Uni-Bayreuth

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Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Deformationsverhalten von Salzkavernen bei fluktuierenden Betriebsdrücken

Norbert Böttcher1, Thomas Nagel1, Uwe-Jens Görke1, Yvonne Lins2, Diethard König2, Olaf Kolditz1
1 Department Umweltinformatik, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ
2 Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik, Ruhr-Universität Bochum

P 11.9 in Wärme-, Energie- und Kohlenstoffspeicherung im Untergrund

Im Rahmen der Energiewende in Deutschland wird sich der Fokus der Stromerzeugung in naher Zukunft auf erneuerbare Energien richten. Anders als bei konventionellen Kohle- oder Atomkraftwerken unterliegen die Abgabeleistungen von z.B. Wind- und Solarkraftwerke saisonalen und täglichen Schwankungen. Um eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten, müssen im Hinblick auf den wachsenden Anteil erneuerbarer Energieproduktion die Möglichkeiten zur Energiespeicherung erweitert und ausgebaut werden. Eine bereits angewandte Technologie zur Energiespeicherung ist die Nutzung unterirdischer, künstlicher Salzkavernen zur Speicherung von Energieträgern wie z. B. Erdgas oder Druckluft. Salzkavernen werden genutzt, weil ihre Herstellung im Vergleich zur Herstellung von Felsgesteinskavernen einfacher und kostengünstiger ist. 
Gaskavernen ermöglichen eine kurzfristige Energiespeicherung (im Bereich von Stunden bis Tagen), was zu starken Druckschwankungen im inneren der Kaverne führt. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einfluss von fluktuierenden Betriebsdrücken auf die Stabilität des Wirtsgesteins mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht werden. Dafür wurde ein gekoppeltes Thermo-Hydro-Mechanisches (THM) Modell entwickelt und in die open-source Softwareplattform OpenGeoSys implementiert,
Unsere Simulationen berücksichtigen das thermodynamische Verhalten der Speichergase während der Befüllungs- und Entladungsvorgänge. Dadurch lassen sich die veränderlichen Druck- und Temperaturzustände an der Kavernenwand bestimmen, die als Randbedingungen für die Simulation der Deformations- und Spannungszustände des umgebenden Salzgesteins dienen. Hierfür verwenden wir nicht-lineare Materialmodelle, die sowohl stationäres und instationäres Fließen sowie die Selbstheilungseigenschaften des Salzgesteins beschreiben. Um die notwendigen Materialparameter zu bestimmen, führen wir umfangreiche Experimente zum Deformations- und Bruchverhalten an verschiedenen Gesteinsproben durch.
Ziel der Arbeit ist es, eine belastbare Aussage über die Standortsicherheit von Gasspeicherkavernen bei verschiedenen Betriebsarten zu liefern. Die entwickelten und parametrisierten Modelle werden einen Beitrag zur Erstellung eines Atlanten zur unterirdischen Raumplanung für das Land Schleswig-Holstein liefern.

Letzte Änderung 08.11.2013