POREMECH: Natürliche Energieträger und Barrieregesteine

Poröse Sedimentgesteine spielen in zahlreichen Nutzungsfeldern von der Förderung primärer fossiler Energieträger wie Öl und Gas, über die Gewinnung geothermischer Energie, bis hin zur sekundären Speicherung von Energieträgern (z.B. Wasserstoff) oder klimarelevanten Schadstoffen (CO2), eine große Rolle. Die Eignung dieser Gesteine für die oben angeführten Anwendungen wird entscheidend von der Beschaffenheit ihres Porenraums, in welchem die unterschiedlichen flüssigen oder gasförmigen Porenfluide gespeichert werden können, kontrolliert. Weiters wird die natürliche Barrierewirkung von feinkörnigen Sedimentgesteinen ebenfalls von deren Porenstruktur kontrolliert. Dieses Projekt zielt auf ein besseres Verständnis des Einflusses unterschiedlicher geologischer Faktoren (z.B. der Art der Sedimentablagerung und der daraus resultierenden Sedimentzusammensetzung) auf die primäre Beschaffenheit des erreichbaren (effektiven) Porenraums. Weiters sollen sekundäre Veränderungen während der Versenkung der Gesteine und deren Auswirkungen auf die primär vorhandene Porosität untersucht werden. Hierfür wird ein breiter Fächer moderner analytischer Methoden angewandt. Hochauflösende bildgebende Verfahren(z.B. Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie,Mikro-Computertomographie)ermöglicheneine ortsaufgelöste Betrachtung der Poren, sowie die Berechnung von Geometriefaktoren, etc. selbst auf kleinsten Längenskalen (Mikrometer bis Nanometer). Höchstauflösende Strukturinformationen (im Bereich weniger Nanometer) können weiters über das Gasadsorptionsverhalten der Gesteine bzw. über Röntgen- oder Neutronenkleinwinkelstreuungsmessungen gewonnen werden. Aus diesen Daten werden basierend auf theoretischen Modellen Porengrößenverteilungskurven erstellt. Weiters können Aussagen über die relative adsorptive Speicherkapazität der Gesteine für unterschiedliche Gasmoleküle getroffen werden, was vor allem für die Gasspeicherung und -rückhaltung von entscheidender Bedeutung ist. Da aufgrund der Versenkung der Gesteine im Untergrund, tektonischer Beanspruchung, sowie zahlreicher anderer geologischer Phänomene die mechanischen Spannungsverhältnisse im Gestein und damit die Erhaltungsfähigkeit des Porenraums zeitabhängig variieren können, werden durch numerische Modellierung diese Veränderungen simuliert. Ziel ist deren Vorhersagbarkeit unter Berücksichtigung des vorliegenden mechanischen Spannungszustands sowie der jeweiligen Gesteinsbeschaffenheit. Als Basis für die numerischen Modelle dienen höchstauflösende mikromechanische Messmethoden (Nano- Indentation), die die Bestimmung der mechanischen Festigkeit selbst einzelner Mineralkörner bzw. organischer Bestandteile im Gestein ermöglichen. Zusammenfassend zielt dieses Projekt auf ein umfassendes Verständnis der zeitabhängigen Entwicklung von primärer und sekundärer Porosität in speicherrelevanten Sedimentgesteinen unter Berücksichtigung der zu erwartenden, komplexen Wechselwirkungen im geologischen Kontext.

Feinkörnige Sedimentgesteine sind für Anwendungen im Bereich der Geoenergie von entscheidender Bedeutung, insbesondere als geologische Barrieren für die unterirdische Speicherung von Energieträgern (z. B. Wasserstoff), Kohlendioxid oder Atommüll. Die Eignung solcher Gesteine (z. B. Tonsteine) als "Deckschichten" wird durch geologische Prozesse bestimmt, die ihre mikrostrukturellen und -mechanischen Eigenschaften steuern. Ziel von POREMECH war es, Methoden zu entwickeln, um diese Prozesse auf grundlegender Ebene zu untersuchen und damit viele Fragen im Zusammenhang mit der Energiewende zu beantworten. Die fünf untersuchten Hauptaspekte sind i) die Beziehung zwischen Veränderungen der Mikrostruktur und der Dichteigenschaften feinkörniger Sedimentgesteine, ii) die mikromechanische Reaktion auf Sedimentkompaktion und die daraus resultierenden Brucheigenschaften, iii) die Simulation von Gesteins-Fluid-Wechselwirkungen in Deckschichten während der geologischen Speicherung von Wasserstoff, iv) die Eignung von Kohleflözen für die Langzeitspeicherung von CO2 und v) die Kohlenwasserstoff-Transportmechanismen in organisch-reichen Muttergesteinen (für die Schieferöl-/Gasproduktion) sowie deren Wasserstoffbildungs- und Speicherpotenzial. All diese Punkte haben unmittelbare gesellschaftliche Auswirkungen, da die sichere Produktion und Speicherung von Energieträgern sowie die Bereitstellung geologischer "Container" für die Dekarbonisierung zentrale globale Herausforderungen darstellen. Durch die in POREMECH entwickelten Untersuchungsansätze konnten wichtige Lücken in der Vorhersage des Leckage-Risikos von Tonsteinschichten geschlossen werden; aus den experimentellen Datensätzen wurden mathematische Modelle abgeleitet, um Veränderungen der Dichteigenschaften mit dem Kompaktionsgrad zu beschreiben. Außerdem wurden die chemisch-mineralogischen Veränderungen in Deckschichten während der Wasserstoffspeicherung mittels Druckreaktortests quantifiziert. Die mögliche Auflösung insbesondere von Karbonatmineralen wurde prinzipiell nachgewiesen, das quantitative Ausmaß der beobachteten Veränderungen impliziert jedoch kein Langzeitrisiko für die Speicherung. Das Potenzial für CO2-Abscheidung in Kohleflözen durch adsorptive Speicherung konnte quantifiziert werden, und obwohl dieser Methode im Vergleich zu anderen Alternativen keine globale Bedeutung zugerechnet werden kann, könnten Kohlelagen als lokale Speicherziele eine Rolle spielen. Die untersuchten Kohlen stellen aufgrund einer Kombination verschiedener Adsorptionsprozesse, darunter sowohl Physisorption als auch schwache Chemisorption, effiziente Speichermedien für CO2 dar. Darüber hinaus trugen numerische Simulationen im Rahmen von POREMECH zu einem besseren Verständnis der Rolle der Wassersättigung in Rissnetzwerken für das resultierende Gasinjektions- und -extraktionsverhalten auf der Mikroskala bei. Abschließend leisten die Ergebnisse in Bezug auf die Ausbringung von Schieferöl und -gas aus feinporösen Muttergesteinen das Verständnis für die Fördereffizienz unkonventioneller Kohlenwasserstofflagerstätten. Das Projektteam war außerdem an den weltweit ersten Studien zur Wasserstofferzeugung in organisch-reichen Muttergesteinen bei hoher Temperatur beteiligt, in denen ein erhebliches Wasserstoffpotenzial nachgewiesen werden konnte.