TestUM-II: Geophysikalisches und hydrogeologisches Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen – Zyklischer HT-ATES-Versuch
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TestUM-II: Geophysikalisches und hydrogeologisches Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring durch die Nutzung des Untergrundes induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Aquiferen – Zyklischer HT-ATES-Versuch
01.11.2020 bis 28.02.2023
Prof. Dr. Andreas Dahmke
Universität Kiel, Institut für Geowissenschaften
Ludewig-Meyn-Straße 10
24118 Kiel
Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)
Nutzung unterirdischer Geosysteme
Im Rahmen des Verbundprojekts TestUM-Aquifer wurde nahe Wittstock (Brandenburg) ein nationales Testfeld zur Untersuchung und zum Monitoring induzierter reaktiver Mehrphasentransportprozesse in oberflächennahen Grundwasserleitern (Aquiferen) aufgebaut. Hintergrund dieser Maßnahme ist, dass Umweltauswirkungen von Gas- und Wärmeeinträgen auf oberflächennahe Aquifere nur unzureichend untersucht sind und mit Geländeexperimenten unter kontrollierten Randbedingungen eine umfassende Datenlage sowie belastbare Aussagen und Prognosen zu Reaktionen und Transportprozessen erzielt werden sollen.
An dem mehrere Hektar großen Testfeld wurden neben der großräumigen und vertieften interdisziplinären Erkundung und Charakterisierung des glaziogen geprägten Untergrundes die notwendigen logistischen Einheiten aufgebaut und bisher an räumlich getrennten Lokationen drei Feldexperimente (CH4-Injektion, Wärme-Eintrag mit Wasser als Wärmeträger, H2-Injektion) erfolgreich durchgeführt. Damit steht eine funktionierende oberirdische sowie untertägige Forschungsinfrastruktur für Untersuchungen im Feldmaßstab zur Verfügung, um die Auswirkungen eines bestimmungsgemäßen und eines nicht-bestimmungsgemäßen Betriebs untertägiger technischer Nutzungen des geologischen Untergrundes insbesondere im Kontext der Energiesystemtransformation und der Anpassung an den Klimawandel zu untersuchen. Diese Infrastruktur wird nach Bedarf und auch im Rahmen anderer Vorhaben am Standort stetig erweitert und optimiert.
Die bisher erhobenen Daten werden aktuell in der Art aufbereitet, dass Basisinformationen darüber inkl. der jeweiligen Ansprechpartner online insbesondere der Fachwelt zur Verfügung stehen, mit dem Ziel eine langfristige Nutzung und Etablierung des Testfeldes in der nationalen Forschungslandschaft zu erreichen und auch externen Einrichtungen und Wirtschaftskooperationen eine Zugangsmöglichkeit anzubieten.
Die Erfahrungen und Ergebnisse aus dem TestUM-Aquifer Projekt sind zudem ein wichtiger Bestandteil der gerade im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) unter Leitung der CAU in Bearbeitung befindlichen Studie „Umwelteffekte der Energiewende – Umweltwirkungen und umweltverträglicher Ausbau der oberflächennahen Geothermie“ und bilden auch die Basis einer Reihe von Machbarkeitsstudien von Wirtschaftsvorhaben zu UTES-Systemen, die über das Kompetenzzentrum Geo-Energie (KGE) der CAU bearbeitet werden, in das das Testfeld auch strukturell eingebunden ist.
Die im Rahmen von TestUM-Aquifer durchgeführten Eintragsexperimente, die auch im internationalen Vergleich so bisher nicht oder nur in sehr geringer Anzahl durchgeführt wurden, lassen sich wie folgt kurz zusammenfassen:
CH4-Eintragsversuch: Der CH4-Eintragsversuch wurde vom 14.-16.05.2019 mit einer intermittierenden Gesamtinjektionsrate auf Basis numerischer Simulationen zur Gasinjektion zwischen 24-50 NL/min erfolgreich durchgeführt, sodass über insgesamt ca. 26 h ca. 35 kg CH4 in den Grundwasserleiter eingebracht wurden. Seitdem wird ein intensives Grundwassermonitoring mit verschiedensten erarbeiteten hydraulischen, geophysikalischen, mikrobiologischen, isotopenchemischen und hydrochemischen Monitoringansätzen (u. a. bisher 19 hydrochemische Probenahmekampagnen) durch- und auch im Rahmen vom Nachfolgeprojekt TestUM-II weitergeführt, um z. B. kinetische hydrogeochemische Prozesse sowie die vollständige Resorption der CH4-Gasphase zu erfassen.
Wärme-Eintragsversuch: Der Wärme-Eintragsversuch wurde vom 23. bis 28.05.2019 durchgeführt. Über diesen Zeitraum wurde oberstromig gefördertes Grundwasser auf ca. 75°C erwärmt und mit einer Infiltrationsrate von ca. 14.5 L/min in den Grundwasserleiter eingebracht. Bis Ende September 2019 und dem Rückgang der thermisch induzierten hydrochemischen Veränderungen auf ihre Hintergrundwerte wurde der Wärmeeintragsversuch zeitlich geophysikalisch, mikrobiologisch und hydrochemisch überwacht. Hydraulische, geophysikalische, mikrobiologische und hydrochemische Monitoringergebnisse zu den initialen Prozessen des Wärmeeintrags ergeben eine sehr gute Basis zur Überprüfung von Laborexperimenten oder numerischen Simulationen. Dabei erweisen sich die numerischen TH-Simulationen als gut belastbar, ebenfalls ergeben sich zwischen den abgeleiteten hydrochemischen Prognosen zum Emissionsverhalten der Haupt- und Spurenstoffe und den Felddaten im Rahmen der Varianz der Feldergebnisse befriedigende bis gute Übereinstimmungen. In den mikrobiologischen und geophysikalischen Monitoringansätzen wurde zunächst erstmals eine notwendige Datenbasis für derartig thermisch beeinflusste Grundwasserleiter gewonnen. Dieser Testbereich wird für den beantragten HT-ATES Versuch in TestUM-II weiter genutzt.
H2-Eintragsversuch: Der H2-Eintragsversuch wurde vom 28.01. bis 30.01.20 erfolgreich durchgeführt. Nach Vordimensionierung mittels numerischer Simulation wurden 130 Nm³ H2 (N5.0) (entspricht ca. 12 kg H2) gasförmig über drei Lanzen in ca. 18 m u. GOK wie geplant intermittierend injiziert. Der Versuch wird seitdem regelmäßig hydrochemisch sowie geophysikalisch und hydraulisch mit einem Monitoringprogramm begleitet und parallel auch hinsichtlich der Vorhersagbarkeit der induzierten Folgereaktionen ausgewertet. Da die geochemischen und mikrobiellen Effekte des Wasserstoffeintrags nach aktuellem Stand noch nicht abgeschlossen sind und auch seitens geophysikalischer Untersuchungen noch Hinweise auf vorhandene Gasphase vorliegen, wird das Monitoring aktuell und auch im Rahmen vom Nachfolgeprojekt TestUM-II weitergeführt.
Im Zuge des Anschlussprojekts TestUM-II ist im Wesentlichen die Durchführung eines zyklischen HT-ATES (High Temperature Aquifer Thermal Energy Storage) Experiments geplant, bei dem der oberflächennahe Grundwasserleiter phasenweise Temperatureinwirkungen von mehr als 80° C ausgesetzt werden soll. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen insbesondere die ökologischen Auswirkungen eines HT-ATES Systems im Langzeitbetrieb, welche anhand der mikrobiellen Wiederbesiedlung nach Abschluss des Experiments bestimmt werden sollen. Außerdem ist vorgesehen, die thermische Auswaschung (leaching) von Haupt- und Spurenstoffen sowie die Wärmespeichereffizenz und die thermischen Auswirkungen auf die elastischen Eigenschaften von Sedimenten zu ermitteln. Einen weiteren Arbeitsschwerpunkt bildet die Fortsetzung des hydrochemischen, mikrobiologischen und geophysikalischen Monitorings der Methan- und Wasserstoffeintragsexperimente bis zur weitgehenden bzw. vollständigen Resorption der Gasphasen. Neben der Dokumentation der Transformationsprozesse der Gasphasenkörper ist auch eine Überprüfung der Prognosefähigkeit experimenteller und numerischer Modellansätze geplant sowie eine Sensitivitätsbestimmung seismischer und geoelektrischer Verfahren. Zusammen mit den Ergebnissen des Vorgängerprojekts sollen mit TestUM-II Informationen zu den Auswirkungen einer geotechnologischen Untergrundnutzung auf oberflächennahe Grundwasserleiter unter besonderer Berücksichtigung von Mehrphasentransportprozessen geschaffen werden. Mit dem Testfeld wurde eine einmalige geowissenschaftliche Infrastruktur geschaffen, die bereits von nationalen und internationalen Interessenten aus Forschung und Wirtschaft nachgefragt wird.
Weitere Informationen finden sich auf den Projektwebseiten.