TWO-PHASE ICP: Erweiterung von Modellkonzepten für technisch kontrollierte Calciumcarbonatausfällung unter besonderer Berücksichtigung mehrerer antreibender Prozesse, des Temperatureinflusses und der Zweiphasenströmung

Eine Möglichkeit, die Auswirkungen des globalen Klimawandels durch Verringerung des emittierten Kohlenstoffdioxids (CO2) zu begrenzen, ist die Abscheidung und Speicherung von CO2 (CCS von englisch Carbon Capture and Storage). Dabei wird bei großen Produzenten von CO2, etwa Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas befeuert werden, oder in der Zementproduktion, das entstehende CO2 vom Abgas getrennt und danach meist im Untergrund gespeichert. Um die international vereinbarten Klimaziele nicht komplett aus dem Blick zu verlieren, wird CCS vermutlich in der nahen Zukunft eingesetzt werden müssen.Auch für die optimale Nutzung der erneuerbaren Energien wird vermutlich Gas im Untergrund gespeichert werden müssen, um schwankenden Bedarf und Erzeugung zu puffern. Dabei kann es sich um Erdgas, synthetisches Methan (CH4), oder Wasserstoff (H2) oder einfach komprimierte Luft handeln. Optimale Reservoire für CCS oder andere Gasspeicher liegen in mehr oder weniger großen Tiefen, abhängig vom zu speichernden Gas und günstigen geologischen Bedingungen, und sind durch undurchlässige Deckschichten von darüber liegenden Schichten oder Grundwasserleitern getrennt.CO2 kann effektiv nur ab einer Mindesttiefe von etwa 800m gespeichert werden, Erdgas oder synthetische Gase zur Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien auch schon in geringerer Tiefe. Unabhängig davon ist es in jedem Fall für den erfolgreichen Betrieb erforderlich, das Entweichen der gespeicherten Gase zu verhindern. Da die genauen geologischen Gegebenheiten potentieller Speicherformationen nicht sehr genau bestimmt werden können, kann möglicherweise aus einem Speicher trotz aller Sorgfalt, durch im Voraus unbemerkte Schwachstellen in der Deckschicht oder durch mechanische oder geochemische Prozesse während der Injektion, Gase austreten. Es müssen deshalb Technologien entwickelt werden, die für Maßnahmen als Reaktion auf potentiell während des Betriebs entdeckte Leckagen eingesetzt werden müssen, z.B. gezielte Versiegelung von Wegsamkeiten.

Um Versiegelungstechnologien zu verbessern, , wie zum Beispiel Biomineralisierung oder Zementleiminjektionen, ist das Verständnis der (bio-) geochemischen Reaktionen und des Transports der in Gas- und Wasserphase gelösten Komponenten wichtig. Bei einer Zementleiminjektion wird fein gemahlener Zement mit Wasser gemischt und der dabei entstehende Zementleim durch Druck in den zu zementierenden Bereich gepresst. Allerdings ist Zementleim sehr viskos, wodurch er keine große Reichweite hat und nur größere Poren oder Risse erreichen kann.

Mikrobiell induzierte Calciumcarbonatausfällung (MICP) ist eine inzwischen schon etablierte Möglichkeit der Biomineralisierung, bei der Calciumcarbonat, ein natürliches zementähnliches Mineral, durch die Tätigkeit gezielt eingebrachter Bakterien und geeigneter weiterer Stoffe direkt in den abzudichtenden Bereichen im Untergrund produziert wird. Durch die geringe Viskosität der dabei eingesetzten wässrigen Lösungen und die geringe Größe der Bakterien (wenige µm) kann MICP im Vergleich zu Zementleim einen wesentlich größeren Bereich abdichten und zudem auch noch kleinere Poren effektiv verschließen.

In den Vorgängerprojekten am Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung wurde bereits ein komplexes numerisches Modellkonzept für diese Biomineralisierungsmethode entwickelt und erfolgreich getestet. Eine Weiterentwicklung dieses Modells bzw. der MICP-Technologie ist dennoch aus verschiedenen Gründen wünschenswert. Z.B. sind die effektivsten Bakterien nur bis zu einer Temperatur von 45°C überlebensfähig, wodurch diese Methode in der Anwendungstiefe limitiert ist, da die Temperatur mit der Tiefe immer weiter steigt. Neue experimentelle Untersuchungen unserer Partner an der Montana State University (MSU) in Bozeman, USA konzentrieren sich auf weitere zur Carbonatausfällung führende Prozesse, wie die thermisch oder enzymatisch induzierten (TICP, EICP). Diese sind im Prinzip ähnlich zu MICP, nur dass die Funktion der Bakterien im Fall von EICP durch das Enzym Urease beziehungsweise im Fall von TICP durch die in tiefen Schichten natürlicherweise erhöhten Temperaturen übernommen wird.

Um auch diese Methoden besser zu verstehen und ihre Anwendung planen zu können, muss das bisherige Modell für MICP erweitert werden, um auch die Effekte hoher Temperatur bzw. des Enzyms simulieren zu können. Ziel ist ein numerisches Biomineralisierungsmodell, welches alle drei Prozesse, MICP, EICP und TICP, beinhaltet und dadurch zu einem verallgemeinerten Modell für induzierte Calciumcarbonatausfällung (ICP) weiterentwickelt wird.

Ein weiteres Augenmerk des neuen Projektes ist auf die Strömungszustände in solchen Gasspeichern gerichtet. Sie sind in der Regel dadurch gekennzeichnet, dass Wasser und Gas getrennte Fluidphasen bilden. Dadurch kommt es zu kapillaren Effekten, wie man es zum Beispiel beim Aufsaugen von Wasser in einen Schwamm beobachten kann, aber auch zur Behinderung der Strömung einer Phase durch das Vorhandensein der jeweils anderen. Wenn zum Beispiel eine Pore vollkommen mit Wasser gefüllt ist, ist diese für Gas blockiert und es muss sich einen anderen Weg suchen oder das Wasser zuerst aus der Pore verdrängen. Diese Effekte werden von den Eigenschaften der Fluide hervorgerufen, aber auch von der Geometrie und den Eigenschaften der Feststoffe beeinflusst. Die Feststoffe und vor allem deren Geometrie jedoch verändern sich im Verlauf der Calciumcarbonatausfällung, da sich immer mehr Calciumcarbonat anreichert und damit die Porengeometrie und die Mineralienzusammensetzung an der Oberfläche ändert. Deswegen ist das zweite Ziel des Projekts, die Änderung der Parameter, welche das Verhalten der Zweiphasenströmung bestimmen, durch ICP im erweiterten Modell zu berücksichtigen und nötige Experimente zur Bestimmung dieser Parameter in Experimenten in Stuttgart zu bestimmen. Dies ist nötig, um die gleichzeitige Strömung von Wasser- und Gasphase im Modell korrekt in Abhängigkeit der Mineralisierungstärke zu beschreiben und damit die Wirkung einer ICP-Anwendung planen und bewerten zu können.

Dr.-Ing. Hommel, Johannes
Prof. Gerlach, Robin

Dr.-Ing. Hommel, Johannes

LH2

Prof. Gerlach, Robin

10/2017 - 03/2021