Langfristige Stabilität von unterirdischen Energiespeicherreserven

Übergeordneter Forschungskontext / theoretischer Rahmen Die Druckluftspeicherung in aufgegebenen Bergwerken, also Abandoned Mine Compressed Air Energy Storage (AM CAES), bietet eine großskalige und flexible Speicherlösung, um schwankende erneuerbare Energien und den Energiebedarf auszugleichen. Die langfristige Stabilität von Kavernen unter zyklischer Gasinjektion und Gasentnahme in komplexen In-situ-Spannungsfeldern ist jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Dieses Projekt verwendet einen multifeldbasierten kontinuumsmechanischen Schädigungsansatz, der Felsmechanik, Gasthermodynamik und nichtlokale Schädigungsmodellierung kombiniert, um die Dauerhaftigkeit und Sicherheit von AM-CAES-Kavernen zu bewerten. Hypothesen / Forschungsfragen / Ziele Wir gehen davon aus, dass die Kavernenstabilität durch die Wechselwirkung zwischen der Gasthermodynamik und der thermomechanischen Reaktion des umgebenden Gesteins sowie durch gekoppelte Kriech-Ermüdungsprozesse bestimmt wird, welche die Schädigungsinitiierung und -lokalisierung steuern. Wir untersuchen, wie Druckdifferenzen, Zyklusfrequenzen sowie Injektions- und Entnahmeraten die zeitabhängige Verformung und Schädigung beeinflussen und wie diese Effekte in prädiktiven Modellen für Planung und Betrieb erfasst werden können. Die Ziele bestehen darin, gezielte experimentelle Daten zu gewinnen, ein multifeldbasiertes konstitutives Modell mit Kriech-Ermüdung und nichtlokaler Schädigung zu entwickeln sowie eine 3D-Plattform zur Bewertung und Optimierung der langfristigen Kavernenstabilität aufzubauen. Ansatz / Methoden Ein spezielles felsmechanisches Versuchsprogramm wird eine selbstentwickelte Versuchsanlage verwenden, um für AM CAES relevante Gasdruckzyklen sowie Injektions- und Entnahmeraten aufzubringen und dabei die thermomechanische Reaktion, das Kriechverhalten und die Schädigung zu quantifizieren. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für ein multifeldbasiertes konstitutives Modell, das das Gasverhalten mit den Gesteinseigenschaften verknüpft und durch ein Kriech-Ermüdungsgesetz sowie eine nichtlokale 3D-Schädigungsbeschreibung erweitert wird. Eine eigenständige numerische 3D-Plattform wird zeitabhängige Verformungen und fortschreitende Schädigungen für realistische Kavernengeometrien und Betriebsschemata simulieren und als Grundlage für Parameterstudien sowie Entwurfsempfehlungen dienen. Grad der Originalität / Innovation Das Projekt wird erstmals eine systematische experimentelle Charakterisierung des umgebenden Gesteins unter realistischen AM-CAES-Belastungspfaden liefern. Es wird ein neues multifeldbasiertes theoretisches Modell einführen, das Gasthermodynamik, thermomechanische Gesteinsreaktion, Kriech-Ermüdung und nichtlokale Schädigung explizit in einem einheitlichen Rahmen koppelt. Darüber hinaus wird das Projekt die erste numerische Plattform speziell für AM CAES bereitstellen, mit der langfristige Verformungen und kumulative Schädigungen simuliert sowie Leistungsfähigkeit, Risiken und Entwurfsaspekte bewertet werden können. Beteiligte Hauptforschende Dr. Guanglei Zhou wird mit Priv.-Doz. Dr. Yunteng Wang zusammenarbeiten und mit Univ. Prof. Dr.-Ing. Wei Wu kooperieren, um die Forschungsaufgaben dieses ambitionierten Forschungsprojekts erfolgreich umzusetzen.