Modellierung von Permeabilität in der Tiefengeothermie

Die Permeabilität (Durchlässigkeit) von Gesteinen im tieferen Untergrund (>4 km) ist entscheidend dafür, ob geothermische Energiegewinnung zur Stromerzeugung in nichtvulkanischen Gegenden wie Mitteleuropa möglich sein könnte. Darüber hinaus ist die Permeabilität ein bestimmender Faktor für Wärme- und Massentransport in einer Vielzahl geologischer Prozesse der Erdkruste. Die Permeabilität im Bereich tiefer geothermischer Reservoire ist an Brüche und Klüfte gebunden und normalerweise für eine wirtschaftliche geothermische Energiegewinnung zu niedrig. Durch Einpressen von Wasser unter Druck (hydraulische Stimulation) können Verschiebungen in den Brüchen initiiert werden, die eine Permeabilitätserhöhung bewirken. Zur Zeit gibt es aber keine quantitative und umfassende Theorie der Permabilität tiefer, geklüfteter Gesteinsmassen als Funktion von Faktoren wie Gesteinsart, regionalem und lokalem Spannungsfeld, Temperatur und Tiefe. Auch ist ungewiss, wie mittels hydraulischer Stimulation eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung erzielt werden kann. Diese Kenntnislücken stellen das grundlegendste wissenschaftliche Problem in Hinblick auf die Frage dar, ob geothermische Elektrizitätsgewinnung in Ländern wie Österreich oder der Schweiz eine reale Option ist. Es ist praktisch unmöglich, in situ in der Tiefe hinreichend umfassende und detaillierte Beobachtungen und Messdaten zu gewinnen und zu interpretieren. Numerische Simulationen werden daher als eine Schlüsseltechnologie angesehen. Allerdings ist die Funktionalität der derzeitigen kommerziellen und akademischen Simulationsprogramme unzureichend, um aussagekräftige Modelle zur Permeabilität grosser, komplex geklüfteter Rerservoire zu simulieren. Unser Projekt Modellierung von Permeabilität in der Tiefengeothermie integriert die Erfahrung und fachlichen Stärken von vier international führenden Gruppen aus den Bereichen Reservoir Engineering, geothermische Strömungssimulation, numerische Mathematik und geomechanische Modellierung, um die nächste Generation numerischer Simulationsprogramme für die oben skizzierten, fundamentalen Fragestellungen zu erstellen. Vier eng zusammenarbeitende Unterprojekte werden dabei Die Funktionalität der Simulationsplattform CSMP++ erweitern, die bereits jetzt eine weiten Bereich relevanter physikalischer Probleme auf geometrisch komplexen und damit geologisch realistischen Repräsentationen (discrete fracture and matrix models) geklüfteter Reservoire berechnen kann (Unterprojekte A und B, geleitet von Prof. Dr. Stephan K. Matthäi, MU Leoben, und Dr. Thomas Driesner, ETH Zürich). Algorithmen und Methoden zur Höchstleistungsberechnung von Scherbewegungen und anderen mechanischen Prozess auf rauhen Bruchflächen entwickeln (Unterprojekt C, geleitet von Prof. Dr. Rolf Krause, Universita della Svizzera italiana, Lugano). Die Integration mit der CSMP++ Plattform aus Unterprojekten A und B wird die Simulation von kombinierten bruch- und strömungsmechanischen Fragestellungen am Limit des derzeit technisch machbaren erlauben. Einen dazu komplementären, kontinuumsbasierten Simulationsansatz weiterentwickeln, der durch Einsatz schneller grafischer Berechnungseinheiten (GPUs) um Grössenordnungen schnellere, dafür aber weniger rigorose Berechnungen erlaubt (Unterprojekt D, geleitet von Prof. Dr. Stephen Miller, Universität Neuchatel). Gegenseitige Benchmark Studien mit den anderen Unterprojekten werden untersuchen, ob diese Methode hinreichend genau ist, um bei Einsatz auf normalen Computern nahezu in Echtzeit Resultate für den Einsatz in geothermischen Projekten liefern zu können. In den Unterprojekten A, B, und D werden die neuen Simulationsmethoden sodann als Forschungsinstrumente eingesetzt, um (A) den Einfluss von hydraulisch induzierten Scherbewegungen und anderen mechanischen und materialbedingten Faktoren auf die Permeabilität eines geklüfteten Gesteins zu quantifizieren, (B) den Einfluss komplexer Bruchnetzwerk auf Wärmeextraktion durch Fluidzirkulation zu charakterisieren, und (D) die Entwicklung und das Ausbreiten von Bruchnetzwerken in geothermischen Reservoiren bei der Injektion von Wasser unter Druck zu studieren.