SUBI: Sicherheit von Untergrundspeichern bei zyklischer Belastung: Funktionalität und Integrität von Speichern und Bohrungen

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SUBI

SUBI: Sicherheit von Untergrundspeichern bei zyklischer Belastung: Funktionalität und Integrität von Speichern und Bohrungen

01.07.2017 bis 30.09.2020

Dr. Dominik Soyk

DGMK Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e. V.
Überseering 40
22297 Hamburg

Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Nutzung unterirdischer Geosysteme

Unterirdische Gasspeicher (UGS) werden in Deutschland seit Jahrzehnten dazu genutzt, den saisonal stark variierenden Bedarf vorwiegend an Erdgas zu steuern. Mit Voranschreiten der Energiewende wird nicht nur das Spektrum und das Volumen der Speichergase zunehmen, sondern auch deren Bereitstellungsfrequenz. Infolge größerer Fluktuationen im Energiebedarf müssen Gase in kürzeren Abständen Ein- und Ausgespeichert werden. Dadurch steigen die Anforderungen an die Untergrundspeicher stark an. Der Einfluss solcher zyklischen Belastungen auf die geologischen und technischen Komponenten eines Untergrundspeichers ist bisher nicht eingehend untersucht worden und steht daher im Zentrum der Forschungsarbeiten des Verbundprojekts SUBI. Ziel des Projekts ist die skalenübergreifende Erforschung der komplexen geomechanischen Vorgänge, die bei der zyklischen Belastung von Untergrundspeichern auftreten und Auswirkungen auf deren Sicherheit haben können.

Das Ein- und Ausspeichern von Gasen bewirkt einen relativ schnellen Wechsel des Druckregimes und damit eine Änderung der Porendruck- und Spannungsverteilungen. Die damit einhergehenden Deformationen können die Entwicklung von Migrationspfaden z. B. über reaktivierte Störungen begünstigen. Im Rahmen des systemischen Ansatzes von SUBI ist geplant, die rheologischen Eigenschaften von Kavernen- und Porenspeichern mit Hilfe von Labor-, Technikums- und Feldexperimenten zu charakterisieren und über Modellrechnungen für Vorhersagen der Speicherentwicklung zu nutzen. Dabei ist insbesondere zu klären, ob und wie Deformationen als Hinweis auf Alterserscheinungen im Sinne einer Frühwarnung genutzt werden können. Hieraus sind Handlungsempfehlungen für den Betrieb und das Monitoring von Speichern abzuleiten, um Schäden des Speichersystems zu vermeiden.

Der Verbund SUBI gliedert sich in drei Teilprojekte. Im ersten Teilprojekt sollen experimentelle Arbeiten zur Charakterisierung von Materialeigenschaften unter zyklischer Belastung durchgeführt werden. Hierzu ist die Untersuchung der Bohrungsintegrität (Verbund Stahlrohr-Zement) und verritzter Barrieregesteine (Salz, Ton) im Technikumsmaßstab beabsichtigt. Auch der Einfluss biogener Prozesse ist Gegenstand der geplanten Experimente. Weiterhin sind geomechanische Laborexperimente mit Salz- und Tongroßproben vorgesehen, um deformationsbedingte Schädigungsprozesse zu spezifizieren. Die Veränderung von Kenngrößen wie Kompressibilität, Permeabilität und Sperrdruck infolge zyklischer Beanspruchung sind ebenfalls Teil des Versuchsprogramms. Die im Rahmen der Experimente gewonnenen Daten dienen der Modellierung des Verhaltens von Untergrundspeichern bei zyklischer Belastung. Dadurch ist es möglich, den Einfluss des Speicherbetriebes auf die Funktionalität einzelner Speicherkomponenten zu betrachten und Deformationen im regionalen Spannungsfeld zu prognostizieren. Hierbei sollen u. a. THMC-Prozesse im Umfeld von Bohrlöchern oder geomechanischen Abläufe wie z. B. Hebungen bzw. Senkungen der Erdoberfläche betrachtet werden. Am Ende des Projekts stehen die Synthese der experimentellen und numerischen Ergebnisse sowie die Ableitung von Empfehlungen für den langfristigen und sicheren Betrieb eines Speichersystems unter zyklischer Belastung.