Geomechanik - h2ugs.de

Kavernenspeicher werden weltweit im Steinsalz angelegt. Vor Aufnahme des Speicherbetriebes muss die Dichtheit der Kaverne unter allen möglichen Betriebszuständen nachgewiesen und mögliche Szenarien eines unkontrollierten Gasaustrittes untersucht werden. Das betrifft die Dichtheit des die Kaverne umgebenden Salzgesteins und die Dichtheit der Kavernenbohrung, hier insbesondere die Dichtheit des Verbundes von Salzgestein/Zementstein/Casingrohr. Beide Aspekte sind für Erdgaskavernen und andere Speicherzwecke im Salzgestein bereits vielfältig untersucht und bewertet. Die Speicherung von reinem Wasserstoffgas ist jedoch eine neue Herausforderung, die sich aus den spezifischen Eigenschaften des Gases ergeben.

Effizienz und potenzielle Umweltwirkungen bei Bau und Betrieb von Wasserstoffkavernen werden entscheidend durch geomechanische Prozesse beeinflusst. Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich in diesem Zusammenhang auf experimentelle Untersuchungen in situ zur fluiddruck-getriebenen Gasperkolation bei der behälterlosen Hochdruckspeicherung von H₂ im Salzgebirge und die Modellierung und Simulation dieser Vorgänge zum Nachweis von Stabilität und Integrität der Speicherkavernen im Betriebszeitraum.

Ziel des Themenfeldes

Ziel war die Analyse und Prognose der potenziellen Infiltration von Speichergut an der Hohlraumkontur von Kavernen im Salzgestein bei zyklischer Wasserstoffspeicherung und der Auswirkungen auf geomechanische Gesteinsdaten. Dafür wurden experimentelle Untersuchungen zum Nachweis der Dichtheit und Integrität der Salzgesteine gegenüber Infiltration/Perkolation von Speichergut unter realen Bedingungen (in situ) durchgeführt.

Zudem wurden Methoden zum laborativen und technikums-spezifischen Nachweis der Dichtheit von Wasserstoff-Speicherkavernen (Gestein und Sonden), unter Einbeziehung der Besonderheiten von H₂, geprüft und bestehende Methoden weiterentwickelt. Der Fokus lag dabei auf der Dichtheit des die Kaverne umgebenden Salzgesteins und die Dichtheit der Kavernenbohrung, insbesondere die Dichtheit des Verbundes von Salzgestein-Zement-Casingrohr. Als Bewertungsmaßstab wurde dafür die Permeabilität des Salzgesteins und die die vertikale Permeabilität des Verbundes herangezogen.

Ein weiteres wesentliches wissenschaftliches Ziel bestand in der Analyse von Potenzialen und Limitierungen unterschiedlicher numerischer Ansätze für die Modellierung von Deformationsprozessen bei der Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen zur Verbesserung des Methodenverständnisses und der ‑synergien hinsichtlich theoretischer und numerischer Grundlagen.

Es wurde nach unterschiedlichen Verfahren wie, die Kontinuumsansätze „eXtended Finite Element Method“ (XFEM) und „Phase-Field Method“ (PFM) der Diskontinuums-Methode „Discrete Element Method“ (DEM) systematisch untersucht, gegenübergestellt und basierend auf Versuchsergebnissen in geeigneter Weise erweitert.

Wesentliche Ergebnisse (Auswahl)

Die Wasserstoffspeicherung in behälterlosen Untergrundgasspeichern ist – bezogen auf die gebirgsmechanischen Aspekte der Integrität und Stabilität – ebenso möglich wie die Erdgasspeicherung.

Richtlinien zur Anlage eines Untergrundgasspeichers (Dimensionierungsvorgaben) und Bewertungsmaßstäbe können dabei aus der Erdgasspeicherung übernommen und angewendet werden.

Ausblick

Im Fokus weiterer Untersuchungen sollte der technische Aspekt der Bohrlochkomplettierung liegen. Hier gilt es, bei der zukünftigen Anlage einer Wasserstoffkaverne Bewertungskriterien aus der Erdgasspeicherung auf ihre Anwendbarkeit in einem Realversuch zu überprüfen.