Prozess-spezifische Parametrisierung der Änderung hydraulischer poröser Medieneigenschaften durch biogeochemische Reaktionen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Johannes Hommel
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380443677

Fluidspeicherung im Untergrund trägt zur Eindämmung des Klimawandels (Speicherung von CO2) oder für den Ausgleich der unvorhersehbaren Produktion erneuerbarer Energien bei. Fluide können jedoch durch Undichtigkeiten austreten. Kontrollierte Calciumcarbonatausfällung ist von unseren Partnern an der Montana State University (MSU) erfolgreich in Feldversuchen angewandt worden, solche Leckagen zu beheben und wird inzwischen auch von anderen Forschern intensiver untersucht, auch von neuen Kollaborationspartnern an der Heriot-Watt University und der Universität Bergen. Verschiedene Methoden induzierter Calciumcarbonatausfällung (ICP) wurden vorgeschlagen, zum Beispiel mikrobiell (MICP), enzymatisch (EICP), oder thermisch (TICP). Alle Methoden funktionieren nach dem Prinzip, das durch die in-situ Hydrolyse von Harnstoff die Geochemie verändert wird, so dass bei Vorhandensein von Calcium dieses als Carbonat ausfällt.Der Transport der Reaktanten, hauptsächlich des Harnstoffs und des Calciums sowie der ureolytischen Bakterien für MICP bzw. des Enzyms Urease für EICP ist also ein zentraler Prozess für ICP und damit auch für numerische Modelle, die ICP beschreiben. Allerdings bewirkt ICP eine Veränderung der hydraulischen Eigenschaften des porösen Mediums, in dem ICP stattfindet, wodurch ein voll gekoppeltes System reaktiven Transports entsteht. Die Auswirkungen von ICP auf die hydraulischen Eigenschaften eines porösen Mediums, zum Beispiel dessen Permeabilität oder Kapillardruck-Sättigungsbeziehung, werden in Modellen allerdings bis jetzt, wenn überhaupt, durch einfache Beziehungen abgeschätzt, obwohl durch Fortschritte in und weite Verbreitung von bildgebenden Verfahren Daten vorliegen, die eine viel detailliertere Beschreibung des Effekts von ICP auf die hydraulischen Eigenschaften poröser Medien ermöglichen. In vielen Anwendungen von ICP, wie der Behebung von Lekagen, ist die Reduktion in der Permeabilität die zentrale Motivation. Daher sollten numerische Modelle für ICP diese genauest möglich beschreiben.Ziel dieses Projekts ist, für verschiedene ICP-Verfahren und Setups, prozessspezifische Beschreibungen der Effekte von ICP auf die hydraulischen Eigenschaften eines porösen Mediums zu finden. Durch Vergleiche der Effekte von z.B. MICP in verschiedenen Setups und verschiedener Prozesse, z.B. EICP und MICP, im selben Setup kann dabei auch zwischen prozessspezifischen und setupspezifischen Effekten, z.B. Rand- und Anfangsbedingungen oder untersuchten porösen Medien, unterschieden werden, um die ermittelten Beziehungen für Laborversuche mit größerem Vertrauen auch auf anwendungsrelevante Szenarien übertragen zu können. Die Verbesserung der Voraussagekraft numerischer Modelle für ICP durch die in diesem Projekt entwickelten prozessspezifischen Beziehungen der Änderung der hydraulischen porösen Medieneigenschaften für anwendungsrelevante Szenarien untersucht werden. Solche Szenarien sind z.B. die an der MSU durchgeführten Experimente und Feldversuche.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Rainer Helmig; Professor Dr.-Ing. Holger Steeb