Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung

TWO-PHASE ICP 2: Prozess-spezifische Parametrisierung der Änderung hydraulischer poröser Medieneigenschaften durch biogeochemische Reaktionen

Forschungsprojekt gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380443677

Projektbeschreibung

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 bei der Erkundung der geologischen Gegebenheiten potentieller Speicherformationen eine Restunsicherheit besteht, können 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 werdenkönnen , 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. Ähnlich zu MICP funktionieren auch enzymatisch oder thermisch induzierte Calciumcarbonatausfällung (EICP und TICP), bei denen ensprechnd statt lebender Bakterien extrahierte Enzyme oder erhöhte Temperaturen die Reaktionen katalysieren bzw. verursachen.
In den Vorgängerprojekten am Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung wurden bereits  komplexe numerische Modellkonzepte für MICP, EICP und TICP entwickelt und erfolgreich getestet. Diese alternativen Methoden erweitern durch die höhere Temperaturbeständigkeit des in EICP verwendeten Enzyms Urease beziehungsweise im Fall von TICP durch die in tiefen Schichten natürlicherweise erhöhten Temperatur den Anwendungsbereich von Biomineralisierung in größere Tiefen bzw. heißere Reservoire. Alle Methoden zusammen werden im Folgenden schlich induzierte Calciumcarbonatausfällung (ICP) genannt.

Das Hauptziel des neuen Projektes ist auf die Strömungszustände in solchen Gasspeichern bzw. deren abzudichtenden Deckschichten gerichtet, vor allem aber auf die detaillierte Beschreibung der Auswirkungen der verschiedenen Methoden von ICP auf die dafür relevanten Eigenschaften des porösen Mediums. Die Strömungszustände 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. Zudem verringert sich jedoch auch mit zunehmender Füllung der Poren mit Carbonatmineralen auch die allgemeine, intrinsische Permeabilität, was auch in einem voll gesättigten, einphasigen Zustand die Durchströmung verringert. Alle diese Effekte von ICP auf die Eigenschaften eines porösen Mediums beeinflussen jedoch auch den Nachschub an den nötigen Stoffen für eine weitere Calciumcarbonatausfällung: Wenn zum Beispiel ein Porenhals komplett verschlossen wird, werden die beiden vorher verbundenen Poren getrennt und gegeben Falls zu Sackgassen, die nicht mehr weiter durchströmt werden und in die nur noch durch Diffusion weiter Stoffe transportiert werden. 
Damit ist die korrekte, methodenspezifische Beschreibung der Effekte von ICP auf die hydromechanischen Eigenschaften von porösen Medien essentiell, um nicht nur 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, sondern auch um die Wirkungen einer Anwendung von ICP selbst möglichst genau vorhersagen zu können.

Leiter

Dr.-Ing. Johannes Hommel

Bearbeiter

Dr.-Ing. Johannes Hommel

Abteilung

Laufzeit

04/2021 - 03/2024

Finanzierung

Publikationen

  1. (Zeitschriften-) Aufsätze

    1. von Wolff, L., Weinhardt, F., Class, H., Hommel, J., & Rohde, C. (2021). Investigation of Crystal Growth in Enzymatically Induced Calcite Precipitation by Micro-Fluidic Experimental Methods and Comparison with Mathematical Modeling. Transport in Porous Media, 137(2), Article 2. https://doi.org/10.1007/s11242-021-01560-y
    2. Scheurer, S., Schäfer Rodrigues Silva, A., Mohammadi, F., Hommel, J., Oladyshkin, S., Flemisch, B., & Nowak, W. (2021). Surrogate-based Bayesian comparison of computationally expensive models: application to microbially induced calcite precipitation. Computational Geosciences. https://doi.org/10.1007/s10596-021-10076-9
    3. Hommel, J., Akyel, A., Frieling, Z., Phillips, A. J., Gerlach, R., Cunningham, A. B., & Class, H. (2020). A Numerical Model for Enzymatically Induced Calcium Carbonate Precipitation. Applied Sciences, 10(13), 4538. https://doi.org/10.3390/app10134538
    4. Cunningham, A. B., Class, H., Ebigbo, A., Gerlach, R., Phillips, A., & Hommel, J. (2019). Field-scale modeling of microbially induced calcite precipitation. Computational Geosciences, tbd. https://doi.org/10.1007/s10596-018-9797-6
    5. Hommel, J., Coltman, E., & Class, H. (2018). Porosity-Permeability Relations for Evolving Pore Space: A Review with a Focus on (Bio-)geochemically Altered Porous Media. Transport in Porous Media, 2(124), Article 124. https://doi.org/10.1007/s11242-018-1086-2

Kontakt

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Dr.-Ing.

Johannes Hommel

wissenschaftlicher Mitarbeiter

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