Bei der tiefen geothermischen Energiegewinnung ist die Rückführung geförderter Reservoirfluide nach der Energieausbeute Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des Fluiddrucks im Reservoir und damit für eine langjährige Nutzung. Diese ist Gegenstand des Forschungsvorhabens ReSalt.

Steckbrief

Wesentliche Forschungsschwerpunkte

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis des zeitlichen Verhaltens kluftdominierter Reservoire sowie der Interaktion zwischen chemischer Zusammensetzung des Reservoirfluids und den physikalischen Randbedingungen des Reservoirs (z. B. Druck und Temperatur) in Abhängigkeit zum Reinjektions- und Förderdruck zu erlangen. Die Arbeitsergebnisse sollen die Prognosemöglichkeiten und die verfahrenstechnische Beherrschbarkeit des Reservoirverhaltens verbessern. Dabei spielt die Analyse und Beurteilung der Permeabilitätsentwicklung bei variierenden p/T-Bedingungen eine zentrale Rolle. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Bewertung der Permeabilität von geklüfteten Reservoiren und deren Änderung durch thermische, mechanische und chemische Wechselwirkungen. Die dazu nötigen experimentellen, analytischen und numerischen Untersuchungen erfolgen anhand von Modellsystemen und Referenzmaterialien. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen erlauben die Parametrisierung und Validierung numerischer Modelle, welche letztlich durch ebenfalls zu entwickelnde Skalierungsverfahren eine Übertragung auf komplexe Reservoirsysteme ermöglichen.  

Es kann im Zuge der Reinjektion von Fluiden unter veränderten Temperatur- und Druckbedingungen zur Fällung von Mineralphasen kommen, wodurch die Wegsamkeiten im Reservoir allmählich verschlossen werden. Dieses als Reservoirscaling bekannte Phänomen gehört zu den kritischsten limitierenden Faktoren für die nachhaltige Nutzung tiefer geothermischer Ressourcen. Unklar ist bisher, welche Rolle dabei Kristallkeime spielen, die sich bereits oberirdisch durch die Temperaturabsenkung bei der Energieentnahme bilden. Da die heterogene Keimbildung energetisch bevorzugt ist, sind bei Übersättigung der geothermalen Wässer zunächst kristalline Ablagerungen an den Innenwänden von Rohrleitungen die Folge. Jedoch führen turbulenzbedingte Inhomogenitäten bzw. mechanische Störungen auch zur spontanen Bildung freischwimmender Keimkristalle, von denen ein signifikanter Teil von der Strömung mitgerissen und in das Reservoir reinjiziert wird. Dort können sich die typischerweise nano- bis mikrometergroßen Kristallite einerseits durch Filtereffekte kumulieren und andererseits als Kristallisationszentren für Zementationsprozesse fungieren und damit erheblich zum Reservoirscaling beitragen. Dieses Teilprojekt widmet sich daher der Untersuchung der grundlegenden Prozesse, welche zur Bildung kristalliner Phasen bei Abkühlung geothermaler Lösungen führen, und den hydromechanischen Auswirkungen bei Reinjektion entsprechend kristallkeimbelasteter Wässer in das Reservoir. 

Teilvorhaben

• Hydraulische, mechanische und mineralogische Charakterisierung und Modellierung reaktiver Reservoirsysteme

• Mikrotomographische Quantifizierung von Fällungsprozessen und reaktive Simulation der induzierten Porositäts-/Permeabilitätsänderung

• Experimentelle und numerische Untersuchungen des hydraulischen, mechanischen und chemischen Verhaltens von Riss-Matrix­Systemen

• Kristallkeimbildung und Filterprozesse in geothermischen Systemen

• Modellierung des Deformationsverhaltens von Trennflächen

Koopertionspartner

• Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Material- und Geowissenschaften - Institut für Angewandte Geowissenschaften - Fachgebiet Angewandte Geothermie

Ziel von 'ReSalt' ist es, ein grundlegendes Verständnis des Reservoirscalings zu erarbeiten und die Interaktion zwischen der Hydrochemie des Thermalfluids und den Reservoirgesteinen und dessen Auswirkungen in Abhängigkeit von Reinjektions- und Förderdruck und -temperatur zu quantifizieren. So sollen die Prognosemöglichkeiten und die verfahrenstechnische Beherrschbarkeit von Reservoirscaling verbessert werden. Dabei spielen die Analyse und Beurteilung der Veränderung der Permeabilität und Gebirgsmechanik bei variierenden p/T-Bedingungen eine zentrale Rolle. Die mit ReSalt entwickelten Verfahren und Methoden sollen bei geplanten, in der Erschließung und im Betrieb befindlichen Geothermiekraftwerken zum Einsatz kommen. Die Ergebnisse sollen darüber hinaus in die Definition von Folgeforschungsvorhaben und die industrielle Begleitforschung zur Optimierung des experimentellen Designs einfließen und helfen, die erzielten Ergebnisse auf Kristallingesteine zu übertragen und zu generalisieren. Aus der generellen Ausrichtung ergeben sich somit folgende Teilziele:

1. Grundlegendes physikalisches-chemisches Prozessverständnis des Reservoirscalings sowie dessen Auswirkungen auf die Reservoireigenschaften (Teilprojekt I: Grundlagenverständnis)
2. Evaluierung und Entwicklung von Verhinderungsmethoden von Reservoirscaling wie z.B. Druck- und Temperaturänderungen, Stimulationsmechanismen oder dem Einsatz von Zuschlagstoffen zur Verhinderung von Ausfällungsreaktionen (Teilprojekt II: Verhinderungsmethoden)
3. Entwicklung von Simulationswerkzeugen für Reservoirscaling mittels experimenteller und modellhafter Überprüfung weniger komplexer Praxisbeispiele und darauf aufsetzend Upscaling auf komplexe Reservoirsysteme (Teilprojekt III: Kalibrierung und Upscaling)

• Universität Mainz, -FB 09 Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften - Institut für Geowissenschaften

Ziel dieses Teilprojektes ist die Quantifizierung der porenraumverändernden Prozesse durch Lösungs- und Fällungsreaktionen mittels Mikrocomputertomographie sowie darauf basierende Computersimulationen. Proben relevanter Reservoirgesteine werden jeweils vor und nach der von anderen Teilprojekten des Gesamtverbundes (GVB) in Autoklaven- oder Thermotriaxialexperimenten durchgeführten Durchströmungs- bzw. Alterationsexperimenten untersucht. Petrophysikalische Parameter werden nach dem Konzept des 'Digital Rock Physics' (DRP) in repräsentativen Elementarvolumina erfasst und prozessbasiert zur Quantifizierung der Fällungs- und Alterationsprozesse ausgewertet.

• Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis des zeitlichen Verhaltens kluftdominierter Reservoire sowie der Interaktion zwischen chemischer Zusammensetzung des Reservoirfluids und den physikalischen Randbedingungen des Reservoirs (z.B. Druck und Temperatur) in Abhängigkeit zum Reinjektions- und Förderdruck zu erlangen. Die Arbeitsergebnisse sollen die Prognosemöglichkeiten und die verfahrenstechnische Beherrschbarkeit des Reservoirverhaltens verbessern. Dabei spielt die Analyse und Beurteilung der Permeabilitätsentwicklung bei variierenden p/T-Bedingungen eine zentrale Rolle. Im Zentrum der Untersuchungen steht die Bewertung der Permeabilität von geklüfteten Reservoiren und deren Änderung durch thermische, mechanische und chemische Wechselwirkungen. Die dazu nötigen experimentellen, analytischen und numerischen Untersuchungen erfolgen anhand von Modellsystemen und Referenzmaterialien. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen erlauben die Parametrisierung und Validierung numerischer Modelle, welche letztlich durch ebenfalls zu entwickelnde Skalierungsverfahren eine Übertragung auf komplexe Reservoirsysteme ermöglichen.

• Ruhr Universität Bochum, Fakultät für Geowissenschaften - Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik - Kristallographie

Bei der tiefen geothermischen Energiegewinnung ist die Rückführung geförderter Reservoirfluide nach der Energieausbeute Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des Fluiddrucks im Reservoir und damit für eine langjährige Nutzung. Allerdings kann es im Zuge der Reinjektion von Fluiden unter veränderten Temperatur- und Druckbedingungen zur Fällung von Mineralphasen kommen, wodurch die Wegsamkeiten im Reservoir allmählich verschlossen werden. Dieses als Reservoirscaling bekannte Phänomen gehört zu den kritischsten limitierenden Faktoren für die nachhaltige Nutzung tiefer geothermischer Ressourcen. Unklar ist bisher, welche Rolle dabei Kristallkeime spielen, die sich bereits oberirdisch durch die Temperaturabsenkung bei der Energieentnahme bilden. Da die heterogene Keimbildung energetisch bevorzugt ist, sind bei Übersättigung der geothermalen Wässer zunächst kristalline Ablagerungen an den Innenwänden von Rohrleitungen die Folge. Jedoch führen turbulenzbedingte Inhomogenitäten bzw. mechanische Störungen auch zur spontanen Bildung freischwimmender Keimkristalle, von denen ein signifikanter Teil von der Strömung mitgerissen und in das Reservoir reinjiziert wird. Dort können sich die typischerweise nano- bis mikrometergroßen Kristallite einerseits durch Filtereffekte kumulieren und andererseits als Kristallisationszentren für Zementationsprozesse fungieren und damit erheblich zum Reservoirscaling beitragen. Dieses Teilprojekt widmet sich daher der Untersuchung der grundlegenden Prozesse, welche zur Bildung kristalliner Phasen bei Abkühlung geothermaler Lösungen führen, und den hydromechanischen Auswirkungen bei Reinjektion entsprechend kristallkeimbelasteter Wässer in das Reservoir.

• geomecon: Modellierung des Deformationsverhaltens von Trennflächen 

Bei der geothermischen Energiegewinnung aus tiefen Reservoiren werden Reservoirfluide gefördert, die meistens hochsalinar sind. Diese Lösungen werden nach der Energieausbeute unter neuen Druck- und Temperaturbedingungen in das Reservoir reinjiziert. Die Kreislaufführung des Thermalfluids im Reservoir ist unabdingbar, um einen nachhaltigen, langjährigen Betrieb bei wirtschaftlich vernünftigen Druckverhältnissen sicher zu stellen. Im Zuge dieser Reinjektion kann es zur Ausfällung von Mineralen im Kluft-, Poren- und Rissnetzwerk des geothermischen Reservoirs (Reservoirscaling) kommen. Ausgehend vom Reservoirscaling verändern sich die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften des Gebirges, so dass die Gebirgsdurchlässigkeit zum Teil erheblich reduziert werden kann. Im Rahmen des Teilprojektes sollen aufbauend auf Untersuchung der Verbundpartner Modelle zur Beschreibung des veränderlichen Deformationsverhaltens von Trennflächen entwickelt werden. Die abgeleiteten Modelle werden in eine vorhandene Softwareumgebung (roxol) implementiert und zur Beschreibung des veränderlichen geomechanischen Verhaltens des Nahbereiches der Bohrung verwendet. .

Weblink

https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/26?op=enargus.eps2&m=0&v=10&p=0&s=0&q=0324244

zuletzt bearbeitet März 2020, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de