb die holistische Betrachtung betriebsbedingter Eigenschaftsänderungen von Speicher, Deckgebirge und deren Anbindung an technischen Einrichtungen (z.B. 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. Das IfG ist schwerpunktmäßig an folgenden Arbeitsgebieten beteiligt: Teilprojekt 1: Cyclic Load Experiments / AP Exp-3: Laborexperimente an Salzgroßproben Teilprojekt 2 Cyclic Load Modelling: Modellierung zyklischer Belastungen / AP Mod-2: Modellrechnungen (Rückrechnung von Labortests zur Verifizierung der Rechenansätze / Simulation von zyklischem Kavernenbetrieb) Teilprojekt 3: Validierung, Geomechanik & Synthese - auf dem Weg zu Handlungsempfehlungen: AP VGS-1: Data base (Auswertung der vorliegenden Datenbasis für die Verifizierung von Modellansätzen) AP VGS-2: History Match & Prognose der Speicherentwicklung (Bewertung der Ergebnisse, die mit unterschiedlichen Methoden auf verschiedenen Skalen gewonnen wurden.) AP VGS-3: Konsequenzen für UGS Operation (Ableitung von Empfehlungen für den Speicherbetrieb und zukünftige Arbeiten)
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)
Für die Speicherung erneuerbarer Energien in Form von Druckluft oder Wasserstoff können sowohl neue Kavernen gebaut wie auch bestehende Kavernen umgerüstet werden. In beiden Fällen sind sowohl die mechanische Integrität der Kaverne mit dem umgebenden Salinargebirge wie auch die mechanische Integrität der Zugangsbohrung zu belegen. Nicht betrachtet worden ist dabei bislang im Rahmen der Bohrlochauslegung das Verbundtragsystem Kaverne - Bohrloch mit der im Lauf einer jahrzehntelangen Betriebszeit durch die Kavernenkonvergenz induzierten Zusatzbeanspruchung auf den Bohrlochausbau, die zu einem stetigen Sicherheitsverzehr führt und den Erhalt der mechanischen Integrität des Bohrlochausbaus gefährdet. Mit dem Vorhaben soll mit Hilfe von laborativen Untersuchungen und rechnerischen Simulationen ein grundsätzliches Prozessverständnis zur komplexen Interaktion Kavernenbetrieb - Gebirgsdeformationen - Zusatz-Zwangsbeanspruchung des Bohrlochaus erarbeitet werden. AP1 Aufarbeitung der vorhandenen Literatur zum Stand von Wissenschaft und Technik AP2 Entwicklung von kavernenbauspezifischen Referenzsituationen AP3 Laborative Untersuchungen (Bohrlochzemente, Verbund - Bohrlochzement - Steinsalz/Festgestein und Stahl) AP4 Ertüchtigung des Simulationsinstrumentariums (FTK-Simulator) AP5 Entwicklung von repräsentativen großräumigen Berechnungsmodellen mit Gebirgsbau, Kavernenfeldzuschnitt, Materialeigenschaften AP6 Entwicklung von realitätsnahen Speicherprofilen (historisch-Erdgas, prognostisch-Wasserstoff, Druckluft) AP7 Durchführung von Sensitivitätsanalysen und Szenarienanalysen zur Bohrlochausbaubeanspruchung AP8 Erarbeitung von grundlegenden Erkenntnissen zur konvergenzbedingten Bohrlochausbaubeanspruchung und Notwendigkeit ihrer planerischen Berücksichtigung AP9 Schlussbericht AP10 Vorbereitung der fachtechnischen Begleitung
Die Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen wird im Rahmen der großtechnischen Speicherung von elektrischer Energie eine wesentliche Rolle übernehmen. Bei der Bearbeitung des Forschungsvorhabens InSpEE ist bei der gebirgsmechanischen Untersuchung von Wasserstoffkavernen die Frage aufgekommen, welche Auswirkungen ein Störfall hat, bei dem aus gebirgsmechanischer Sicht eine zu starke Abkühlung des Wasserstoffes bei der Entnahme entsteht. Unumstritten ist, dass es zu Zugspannungen in der Kavernenwand und somit zu einer makroskopischen Rissbildung kommen wird. Diese makroskopischen Risse können sowohl horizontal als auch vertikal verlaufen. Es ist davon auszugehen, dass der Wasserstoff in die Risse eindringt und diese in der nächsten Befüllphase mit der damit verbundenen Druckerhöhung erheblich verlängert. Die Frage ist, in wie weit sich ein solcher thermisch induzierter und durchgetriebener Riss ins Salzgestein ausbreiten kann. Ziel des Vorhabens ist es, die gebirgsmechanischen Konsequenzen eines Störfalls während der Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen in Form makroskopischer Risse mit Hilfe eines zu erstellenden numerischen Simulationsmodells zu untersuchen. Das Forschungsprojekt untergliedert sich in zwei Arbeitspakete, welche von jeweils einem Mitarbeiter bearbeitet werden. Das AP 1 umfasst die numerische Simulation von thermisch induzierten und druckgetriebenen Rissen. Dazu werden zunächst die notwendigen Subroutinen für die numerischen Programmen entwickelt und anhand von in situ Daten validiert. Anschließend wird der Einfluss des Durchmessers und der Dachausbildung einer Wasserstoffkaverne auf die Rissausbreitung untersucht. Das AP 2 befasst sich mit der Herstellungsphase einer Kaverne und untersucht das Temperaturfeld zu Beginn des eigentlichen Speicherbetriebes. Es werden numerische Simulationen durchgeführt, welche als Basis für die Risssimulationen dienen. Außerdem werden die Temperaturberechnungen für die einzelnen Simulationen durchgeführt.
Das Projekt InSpEE (IIIC2 - 40003 - 03ESP323A) schafft Grundlagen für die Potentialabschätzung in den Salzstrukturen Norddeutschlands, schließt aber bisher die weitgehend flach lagernden Salzvorkommen in geeigneter Teufenlage (z.B. Nordrhein-Westfalen) aus. Der damit verbundene Ausschluss einer der europaweit größten Speicheranlagen (Epe, NRW) verdeutlicht die Notwendigkeit einer ergänzenden Potentialermittlung und Standortbewertung. Bei der Abschätzung des Speicherpotentials der Doppel- und Mehrfachsalinare (z.B. Schleswig-Holstein) konnte aufgrund geringer Kenntnisse zum inneren Aufbau dieser Strukturen bisher nur der Rotliegend-Anteil berücksichtigt werden. Das Fortsetzungsprojekt besitzt daher das Ziel, die geologische Datenbasis zu erweitern und aufzubereiten, mögliche Kavernenauslegungen zu berechnen und darauf aufbauend eine Potentialabschätzung vorzunehmen und das Informationssystem Salz zu ergänzen. Für die Bearbeitung wird folgender Arbeitsplan vorgesehen: - Detaillierte Recherche zu Erkundungsdaten sowie mineralogisch-geochemische und geomechanische Untersuchungen der Gesteine der Doppel- und Mehrfachsalinare und Darstellung in geologischen 3D-Modellen, - Experimentelle Ermittlung fehlender thermischer Kennwerte für Nicht-Zechstein-Salinare, - Gebirgsmechanische Nachanalyse von Betriebsdaten bestehender Kavernen in Doppel- und Mehrfachsalinaren zur Einschätzung des mechanischen Materialverhaltens, - Anpassung der Kavernenauslegung und der Potentialauswertung des InSpEE-Projektes für Mehrfachsalinare, - Detaillierte Recherche zu Erkundungsdaten sowie mineralogisch-geochemische und geomechanische Untersuchungen der im InSpEE-Projekt nicht berücksichtigten flach lagernden Salinarbereiche in geeigneter Teufenlage, - Anpassung der Kavernenauslegung vor allem hinsichtlich geringerer Mächtigkeit des Salinars, - Weiterentwicklung des Algorithmus zur Potentialabschätzung für flächig ausgebildete flach lagernde Salinarbereiche.
Das Projekt InSpEE (IIIC2 - 40003 - 03ESP323A) schafft Grundlagen für die Potentialabschätzung in den Salzstrukturen Norddeutschlands, schließt aber bisher die weitgehend flach lagernden Salzvorkommen in geeigneter Teufenlage mit geringerer Mächtigkeit (z.B. Nordrhein-Westfalen) aus. Der damit verbundene Ausschluss einer der europaweit größten Speicheranlagen (Epe, NRW) verdeutlicht die Notwendigkeit einer ergänzenden Potentialermittlung und Standortbewertung. Bei der Abschätzung des Speicherpotentials der Doppel- und Mehrfachsalinare (z.B. Schleswig-Holstein) konnte aufgrund geringer Kenntnisse zum inneren Aufbau dieser Strukturen bisher nur der Rotliegend-Anteil berücksichtigt werden. Das Fortsetzungsprojekt besitzt daher das Ziel, die geologische Datenbasis zu erweitern und aufzubereiten, mögliche Kavernenauslegungen zu berechnen und darauf aufbauend eine Potentialabschätzung vorzunehmen und das Informationssystem Salz zu ergänzen. Für die Bearbeitung wird folgender Arbeitsplan vorgesehen: -Detaillierte Recherche zu Erkundungsdaten sowie mineralogisch-geochemische und geomechanische Untersuchungen der Gesteine der Doppel- und Mehrfachsalinare und Darstellung in geologischen 3D-Modellen, -Experimentelle Ermittlung fehlender thermischer Kennwerte für Nicht Zechstein Salinare, -Gebirgsmechanische Nachanalyse von Betriebsdaten bestehender Kavernen in Doppel und Mehrfachsalinaren zur Einschätzung des mechanischen Materialverhaltens, -Anpassung der Kavernenauslegung und der Potentialauswertung des InSpEE-Projektes für Mehrfachsalinare, -Detaillierte Recherche zu Erkundungsdaten sowie mineralogisch-geochemische und geomechanische Untersuchungen der im InSpEE-Projekt nicht berücksichtigten flach lagernden Salinarbereiche in geeigneter Teufenlage, -Anpassung der Kavernenauslegung vor allem hinsichtlich geringerer Mächtigkeit des Salinars, -Weiterentwicklung des Algorithmus zur Potentialabschätzung für flächig ausgebildete flach lagernde Salinarbereiche.
Das Projekt InSpEE (IIIC2 - 40003 - 03ESP323A) schafft Grundlagen für die Potentialabschätzung in den Salzstrukturen Norddeutschlands, schließt aber bisher die weitgehend flach lagernden Salzvorkommen in geeigneter Teufenlage mit geringerer Mächtigkeit (z.B. Nordrhein-Westfalen) aus. Der damit verbundene Ausschluss einer der europaweit größten Speicheranlagen (Epe, NRW) verdeutlicht die Notwendigkeit einer ergänzenden Potentialermittlung und Standortbewertung. Bei der Abschätzung des Speicherpotentials der Doppel- und Mehrfachsalinare (z.B. Schleswig-Holstein) konnte aufgrund geringer Kenntnisse zum inneren Aufbau dieser Strukturen bisher nur der Rotliegend-Anteil berücksichtigt werden. Das Fortsetzungsprojekt besitzt daher das Ziel, die geologische Datenbasis zu erweitern und aufzubereiten, mögliche Kavernenauslegungen zu berechnen und darauf aufbauend eine Potentialabschätzung vorzunehmen und das Informationssystem Salz zu ergänzen. Themenschwerpunkte der Bearbeitung des Verbundpartners KBB UT sind: - Anpassung der Kavernenauslegung und der Potentialauswertung des InSpEE-Projektes für Mehrfachsalinare, - Anpassung der Kavernenauslegung für die im InSpEE-Projekt nicht berücksichtigten flach lagernden Salinarbereiche in geeigneter Teufenlage vor allem hinsichtlich geringerer Mächtigkeit des Salinars, - Weiterentwicklung des Algorithmus zur Potentialabschätzung für flächig ausgebildete Salinarbereiche, - Durchführung der Potentialabschätzung für die Speicherung von Druckluft und Wasserstoff in Salzkavernen für flächig ausgebildete Salinarbereiche, - Projektkoordination. Die im Projekt zusammengestellten Informationen und neuen Untersuchungsergebnisse zur Verteilung und zu den Eigenschaften flach lagernder Salzschichten sowie zum Internbau und zur Zusammensetzung der Doppel-/Mehrfach-Salinare und zur Auslegung der Speicherkavernen werden nach Projektende veröffentlicht und sollen Behörden, der Politik und den Unternehmen eine fundierte Planungsgrundlage für die Auswahl von Salzvorkommen zur Errichtung von Kavernen für die Speicherung von Druckluft, Wasserstoff oder auch (grünem) Methan liefern. Damit wird für zukünftige Projekte auch in Süddeutschland gemäß den Erfordernissen der späteren Nutzung eine wichtige Planungs- und Orientierungsgrundlage geschaffen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 30 |
| Kommune | 1 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 10 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 2 |
| Förderprogramm | 28 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 30 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 30 |
| Englisch | 1 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 2 |
| Keine | 15 |
| Webseite | 15 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 28 |
| Lebewesen und Lebensräume | 27 |
| Luft | 16 |
| Mensch und Umwelt | 30 |
| Wasser | 12 |
| Weitere | 30 |