Laufende Forschungsprojekte

Zentraler Aspekt des Gründungsvorhabens Energie 1 "Smart Solar Geothermal Energy Grid Ruhr (GeoSmaGriR)" ist die Speicherung von saisonaler Wärme aus Fernwärmenetzen im Grubengebäude des ehemaligen Steinkohlebergbaus. Durch die saisonale Zu- und Abfuhr von Wärme in und aus Untertagespeichern kommt es zu einer zyklischen thermischen Belastung der Speichergesteine und -flüssigkeiten. Dies erfordert eine geowissenschaftliche Charakterisierung und thermohydro-mechanische Modellierung des Bergwerks, um zuverlässige Vorhersagen über die langfristige Reservoirintegrität im Rahmen der saisonalen Wärmespeicherung zu ermöglichen. Ziel des KMU-Projektes ist die Vorhersage des geomechanischen Verhaltens des Untergrundes bei der Wärmespeicherung auf der Basis verfügbarer geologischer Untersuchungen, Spannungsfeldmessungen und grossräumiger thermohydraulischer Untergrundmodelle. Die generischen Untergrundmodelle für das Ruhrkarbon werden unter Berücksichtigung der geologischen Komplexität in numerische Simulationen auf der Basis der Finite- und erweiterten Finite-Elemente-Methode überführt. In großräumigen Modellen werden zum einen das zu erwartende Temperatur- und Porendruckfeld um die Injektionsstellen simuliert, zum anderen werden Änderungen der Spannungen aufgrund der thermischen Ausdehnung des Gesteins und des geänderten Porendrucks abgeleitet. Dies wiederum kann dazu verwendet werden, Oberflächenverschiebungen und potenziell geomechanisch kritische Bereiche im Gebirge zu lokalisieren, das Reaktivierungspotenzial für bestehende Störungen abzuleiten und die Wahrscheinlichkeit der Entstehung neuer Störungszonen abzuschätzen.


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Bei der geothermischen Energiegewinnung aus tiefen Lagerstätten muss man mit Flüssigkeiten umgehen, die meist stark salzhaltig sind. Diese Lösungen werden unter neuen Druck- und Temperaturbedingungen in die Lagerstätte reinjiziert. Die Zirkulation der thermischen Flüssigkeit in der Lagerstätte ist unerlässlich, um einen nachhaltigen, langfristigen Betrieb unter wirtschaftlich vertretbaren Druckbedingungen zu gewährleisten. Im Zuge dieser Reinjektion kann es zur Ausfällung von Mineralien im Bruch-, Poren- und Rissnetzwerk des geothermischen Reservoirs kommen (Reservoir Scaling). Mit dem Reservoir-Scaling verändern sich die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften des Gebirges, so dass die Gebirgsdurchlässigkeit deutlich reduziert werden konnte. Im Rahmen dieses Teilprojektes werden auf Basis der Untersuchungen der Netzwerkpartner Modelle zur Beschreibung des variablen Verformungsverhaltens von Diskontinuitätsflächen entwickelt. Die abgeleiteten Modelle werden in eine bestehende Softwareumgebung (Roxol) implementiert und dann zur Beschreibung des sich ändernden geomechanischen Verhaltens der bohrnahen Region verwendet.


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Für das Projekt STIMTEC werden hydraulische Stimulationsmethoden optimiert und weiterentwickelt. Auch die ablaufenden hydromechanischen Prozesse werden charakterisiert. Es ist geplant, die Entstehung und Ausbreitung von hydraulischen Pfaden unter bekannten Randbedingungen in Feldversuchen zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden in einem unterirdischen Forschungslabor Bohrungen niedergebracht, die für kontrollierte Stimulationsversuche genutzt werden sollen. Im Anschluss an die Tests sind Validierungsbohrungen geplant, um die Auswirkungen der Stimulationen zu überprüfen. Die Untersuchungen werden durch hydraulische Pumpversuche, Laborexperimente, ein hochauflösendes seismisches Monitoring und numerische Modellierung begleitet. Durch anschließende Bohrungen in ein stimuliertes Gebiet ist erstmals der eindeutige Nachweis der wirkenden hydromechanischen Prozesse und der damit verbundenen seismischen und hydraulischen Fingerabdrücke möglich. STIMTEC ist in fünf Teilprojekte mit insgesamt sieben Arbeitspaketen unterteilt. Nach der geologischen und strukturgeologischen Erkundung werden in einem ausgewählten Abschnitt des Bergwerks mehrere Bohrungen niedergebracht. Mit Pumpversuchen sollen die hydraulischen Ausgangsparameter der Bohrungen ermittelt werden. Darüber hinaus wird ein Überwachungsnetz aufgebaut, um seismische und akustische Signale während der Stimulation aufzuzeichnen. Nach Abschluss der Stimulationsexperimente werden sogenannte Validierungsbohrungen abgeteuft und zusätzliche Pumpversuche durchgeführt, um die wirkenden hydromechanischen Prozesse einzugrenzen und die entsprechenden diagnostischen Phänomene zuzuordnen. Die Arbeiten werden von Laborexperimenten und numerischen Simulationen begleitet. Die Möglichkeit, erstmals ein Gesteinspaket direkt nach der hydraulischen Stimulation zu untersuchen, lässt einen erheblichen Erkenntnisgewinn über die Stimulationsprozesse im Feldmaßstab erwarten. Das Ergebnis ist ein Konzept zur optimierten Durchführung und Überwachung der hydraulischen Stimulation.


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Das Horizon 2020-Projekt S4CE zielt auf die Entwicklung, Erprobung und Umsetzung von Technologien zur erfolgreichen Entdeckung, Quantifizierung und Reduzierung der Risiken im Zusammenhang mit Geoenergieprojekten im Untergrund ab. Die vom Konsortium untersuchten Projekte stammen aus den Bereichen geothermische Energie, verbesserte Gasgewinnung, Kohlenstoffbindung und Förderung unkonventioneller Kohlenwasserstoffe. In seinen Arbeitspaketen untersucht geomecon die Seismizität in der Umgebung der geothermischen Bohrung in St.Gallen (Schweiz), die entweder durch einen Gaskick oder eine poroelastische Spannungsübertragung durch die Injektion induziert wurde.


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Der Erfolg der Nutzung geothermischer Energie nach dem Hot Dry Rock (HDR)/ Enhanced Geothermal System (EGS)-Ansatz beruht auf dem sicheren Bohren der Bohrung und der erfolgreichen Schaffung von Flüssigkeitspfaden. Die Mehrfachbruchmethode wird als innovativer Ansatz zur Schaffung dieser Fluidpfade diskutiert. Beim Mehrfachbruchkonzept werden zwei parallele Bohrlöcher (Dubletten) in der Lagerstätte durch mehrere hydraulisch erzeugte Risse verbunden; die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert durch dieses System von Bohrlöchern und hydraulisch verbundenen Rissen. Je nach den geologischen Randbedingungen kann es notwendig sein, die Bohrlöcher abgelenkt zu versenken. Während die Machbarkeit der einzelnen technischen Komponenten eines solchen Geothermie-Expositionskonzeptes bereits gezeigt wurde, ist dieses Verfahren in der Kombination der einzelnen Komponenten für die geothermische Nutzung im Norddeutschen Becken noch nicht angewendet worden. Ziel des vorgeschlagenen Forschungsverbundes ist es daher, durch systematische Erforschung der Zielhorizonte von Westfal B / C im Norddeutschen Becken durch Laborversuche (RUB) ein geothermisches Gesamtkonzept auf der Basis des Multi-Crack-Verfahrens zu entwickeln und die aus den Laborversuchen gewonnenen Erkenntnisse mit numerischen Simulationen auf in-situ-Bedingungen zu skalieren (geomecon GmbH). Die Forschungsarbeiten sollen grundlegende Fragen für den Multi-Crack-Prozess beantworten, die sich unter Berücksichtigung der geologischen und verfahrenstechnischen Randbedingungen für Tiefengeothermieprojekte im Norddeutschen Becken ergeben. Die Ergebnisse sollen zu einem grundlegenden Systemverständnis für geothermische Anwendungen dieser Stimulationstechnik im Norddeutschen Becken führen.


 

In NRW sind Karbonate in Tiefen mit für eine geothermische Wärmenutzung ausreichenden Temperaturen großflächig vorhanden. Diesen widmet sich das Projekt KarboEx. Im Gegensatz zur Bayrischen Molasse sind die Karbonate in NRW noch nicht ausreichend exploriert. Exploration ist grundsätzlich eine kostenintensive Aufgabe, insbesondere wenn es um größere Flächen geht. Das vorgeschlagene Projekt fußt demensprechend zunächst ausschließlich auf der Aufbereitung vorhandener Daten mit dieser neuen Zielrichtung. Dies sind etwa 1.000 km 2D Seismik, 29 3D-seismische Messungen und 1.300 Tiefbohrungen aus der Steinkohleexploration und Erkenntnissen aus dem Steinkohleabbau (bergmännisches Risswerk). Weitere vorhandene Daten z.B. aus Analogaufschlüssen werden berücksichtigt. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens können (bei verglichen mit den üblichen Kosten einer Neuexploration vergleichsweise kleinem Aufwand) geothermische Potentiale der Karbonate des Karbon und Devon in NRW abschätzen und weitere Explorationstätigkeit steuern. Letztliches Ziel ist die Schaffung von Voraussetzungen zur Errichtung einer größeren Zahl von Heizzentralen an geeigneten Standorten (Quartierslösungen) und der Ersatz fossiler Wärmequellen wie Kohle- oder Gas-KWK durch eine erneuerbare Wärmequelle.


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