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Analyse 9.1.2017

Nutzungen des Untergrundes
© Sebastian Bauer

Potenzial des Untergrundes ermitteln

Im Projekt ANGUS+ gehen Wissenschaftler der Frage nach, welches Potenzial unterirdische Speicher haben. Neben der Speicherung von natürlichem und künstlichem Erdgas, Wasserstoff und Druckluft in Kavernen- bzw. Porenspeichern wird auch die Speicherung von Wärme im oberflächennahen Untergrund betrachtet.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Massen- und Wärmespeicherung
Entwicklungsgegenstand Speichermedium
Projektlaufzeit Juli 2012 bis Dezember 2016

Im Rahmen des ANGUS+ Verbundes sollen erste Konzepte für eine unterirdische Raumplanung mit dem Ziel der Nutzung des unterirdischen Raumes als Energie- und Massenspeicher erarbeitet werden. Der Fokus liegt dabei auf der Speicherung von natürlichem und künstlichem Erdgas, Wasserstoff und Druckluft in Kavernenspeichern bzw. Porenspeichern sowie die Speicherung von Wärme im oberflächennahen Untergrund. Dazu werden in einem ersten Schritt Typszenarien definiert und parametrisiert, die als Grundlage für die Berechnungen der Szenarien verwendet werden. Experimentelle Arbeiten tragen zur Bestimmung von thermischen Bodeneigenschaften sowie zum geochemischen Verständnis sowie der Quantifizierung von thermisch induzierten bzw. leckageinduzierten Reaktionen bei. Um die Szenarien simulieren zu können sollen umfassende Entwicklungsarbeiten am numerischen Simulationssystem zur Prozesssimulation durchgeführt werden. Anhand des entwickelten Modellsystems sollen dann die mittelbaren und unmittelbaren Auswirkungen der Energie- und Massenspeicherung im Untergrund untersucht und für diese Typlokationen quantifiziert werden. Anhand der ausgeführten Szenarien werden die Auswirkungen einzelner und sich beeinflussender Speicheroptionen ermittelt und mit der an der Erdoberfläche bestehenden Infrastruktur und den ausgewiesenen Schutz- und Vorranggebieten verknüpft.

Derzeitiger Stand des Projektes ANGUS+

In Laborversuchen wurden die geochemischen Folgereaktionen von Energiespeichern, die thermische Beeinflussung des Mobilitätsverhaltens von Schadstoffen und Spurenelementen sowie das zeitliche Verhalten mikrobiologischer Gemeinschaften im Fall von Druckluftleckagen untersucht. Für die Messung mechanischer Parameter thermisch und mechanisch beanspruchter Böden und Gesteine wurden Laborversuche konzipiert und zum Teil aufgebaut, auch hier wurden erste Ergebnisse erzielt. Die bereits quantifizierten Parameter zur Charakterisierung des geologischen Untergrundes werden in einer Datenbank zusammengeführt und stehen für die Szenarienanalyse zur Verfügung. Zur Parametrisierung der oberirdischen Infrastruktur wurde ein Web-basiertes räumliches Informationssystem aufgebaut und befindet sich im inhaltlichen Ausbau.

In der Modellentwicklung wurde der Code des Simulationswerkzeuges OpenGeoSys parallelisiert sowie eine Erweiterung zur Simulation von Mehrphasen-Mehrkomponentensystemen abgeschlossen, verifiziert und für Szenariensimulationen verfügbar gemacht. Eine genaue Repräsentierung der Eigenschaften von Speichergasen sowie deren Wechselwirkung mit dem vorhandenen Porenfluid wurde implementiert, und geochemische Module wurden zur Simulation temperaturinduzierter geochemischer Prozesse angepasst. Im Rahmen der Entwicklung  geophysikalischer Monitoringmethoden wurden Codes zur seismischen Inversion sowie zur Vorwärtsberechnung von seismischen Wellenfeldern erweitert, parallelisiert und verifiziert, sodass nun die Bearbeitung realistischer Standorte möglich ist.

Erste realistische Szenarien zur Speicherung von Wasserstoff in porösen Gesteinsformationen sowie vereinfachte Szenarien zur Gasspeicherung in Salzkavernen und zur Leckage von Gasen und Fluiden in oberflächennahe Grundwasserleiter wurden berechnet und auf ihre Auswirkungen hin analysiert. Die Detektierbarkeit solcher Leckagen mittels verschiedener geophysikalischer Methoden wurde getestet und quantitativ bewertet. Ebenfalls wurden erste realistische Szenarien zur Speicherung von Wärme als Hochtemperaturspeicherung in tieferen geologischen Schichten  berechnet, die Definition komplexer Szenarien zur oberflächennahen Wärmespeicherung wird derzeit erarbeitet. In Auswirkungsstudien zur Wärmespeicherung wurden bereits Szenariensimulationen der Wechselwirkung kontaminierten Grundwassers mit einer zyklischen thermischen Speicherung durchgeführt.

Projektkontext

Ausgangspunkt ist die inzwischen erkannte Notwendigkeit, auch unterirdische Räume planerisch zu gestalten und so Vorzugsnutzungen ausweisen zu können und Nutzungskonflikten frühzeitig begegnen zu können. Dafür sind Konzepte notwendig, die eine Planung des Untergrundes überhaupt erst zulassen. Diese sollen in diesem Projekt mit vorbereitet werden, indem Optionen einer Untergrundnutzung numerisch anhand von Szenarien-Simulationen, die auf realistisch parametrisierten Daten beruhen, ausgeführt werden. Noch unbekannte Prozessparameter werden anhand von experimentellen Untersuchungen zu geomechanischen und geochemischen Experimenten ermittelt.

Im ANGUS+ Projekt sind daher als Projektpartner mit ihrer jeweiligen Expertise beteiligt: Das Institut für Geowissenschaften der Universität Kiel, das Geographische Institut der Universität Kiel, das Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ in Leipzig, das Helmholtz Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungszentrum GFZ sowie die Ruhr-Universität Bochum.

Forschungsfokus

Der Forschungsansatz des ANGUS+ Projektes ist sehr breit und beruht auf der Bewertung von Speicheroptionen anhand von numerisch ausgeführten Speicherszenarien im geologischen Untergrund, die auf ihre Umweltauswirkungen und auf eventuelle Nutzungskonkurrenzen um z. B. Speicherstandorte hin untersucht und bewertet werden sollen. Dazu müssen zum einen die Grundlagen der Parametrisierung solcher Standorte erarbeitet werden, zum anderen die entsprechenden Simulationsmodelle entwickelt werden, um die stattfindenden Prozesse physikalisch und chemisch nachbilden zu können. Anhand der ausgeführten Szenarien können dann die einzelnen Speicheroptionen untersucht werden.

Teilvorhaben

Das Vorhaben ist untergliedert in die vier Teilbereiche Parametrisierung, Modellentwicklung, Szenarienanalyse und Raumplanung des Untergrundes. Im Teilbereich Parametrisierung sollen für die betrachteten Speicheroptionen zur Wärme-, Methan- und Wasserstoffspeicherung jeweils die notwendigen Prozessparameter entweder aus bestehender Literatur oder anhand eigener Messungen ermittelt werden. Dies schließt auch eine Auswahl geeigneter Speicherformationen ein.

Für die genannten Speicheroptionen sollen im Teilbereich Modellentwicklung die zur Prozesssimulation notwendigen Werkzeuge entwickelt und getestet werden. Dazu müssen die ablaufenden thermischen, hydraulischen, geochemischen und geomechanischen Prozesse quantifiziert und in numerischen Programmen implementiert werden.

Durch Zusammenführen der Arbeiten zur Parametrisierung und zur Modellerstellung können dann im Teilbereich Szenarienanalyse Nutzungsszenarien definiert und numerisch ausgeführt werden. Anhand der erzielten Simulationsergebnisse lassen sich diese Szenarien schließlich im Teilbereich Raumplanung des Untergrundes nach Kriterien einer Untergrundnutzung bewerten und Handlungsoptionen ausarbeiten.

Projektwebseite und Literaturhinweise

Projektwebseite: angusplus.de

Bauer, S., Beyer, C., Dethlefsen, F., Dietrich, P., Duttmann, R., Ebert, M., Feeser, V., Görke, U., Köber, R., Kolditz, O., Rabbel, W., Schanz, T., Schäfer, D., Würdemann, H., Dahmke, A. (2013). Impacts of the use of the geological subsurface for energy storage: an investigation concept. Environmental Earth Sciences, 70(8), 3935–3943, doi:10.1007/s12665-013-2883-0. Verfügbar unter folgendem Link.