Geoenergie
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Contact person: Prof. Dr. Thomas Kohl
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Die Abteilung Geoenergie erforscht in enger Kooperation mit der Abteilung Geothermie & Reservoir-Technologie am AGW zwei geothermische Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Wärmeversorgung: die Nutzung von Erdwärme aus geklüfteten kristallinen Reservoiren und die Hochtemperatur-Wärmespeicherung im tiefen Untergrund. Unsere Arbeiten verbinden geologische und geophysikalische Untergrund-Charakterisierung, Laborexperimente und numerische Methoden bis hin zu Digitalen Zwillingen. Sie sind eng in den Aufbau zweier großskaliger Forschungsinfrastrukturen eingebunden.
Forschungsinfrastrukturen GeoLaB und DeepStor
Im Zentrum unserer Forschung stehen die Infrastrukturen GeoLaB und DeepStor, an deren Aufbau und wissenschaftlicher Nutzung die Abteilung maßgeblich beteiligt ist. Das geplante Untertageforschungslabor GeoLaB ermöglicht Experimente im kristallinen Gestein unter realen Bedingungen. Im Fokus steht dabei das Verständnis von Strömungs- und Transportprozessen in geklüfteten Reservoiren. DeepStor dient der Erforschung der Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicherung (HT-ATES). Hier wird untersucht, wie sich Wärme saisonal in tiefen Gesteinsschichten speichern und bedarfsgerecht zurückgewinnen lässt.
Hier finden Sie die GeoLaB-Website: https://geolab.helmholtz.de/
Hier gelangen Sie zur DeepStor-Website, die auch Informationen zur aktuell laufenden Bohrung bietet: https://www.geoenergiecampus.kit.edu/deepstor.php
Geologische und geophysikalische Untergrund-Charakterisierung
Grundlage jeder geothermischen Nutzung und Forschungsinfrastruktur-Entwicklung ist eine fundierte Kenntnis des Untergrunds. Im Rahmen von GeoLaB führen wir geologische Untersuchungen sowie geophysikalische Messungen, u.a. mit geomagnetischen und geoelektrischen Verfahren, durch. Für DeepStor charakterisieren wir mögliche Speicherformationen hinsichtlich ihrer geologischen und hydraulischen Eigenschaften.
Seismische Daten werden interpretiert, um die strukturgeologischen Verhältnisse des Untergrunds abzubilden. Zur Charakterisierung potenzieller Speicherhorizonte im Oberrheingraben werten wir 3D-seismische Daten mit fortgeschrittenen Analyseverfahren aus. So lassen sich Strukturen sichtbar machen, die mit konventioneller Interpretation nicht auflösbar sind. Die so gewonnenen Geometrien verbessern das sedimentologische Verständnis der Grabenfüllung. Sie liefern auch Randbedingungen für die thermisch-hydraulische Modellierung von Hochtemperatur-Aquiferwärmespeichern im Randgebiet von ehemaligen Kohlenwasserstofflagerstätten, wie sie im Projekt DeepStor untersucht werden.
Laborexperimente zur Kluftströmung
Die hydraulischen Eigenschaften kristalliner Reservoire werden maßgeblich durch Klüfte bestimmt. In Laborversuchen untersuchen wir die Strömung durch Klüfte mit rauen Oberflächen. Dafür nutzen wir die Versuchsstände RockBlockEx und F4aT Lab (Forced Fracture Fluid Flow and Transport) am Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW). Die Ergebnisse tragen dazu bei, Strömungsprozesse im Reservoir besser zu verstehen und in numerischen Modellen abzubilden.
Ob sich Fluidströmungen in einer rauen Gesteinskluft über akustische Emissionen erfassen lassen, untersuchen wir im F4aT Lab des AGW. Dafür wird die Kluft mit Wasser (bei unterschiedlicher Öffnungsweite bzw. Versatz) oder CO₂ durchströmt, während zwölf Sensoren auf der Probe und drei weitere am Versuchstisch die Signale mit einer Abtastrate von 50 bzw. 62 kHz aufzeichnen. Die Messungen werden mit einem Machine-Learning-Verfahren ausgewertet.
In RockBlockEx wird ein etwa 50 cm großer Granitblock in einem Stahlrahmen eingespannt und über hydraulische Flachpressen mit Differenzspannungen von bis zu 20 MPa belastet. Durch hydraulische Injektion wird ein einzelner Riss erzeugt, dessen Entstehung und Durchströmung mit akustischen Emissionen, elektrischen und elektromagnetischen Signalen sowie Druck- und Temperaturmessungen überwacht wird.
Numerische Modellierung und digitale Zwillinge
Für GeoLaB und DeepStor tragen wir zur Entwicklung von Digitalen Zwillingen bei, die Erkundungsdaten, geologische Modelle und Prozesssimulationen in einer gemeinsamen Umgebung zusammenführen. Methoden der virtuellen Realität eröffnen dabei einen intuitiven Zugang zu komplexen Untergrunddaten.
Im Projekt GeoDT wird dieses Konzept für die Tromm im Odenwald, die Standortregion von GeoLaB, entwickelt und als Prototyp demonstriert. Der Digitale Zwilling bindet die Daten der Erkundung kontinuierlich ein und repräsentiert so stets den aktuellen Kenntnisstand. Kennzeichnend ist die Verknüpfung geowissenschaftlicher und geotechnischer Aspekte: In Kooperation mit Industriepartnern werden bereits Methoden der digitalen Bohrtechnik integriert, deren Simulation am KIT einen Schwerpunkt bildet.
Am Fallbeispiel DeepStor entsteht für Hochtemperatur-Aquiferwärmespeicher (HT-ATES) zudem ein physikbasierter, datenassimilierender Digitaler Zwilling. Grundlage ist ein Reservoirmodell, das mit Kern-, Bohrlochmess- und Testdaten der DeepStor-Bohrung sowie mit Labor- und In-situ-Versuchen kalibriert wird. Ein gekoppelter thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischer (THMC) Simulationsansatz bildet die maßgeblichen Untergrundprozesse ab. Auf maschinellem Lernen basierende Modelle sollen schnelle Prognosen, Sensitivitätsanalysen und die Quantifizierung von Unsicherheiten ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines Reservoirmanagementsystems zur Entscheidungsunterstützung, das den Speicherbetrieb optimieren und alternative Reservoir-Konfigurationen techno-ökonomisch bewerten kann.
