Angewandte Geowissenschaften - Aquatische Geochemie und Hydrogeologie

Abgeschlossene Projekte

ANGUS+

Auswirkungen der Nutzung des Geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher im Kontext der Energiewende - Dimensionierung, Risikoanalysen und Auswirkungsprognosen als Grundlagen einer zukünftigen Raumplanung des Untergrundes

Für die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energiequellen im Zuge der Energiewende werden neue Methoden und Technologien zur Energiespeicherung benötigt. Untertägige Speichersysteme wie z.B. Salzkavernen zur Speicherung von Wasserstoff, synthetischem Methan oder Druckluft sowie poröse Formationen zur Speicherung von Wärme und Gasen können potentiell große Speicherkapazitäten ermöglichen. Zur Nutzung dieser Systeme ist ein angemessenes System- und Prozessverständnis erforderlich, um die gekoppelt ablaufenden Prozesse und die z.T. komplexen Auswirkungen auf Schutzgüter wie z.B. das Grundwasser vorhersagen zu können. Dieses Prozessverständnis ist die Basis für eine Bewertung der Potentiale und Risiken, die mit diesen Speicheroptionen verbunden sind, wobei insbesondere mögliche Interaktionen der verschiedenen Speicher zu berücksichtigen sind.

Die übergeordneten Ziele des Verbundprojektes sind: 

  • die Parametrisierung unterirdischer Räume für die prozessorientierte Betrachtung als Datenbasis der Bewertung der unterirdischen Speicher, 
  • die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung eines numerischen open-source Modells zur Prognose der induzierten gekoppelten thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen Prozesse
  • die  Definition  von  realistischen  Szenarien  zur  Nutzung  des  geologischen Untergrundes  als  Energiespeicher.  Diese  Szenarien  werden  numerisch  simuliert  und im Hinblick auf Risikoanalyse und Auswirkungsprognosen ausgewertet
  • die Ableitung und Validierung von geeigneten Umweltmonitoring- und Interventionskonzepten für die betrachteten Speicheroptionen
  • die  Konzeption  einer  Methodik  und  Erstellung  von  zwei  Leitfäden  für  eine  großskalige  und  holistische  Raumplanung  des  Untergrundes  mit verschiedenen, z.T. konkurrierenden  Nutzungsszenarien  unter  Berücksichtigung  der  Belange  einer bestehenden  oberirdischen  Raumplanung  (im  Sinne  der Landesraumordnungsplanung),  um  die  Ergebnisse  des  Projektes  auch  für  den  verwaltungsrechtlichen Vollzug  und  allgemein  die  „Praxis“  verfügbar  zu machen.  Dies  schließt  die Berücksichtigung  der  gegenseitigen  Beeinflussung  der  verschiedenen  unterirdischen Nutzungsmöglichkeiten,  entweder  im  Fall unterschiedlicher  Nutzungen  (Geothermie und  Trinkwasser;  Wasserstoffspeicherung  und  Druckluftspeicherung)  oder  gleicher Nutzungen (nahe liegende Kavernenspeicher; Geothermie im verdichteten städtischen Bereich) ein. Der erste Leitfaden soll dabei als Schwerpunkt die tiefen unterirdischen Speicheroptionen umfassen  und  auch  deren  potenzielle  Umweltauswirkungen beschreiben.  Der  zweite  Leitfaden  soll  als  Schwerpunkt  die  oberflächennahe unterirdische Wärmespeicherung behandeln.

Laufzeit:

  • 07/2012 - 06/2017

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Geographisches Institut
  • Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ GmbH
  • Helmholtz Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungszentrum GFZ GmbH
  • Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik

Förderung:

Das Projekt ANGUS+ wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Forschungsinitiative Energiespeicher der Bundesregierung.

Projektwebsite:

angus-projekt.de

CLEAN

Verbundvorhaben Leuchtturmprojekt CO2-EGR Altmark: CO2 Largscale EGR in the Altmark Natural-gas field

Das Verbundprojekt CLEAN hatte zum Ziel, (1) die Möglichkeiten der Mobilisierung konventionell nicht förderbarer Erdgasmengen zur Steigerung der Erdgasförderung zu testen, und (2) die generelle Tauglichkeit der Lagerstätte für die Injektion und Speicherung als auch die generelle Injizierbarkeit von CO2 zu untersuchen. Im Rahmen des Pilotvorhabens war geplant, nahezu 100.000 Tonnen CO2 in das Teilfeld Altensalzwedel zu injizieren.
Der Forschungsschwerpunkt von CLEAN lag dabei in der Entwicklung und Optimierung geeigneter Technologien und Verfahren (1) zur optimalen CO2-Injektion in Bezug auf eine größtmögliche Ausbeute des Erdgasreservoirs, (2) zur technischen Überwachung der CO2-Ausbreitung in der Lithosphäre unter Berücksichtigung umweltrelevanter Prozesse, (3) zur Realisierung eines Langzeitbohrungsverschlusses, (4) zur Ermittlung und Beurteilung der 
Bohrungsintegrität älterer Bohrungen sowie (5) der Untersuchung, Beschreibung und Bewertung aller mit der CO2 -Injektion und der Verdrängung von Erdgas verbundenen Prozesse. Darüber hinaus sollte durch die Weiterentwicklung der wissenschaftlichen opensource Software OpenGeoSys und deren Anpassung speziell an Reservoirmodellierungen ein effektives Simulationswerkzeug für künftige EGR- und CO2-Speicherprojekte zur Verfügung gestellt werden.

 

Laufzeit:

  • 07/2008 - 06/2011

Projektpartner:

  • GFZ Potsdam
  • BGR Hannover
  • DBI gGmbH Freiberg
  • DMT GmbH Essen
  • FU Berlin
  • GDF SUEZ E&P GmbH
  • GICON GmbH Dresden
  • IFINKOR gGmbH Iserlohn
  • TU Clausthal
  • TU Dresden
  • UFZ Leipzig
  • Universität Erlangen-Nürnberg
  • Universität Halle-Wittenberg
  • Universität Jena
  • Universität Kiel
  • Universität Tübingen

Förderung:

Dieses Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Teil des CLEAN Projektes im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN Programms.

 

CO2-Leckageversuch

CO2-Leckageversuch in einem oberflächennahen Grundwasserleiter zur Erprobung von Monitoringkonzepten und -methoden
 

  • TP A (CAU): Monitoringkonzept und Auswertung des Injektionsversuchs

  • TP B (GICON): Auslegung, Durchführung und Auswertung des Injektionsversuchs

  • TP C (UFZ): Standorterkundung, Mehrphasensimulation und Monitoring

Für die Akzeptanz neuer Technologien, wie z.B. der Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Formationen (CCS), ist eine fundierte Gefährdungsabschätzung für potenzielle Leckagefälle unerlässlich. Die Untersuchung der Auswirkungen von CO2-Einträgen in oberflächennahen Grundwasserleitern unter kontrollierten Bedingungen ist daher ein wichtiger Beitrag für die Gefährdungsabschätzung derartiger Technologien. Im Rahmen des Projektes wurde daher ein zeitlich limitiertes, kleinräumiges Feldexperiment durchg eführt, bei dem unter kontrollierten Bedingungen gasförmiges CO2 in einen flachen Grundwasserleiter injiziert wurde, um (a) die geochemischen Auswirkungen auf das Grundwasser zu beobachten, (b) verschiedene Monitoringmethoden anzuwenden, (c) geochemische Transportmodelle zu validieren und kalibrieren und (d) mikrobiologische Untersuchungen zur Auswirkung von CO2 auf Mikroorganismen durchzuführen.

Die Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität der im Untergrund ablaufenden Prozesse sehr gut und leisten einen Beitrag für das Prozessverständnis. Während unter Annahme geochemisch vereinfachter Bedingungen modellbasierte Abschätzungen der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Monitoring-Proxies (TIC, pH, LF) möglich sind, konnten trotz detaillierter Standortkenntnis nicht alle geochemischen Prozesse in dem Maße parametrisiert und prognostiziert werden, um zusätzlich  belastbare Gefährdungsabschätzungen auch standortübergreifend innerhalb einer umfassenden reaktiven 3D-Modellierung zu ermöglichen. Es konnten Methoden zur Detektion einer Leckage wie z.B. Geoelektrik und Isotopenanalysen erprobt werden, die prinzipiell sowohl für einen großskaligen Einsatz in Frage kommen aber auch für kleinräumige Bereiche wie Altbohrungen oder Klüfte angewendet werden können. Für ein detailliertes Verständnis der komplexen CO2-Gasphasenbewegung wurden zudem erfolgreich Mehrphasensimulationen in Kombination mit der Geoelektrik durchgeführt.

Laufzeit:

  • 01/2009 - 12/2011

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ Leipzig, Department Monitoring- und Erkundungstechnologien
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ Leipzig, Department Isotopen-Biogeochemie
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ Halle, Department Bodenphysik
  • GICON GmbH, Dresden

Förderung:

Dieses Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, FKZ 03G0670A-C) im Rahmen der Programms GEOTECHNOLOGIEN

CO2-MOPA

Modellierung und Parametrisierung von CO2-Speicherung in tiefen, salinen Speichergesteinen für Dimensionierungs- und Risikoanalysen

Für die Akzeptanz neuer Technologien, wie z.B. der Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Formationen (CCS), ist eine fundierte Gefährdungsabschätzung und Risikoanalyse unerlässlich. Dazu sind u. A. Monitoringstrategien und Konzepte während und nach einer Injektion sowohl für den Regelfall als auch zur Erkennung möglicher Leckagen notwendig. Das Testen und Bewerten solcher Strategien ist dabei an bestehenden Standorten schwierig, da immer nur eine unzureichende Kenntnis der Parameter, insbesondere der räumlich verteilten geologischen Parameter, sowie der tatsächlich ablaufenden Prozesse besteht. Ein Testen der entsprechenden Methoden kann aber anhand synthetischer numerischer Modellstudien vorgenommen werden, da in diesen Fällen die Parametrisierung und die ablaufenden Prozesse exakt bekannt sind. Der Modellierung und numerischen Simulation von Injektion und Ausbreitung des CO2 im geologischen Untergrund kommt dabei eine entscheidende Bedeutung für das Verständnis der dabei auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufenden physiko- chemischen Prozesse sowie für die Beurteilung von Effizienz und Sicherheit der ausgewählten Speicher zu. Zur Durchführung dieser Simulationen sind sowohl die entsprechenden Simulationsprogramme als auch die Parametrisierung notwendig.

Im Rahmen des Projektes wurde daher die Parametrisierung als auch numerische Simulation der ablaufenden gekoppelten thermo-hydro-mechanisch-chemischen Prozesse im Reservoir betrachtet. Die Parametrisierung von räumlichen geologischen Strukturen wurde am Beispiel Schleswig-Holsteins untersucht. Zur Parametrisierung wurden umfassend Daten und Literatur zu allen notwendigen Parametern ausgewertet und insbesondere Bedingungen für eine konsistente geochemische Parametrisierung untersucht. Anhand von im Projekt durchgeführten Versuchen wurden geomechanische Prozesse als auch kinetische Minerallösung experimentell quantifiziert. Zur numerischen Simulation der CO2-Speicherung wurde ein Modellinstrumentarium entwickelt, dass die ablaufenden Prozesse abbilden kann. Hierzu wurden die entsprechenden Prozesskopplungen implementiert und ihre Auswirkung quantifiziert. Die bei einer CO2-Speicherung zu erwartenden Effekte wurden sowohl durch ein hydraulisches Monitoring als auch ein geophysikalisches Monitoring anhand von synthetischen Seismik-, Geoelektrik- und Schweremessungen ausgewertet. Anhand eines virtuellen Standortes wurde schließlich der gesamte Ablauf von der geologische- geometrischen Parametrisierung, der Prozessparametrisierung und der numerischen Simulation mit anschließender Auswertung der auftretenden Effekte sowie der Strategien zu deren Monitoring durchgeführt und somit dessen Anwendung demonstriert.

Laufzeit:

  • 04/2008 - 03/2011

Projektpartner:

  • Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ
  • Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
  • Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein

Förderung:

Das Projekt CO2-MoPa wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), EnBW Energie Baden-Württemberg AG, E.ON Energie AG, E.ON Gas Storage AG, RWE Dea AG, Vattenfall Europe Technology Research GmbH, Wintershall Holding AG and Stadtwerke Kiel AG im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN Programms.

 

 

KOPOXI

Entwicklung eines In-Situ-Grundwassersanierungsverfahrens zur Unterstützung natürlicher Schadstoffminderungsprozesse in der Schadstofffahne durch Kombination einer Permanenten Oxidationsmittel-Emissions-Wand mit einer Oxidationsmittel-Injektion

  • TP: Reaktive Transportmodellierung zur Auslegung von Gips-OEWs und Sulfatinjektionen sowie der erforderlichen Monitoringmaßnahmen mit Hilfe eines neuen Modellansatzes unter Berücksichtigung wichtiger Nebenreaktionen

Laufzeit:

  • 01/2012 - 12/2015

Projektpartner:

  • Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH UFZ
  • GICON Grossmann Ingenieur Consult GmbH
  • IUP Ingenieure GmbH

NAPASAN

Einsatz von Nano-Partikeln zur Sanierung von Grundwasserschadensfällen

  • TP: Charakterisierung des Transportverhaltens und Aufbau eines numerischen Modells

Das  Verbund-Projekt  NAPASAN war in verschiedene Arbeitspakete und Teilprojekte mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten, wie Herstellung und Charakterisierung, Ausbreitung von Nanopartikeln im Untergrund, In-Situ-Messtechnik, Modellerstellung und Feldanwendung untergliedert. Neben einer ökonomischen Herstellung geeigneter Partikel war deren Verhalten im Wasser als Trägermedium und im Boden-Wasser/Schadstoff-System als Sanierungsziel detailliert zu untersuchen. Im Rahmen von umwelttoxikologischen Untersuchungen wurden die Auswirkungen der dabei verwendeten Nanopartikel auf die Umwelt untersucht, Messtechniken zum quantitativen Nachweis der Partikel im Boden entwickelt und bestehende Messgeräte für den Einsatz der neuen Techniken modifiziert.

Die Forschungsschwerpunkte des TP der CAU lagen auf der experimentellen Charakterisierung des Transportverhaltens der neu entwickelten Nanoeisenpartikel im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Produkten sowie der Parametrisierung der wesentlichen steuernden Einflussgrößen. Aufbauend auf den experimentellen Grundlagen sollte ein numerisches Modell entwickelt werden, um das Transport- und Reaktionsverhalten des Nanoeisens unter verschiedenen Randbedingungen prognostizieren zu können. Die experimentellen Untersuchungen und die Modellentwicklung zielten darauf ab, das Anwendungspotential der neu zu entwickelnden Nanopartikel (NAPASAN-Partikel) zu beurteilen und anhand von Prognosen für unterschiedliche Standortgegebenheiten die Anwendbarkeit dieses Sanierungsverfahrens einschätzen und standortspezifisch optimieren zu können.

Laufzeit:

  • 05/2010 - 10/2013

Projektpartner:

  • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Geowissenschaften
  • Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau, VEGAS
  • Universität Stuttgart, Institut für Theorie der Elektrotechnik
  • Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz
  • DECHEMA e. V., Karl-Winnacker-Institut (KWI)
  • DVGW Technologiezentrum Wasser (TZW)
  • RWTH Aachen (Unterauftrag TZW) Institut für Umweltforschung, Abtlg. Ökosystemanalyse
  • Fa. UVR-FIA GmbH, Freiberg
  • FUGRO CONSULT GMBH
  • IBL Umwelt- und Biotechnik GmbH
  • Hermes Messtechnik (Unterauftrag Fa. Fugro)

Förderung:

Dieses Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, FKZ 03X0097D) im Rahmen der Ausschreibung "NanoNature (Nanotechnologien für den Umweltschutz – Nutzen und Auswirkungen) innerhalb des Rahmenprogramms WING (Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft)