AP 1.6

Experimentelle Parameterbestimmung geomechanischer Kenngrößen von Fels und Salzgesteinen im Hinblick auf den Betrieb von Kavernen zur Energiespeicherung, sowie die Untersuchung des geomechanisch-seismische Verhaltens norddeutscher Lockergesteine bei periodischem Wärmeeintrag und -entzug

 

Für die weitere Entwicklung für die Nutzung von erneuerbarer Energie wird es infolge saisonaler bzw. täglicher Schwankungen sowohl in der Energieproduktion, als auch beim Energieverbrauch notwendig sein, Möglichkeiten vorzuhalten, mit denen Energie zwischenzeitlich gespeichert werden kann. Dazu werden hauptsächlich zwei unterschiedliche Optionen zur Energiespeicherung im Untergrund betrachtet, wobei die Reaktion des umgebenden Bodens umfangreich analysiert wird. Zum einen wird die Speicherung von Wärme in oberflächennahen Lockergesteinsschichten untersucht (AP 1.6.2) und zum anderen liegt die Speicherung von Gas (z.B. komprimierte Luft oder H2) in Salzkavernen in tiefliegenden Schichten im Fokus der Untersuchungen (AP 1.6.1).

 

Geomechanisch-seismisches Verhalten norddeutscher Lockergesteine bei periodischem Wärmeeintrag und -entzug

Bei der thermischen Energiespeicherung im oberflächennahen Untergrund führt eine saisonale Aufheizung und Abkühlung in Lockergesteinen zu einer zyklischen Änderung des mechanischen Zustands (Dichte, Gefüge) und dadurch zu einer Änderung der hydraulischen Eigenschaft (Wasserleitfähigkeit) sowie des mechanischen Verhaltens (Steifigkeit, Festigkeit). Vor allem bei gestörten geologischen Lagerungsverhältnissen des Untergrunds, wie in Norddeutschland typischerweise durch Salzaufstieg und Glazialtektonik bedingt, besteht in unmittelbarer Folge zyklischer Temperaturänderungen im Untergrund die Gefahr das Auftretens ungleichförmiger Geländebewegungen, die zu Schäden an über- und untertägigen Bauwerken sowie an Ver- und Entsorgungsleitungen führen können. Zur Langzeitüberwachung des mechanischen Zustands des Speichergesteins bieten sich nicht-invasive geophysikalische, besonders seismische Verfahren an.

Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabenstellung des AP 1.6.2 die thermisch-hydraulisch-mechanisch-seismische (THMS) Parametrisierung von Typuslockergesteinen der nordeuropäischen Tiefebene mittels gekoppelter THMS-Laborversuche. Den geplanten Experimenten kommt unter anderem die Aufgabe zu, mechanische Antworten auf sich wiederholende Temperaturerhöhung und -erniedrigung, genauer die Abbildung zyklischer Temperaturpfade im Spannungs-Verformungs/Porenzahl-Raum zu quantifizieren (Abbildung 1).
 

Bild: Thermisch-mechanischer Spannungs-Verformungs-Versuch. Typ: Eindimensionale, ödometrische Kompression. Vorgabe einer zyklisch, nichtmonotonen Temperaturänderung (30°↔70°C) bei konstanter totaler Vertikalspannung. Antwort-Spektren im Spannungs-Porenzahl- und Spannungs-Temperatur-Raum.

Abbildung 1

 

Ziel ist die Bereitstellung von Stoffansätzen und deren Eingangsparameter für die numerische Modellierung verschiedener Szenarien von Geländebewegungen infolge einer saisonalen Aufheizung und Abkühlung des oberflächennahen Untergrunds. Eine weitere Aufgabe der Experimente ist die Validierung der seismischen Abbildung thermisch-mechanischer Zustandsänderungen. Ziel ist die Bereitstellung von Kalibrierdaten zur mechanischen Deutung seismischer Laufzeitprofile aus der In-situ-Langzeitüberwachung des Speicherbetriebs.

Zur Durchführung der geomechanisch-seismischen Laborversuche, welche den Temperaturbereich zwischen 10 und 80°C abdecken sollen, werden für allgemeine triaxiale Spannungs- und Verformungszustände eine Triaxial-Versuchsanlage (Abbildung 2, links) sowie für geostatische Ruhespannungszustände ein Ödometer-Versuchsstand (Abbildung 2, rechts) zur Verfügung stehen. Beide Versuchsanlagen befinden sich augenblicklich noch im Aufbau bzw. in der Kalibrierung.
 

Bild: Im Rahmen von ANGUS+ entwickelte THMS-Versuchseinrichtungen. Links: Triaxial-Versuchsanlage Typ 10 MPa Bishop & Wesley mit Bender-Elementen der Firma GDS Instruments (Fotos GDS). Rechts: Hochdruck-Ödometer mit Messung der Lateralspannung, des Porenwasserdrucks und der Kompressions- und Scherwellengeschwindigkeiten. Probenzelle und Belastungsstempel angeschlossen an Heiz/ Kühlsystem.
Abbildung 2

Die Arbeiten in AP 1.6.2 erfolgen als Zuarbeit sowie in Zusammenarbeit mit den  AP 1.2 - Parametrisierung des oberflächennahen Untergrunds, AP 1.4 - Erkundung und Monitoring flacher Wärmespeicher und AP 2.4 - Auswirkung oberflächennaher Geothermie.

 

Reaktion von Kavernen in Salzgestein bei zyklischer thermisch-mechanischer Belastung (AG Schanz)

Die tiefliegenden Salzkavernen sind bei der Energiespeicherung in Form von komprimierter Luft und H2 wechselnden Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Es ist daher Gegenstand aktueller Forschung das Materialverhalten des Salzgesteins zu verstehen und die Reaktion für zyklische thermo-hydro-mechanische Lasteinwirkungen infolge Be- und Entladung der Kavernen über die Betriebszeit vorherzusagen.

Ein thermo-hydro-mechanisches Stoffgesetz soll in diesem Projekt entwickelt werden, um das Verhalten des Salzgesteins für die spezifischen Lastszenarien zu beschreiben. Darüber hinaus sollen die Effekte der zyklischen Belastung sowie die Entwicklung der Dilatanzheilung und -schädigung berücksichtigt werden. Daran anschließend wird das eingeführte Stoffgesetz mittels umfangreicher experimenteller Untersuchungen kalibriert. Das Stoffgesetz wird in eine FEM-Software implementiert um somit Betriebsszenarien in typischen Salzkavernen simulieren zu können. Anschließend werden die Sensitivität sowie die Zuverlässigkeit bewertet um die optimalen Betriebs- und Monitoringbedingungen der Kaverne zu bestimmen. Das folgende Flussdiagramm (Abbildung 3) beschreibt die Verknüpfung zwischen den experimentellen und den numerischen Arbeiten in diesem Projekt.

Flussdiagramm zur Darstellung des Austausches und der Kooperation innerhalb des Lehrstuhls für Grundbau, Boden- und Felsmechanik (RUB) im Projekt ANGUS+
Abbildung 3

 

  • Experimentelle Untersuchungen

Im Vordergrund dieser Arbeit steht die Beobachtung der Konstitutivbeziehungen von Steinsalz für wechselnde mechanische und thermische Lastzustände, die aus der periodischen Be- und Entladung von komprimierter Luft bzw. H2 in Kavernen resultieren.  Dazu wird mit einem neu entwickelten Hochdruck-Triaxialgerät (Abbildung 4) ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt, dessen Resultate für die Verifikation eines neuen Materialgesetzes genutzt werden. Das Versuchsprogramm wird sowohl isotherme und zyklisch mechanische, isobare und zyklisch thermische, sowie gekoppelte zyklisch thermische und mechanische Lastpfade beinhalten. Im Gegensatz zu konventionellen Triaxialversuchen wird in unseren Geräten der axiale Lasteintrag (σ1)  konstant gehalten, während der Umgebungsdruck (σ3) variabel ist. Die Temperatur im Triaxialgerät kann unabhängig von der Lastaufbringung in einem Bereich von 20°C bis 80°C kontrolliert werden. Der maximale Druckbereich beträgt axial 45 MPa und 38 MPa für den Umgebungsdruck.
 

Hochdruck-Triaxialzelle
Abbildung 4

 

  •  Entwicklung  eines Stoffgesetzes

Ein thermo-mechanisches Stoffgesetz soll in einen Finite-Elemente-Code (CODE-BRIGHT) implementiert werden, um das komplexe Verhalten von Steinsalz bei unterschiedlichen Lasteinwirkungen zu beschreiben. Mit diesem Ansatz wird es möglich sein, die typischen Kriterien beim Betrieb von Salzkavernen zur Energiespeicherung, wie beispielsweise Kriechen, Kompression, Extension, sowie das Verhalten unter thermisch und mechanisch zyklischer Belastung zu berücksichtigen. Darüber hinaus muss es möglich sein, mit dem verwendeten Modell die Schädigungsentwicklung sowie das Versagen innerhalb der Dilatanzzone zu prognostizieren. Um diese Anforderungen zu erreichen und das Materialverhalten von Salzgestein abbilden zu können, wird ein viskoelastisches-viskoplastisches Modell (LubbyII + Desai) mit einem Schadensparameter kombiniert.

In Abbildung 5a ist die Fließfläche des Desai-Modells dargestellt. Wie der Abbildung zu entnehmen ist, ist die Schnittfläche in der π-Ebene dreiecksförmig. Demzufolge werden für Zug- bzw. Druckpfade unterschiedliche Systemantworten erzeugt.  In Abbildung 5b sind für den I1-√𝐽2-Raum die unterschiedlichen Entwicklungen der Fließfläche in Abhängigkeit des Verfestigungsparameters dargestellt.  Die in dieser Abbildung dargestellte Dilatanzgrenze trennt die Dilatanzzone von der Kompressionszone, während die maximale Ausdehnung der Fließgrenze durch die Bruchfläche begrenzt ist.


Links: Fließfläche des Desai-Modells im Hauptspannungsraum. Rechts: Entwicklung der Desai-Fließgrenze, der Dilatanzgrenze sowie der Bruchfläche
Abbildung 5

 

  • Numerische Modellierung von Kavernen und Sensitivitätsanalyse

Numerische Simulationen werden für unterschiedliche, idealisierte Kavernengeometrien sowie für unterschiedliche Randbedingungen und Lasteinwirkungen (zyklisch oder konstant) auf Basis verschiedener Stoffgesetze mit der Software "CODE-BRIGHT" durchgeführt, wie es exemplarisch in Abbildung 6 dargestellt ist. Unter Verwendung der FEM-Software in Kombination mit dem viskoelastisch-viskoplastischen Stoffgesetz werden im Rahmen einer globalen Sensitivitätsanalyse und einer Zuverlässigkeitsstudie Schlüsselparameter für den Kavernenbetrieb und maßgebliche Messpunkte für ein Monitoring ermittelt. Da die Berechnung für jede einzelne Berechnung innerhalb der Sensitivitäts- und Zuverlässigkeitsstudien sehr zeitintensiv ist, wird stattdessen mittels Metamodeling das ursprüngliche numerische Modell präzise angenähert.


Kriechen von Steinsalz wurde für eine konstante Lastaufbringung über zwei Monate mit CODE-BRIGHT und dem LubbyII-Modell simuliert ( horizontale (links) und vertikale (rechts) Verformung)
Abbildung 6


Numerische Betrachtungen zum Verhalten von Salzkavernen werden in AP 2.1 mit einem modifizierten Stoffgesetz und einer FEM-basierten Software durchgeführt. Die Identifikation von Schlüsselparametern bei dem Betrieb der Salzkavernen, sowie die Lokalisierung der am besten geeigneten Messpunkte für Sensoren werden im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse als Teil des AP 3.1 ermittelt.