TOUGH: In-Situ Experiment: THMC-gekoppelte Prozesse in geklüfteten, geothermalen Systemen bei nicht-isothermer Fluidzirkulation

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TOUGH

TOUGH: In-Situ Experiment: THMC-gekoppelte Prozesse in geklüfteten, geothermalen Systemen bei nicht-isothermer Fluidzirkulation

01.03.2025 bis 29.02.2028


Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie
Lochnerstr. 4-20
52064 Aachen

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Geoforschung für Nachhaltigkeit (GEO:N)

Tiefengeothermie

Gekoppelte Thermisch-Hydraulisch-Mechanisch-Chemische (THMC) Prozesse in einem geothermischen Reservoir können sich erheblich auf dessen Erschließung und Nutzung auswirken. Es besteht z. B. die Möglichkeit, dass thermoelastisch ausgelöste hydraulische Kurzschlüsse oder induzierte seismische Ereignisse zu einer Stilllegung von Geothermieanlagen führen. In der Vergangenheit wurden zumeist nur Teilprozesse untersucht, wie die Auswirkungen hydraulisch-mechanischer oder temperaturbedingter Veränderungen. Mit dem Projekt TOUGH sollen THMC-gekoppelte Wechselwirkungen in geklüfteten Reservoiren erstmals umfassend bestimmt werden. Es ist geplant, mit Hilfe von Experimenten auf der Dekameter-Skala thermisch induzierte Wechselwirkungen während der Zirkulationsphase zu untersuchen, die der Betriebsphase einer Geothermieanlage entsprechen. Diese Experimente sollen im Nagra-Felslabor Grimsel (Schweiz) durchgeführt werden, das sehr gut geologisch charakterisiert ist und mit verschiedenen Methoden räumlich sowie zeitlich hochaufgelöst überwacht wird. Im Fokus der geplanten Feldversuche stehen insbesondere transiente Veränderungen von Fließwegen, Deformationen, Spannungszuständen, der Hydrochemie und seismischen Ereignissen, die mittels isothermer und nicht-isothermer Zirkulationsexperimente hervorgerufen werden sollen. Als Ergebnis werden optimierte Prognosemodelle für Geothermie-Reservoire bereitgestellt.

Das Projekt gliedert sich in insgesamt sechs Arbeitspakete (AP). Im Rahmen von AP1 werden die geplanten Feldexperimente vorbereitet. Nach einer umfassenden Datenrecherche und der Untersuchung von Bestandsbohrungen im Experimentierbereich wird der Bedarf an zusätzlichen Bohrungen sowie der erforderlichen Sensorik ermittelt. Mit AP2 erfolgt die Charakterisierung des untersuchten Gesteinsvolumens (Reservoir-Analogon) bei isothermer Fluidzirkulation. Nach einer Bestimmung der Fließwege soll isothermes Wasser in ein Injektionsbohrloch eingebracht werden, um die Entwicklung von Druck und elastischer Dehnung im Reservoir zu beobachten. Weiterhin ist geplant, die Entwicklung hydraulischer Verbindungen mittels Tracer-Versuchen zu bestimmen und die hydromechanischen Wechselwirkungen zu analysieren. Das dritte Arbeitspaket (AP3) befasst sich mit den Wechselwirkungen bei nicht-isothermer Fluidzirkulation. Hierzu soll eine Heißwasserinjektion mit einer deutlichen Temperaturdifferenz erfolgen, um die thermische Ausdehnung des Gesteins und die damit verbundene Verringerung der Kluftöffnungsweite sowie der Kluftpermeabilität zu bestimmen. Weiterhin erfolgt eine Bestimmung der Fließwege als direkte Reaktion auf die Temperatur sowie der thermo-hydromechanischen Wechselwirkungen. Im AP4 sind unmittelbar nach den Heißwasserinjektionen Experimente zur Kaltwasserzirkulation vorgesehen, um die Entwicklung der Fließwege als Reaktion auf die Injektion kalter Flüssigkeit zu beobachten. Infolge der Kontraktion dominanter Fließwege, ist dabei das Auftreten hydraulischer Kurzschlüsse zu erwarten. Ein Vergleich der in AP 2 bis 4 ermittelten Transporteigenschaften wird Aufschluss über reversible und irreversible THMC-Reaktionen auf nicht-isotherme Fluidzirkulation erbringen. Im Mittelpunkt von AP5 stehen hydrochemische Effekte infolge von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen sowie deren Korrelation mit hydraulischen Veränderungen des Kluftnetzwerks. Die Untersuchungen werden mittels hydrochemischer Modellierung begleitet, um die Lösungs- und Fällungsreaktion sowie die Reaktionskinetik bewerten zu können. Gegenstand von AP6 ist die numerische Modellierung. Dabei soll auf Basis der erzielten Ergebnisse ein Planungsinstrument entwickelt werden, mit dem ein verbessertes geothermisches Reservoirmanagement möglich ist.