Kurzbeschreibung
Ein Großteil der erneuerbaren Energieproduktion schwankt in einer Art und Weise, die in der Regel nicht dem zeitlichen Verlauf des Energieverbrauchs entspricht. Dadurch entstehen Überproduktionen sowie Unterdeckungen unseres Energieverbrauchs durch erneuerbare Energien. Um diese Schwankungen auszugleichen und überschüssige Energie großtechnisch zu speichern, benötigt man Energiespeicher mit enormen Kapazitäten. Gas als chemischer Energieträger kann in den erforderlichen Mengen in erschöpften Gaslagerstätten gespeichert werden. Dies gilt auch für Wasserstoff, der mittels Elektrolyse aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann. Dazu wurde ein Pilotprojekt durchgeführt („Underground Sun Storage“ – ein FFG Leitprojekt), im Rahmen dessen ein Wasserstoff/Methan Gemisch in eine erschöpfte Gaslagerstätte gespeichert wurde, um technische Risiken in Hinsicht auf den Verlust von Wasserstoff im Reservoir durch physikalische, chemische und biologische Prozesse zu untersuchen. Es hat sich erwiesen, dass speziell mikrobielle Prozesse im Reservoir zum Verlust von Wasserstoff führen können. Dabei wandeln Mikroorganismen etwa Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan um. In einem Folgeprojekt „Underground Sun Conversion“ wird gegenwärtig untersucht, ob die in-situ mikrobielle Methanogenese gezielt genutzt werden kann, um erneuerbare Energie in Form von Methan zu speichern. Dies bewirkt jedoch Wachstum der Biomasse im Porenraum des Gasspeichers. Als Konsequenz einer Biomasseanreicherung reduzieren sich der zur Speicherung verfügbare Porenraum und die Permeabilität des Reservoir-Gesteins was die Speicherkapazität sowie Injektivität kompromittiert. Im Rahmen des vorliegenden Antrags soll nun das mikrobielle Wachstum in porösen Medien und die daraus resultierenden Konsequenzen systematisch im Mikromaßstab untersucht werden. Es ergeben sich folgende Fragestellungen: (a) inwiefern führt die Reduktion des effektiven Porenraums zu einer Reduktion der Permeabilität? Wie kann diese Beziehung beschrieben werden? (b) Wie verteilt sich mikrobielle Biomasse im Porenraum? Begrenzt das Wachstum die Substratzufuhr, so wäre zu bezweifeln, dass die Gaskonversionsrate auf einem ökonomischen Niveau gehalten werden kann. Es ist nicht zwingend, dass Biomassewachstum als Reduktion des Porenraums beschrieben werden kann. Dazu sollen die grundlegenden Mechanismen auf der Porenskala verstanden und quantifiziert werden – Mikrofluidik wird eingesetzt werden, um (a) mikrobielles Wachstum im Porenraum unter gut kontrollierten Bedingungen (chemisch biologisch) zu untersuchen, detailliert zu visualisieren und den Porenraum systematisch zu variieren. In Kombination mit numerischen Strömungssimulationen, ist die Zielsetzung ein grundlegendes Verständnis mikrobiellen Wachstums und dessen Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften poröser Medien und die Modellbildung. Ein weiteres Ziel ist es, geeignete bildgebende Methoden zur Visualisierung von Biomasse in Gestein auf der Mikro- und Makroskala zu identifizieren und zu entwickeln. Damit soll die Grundlage für weiterführende Forschungsaktivitäten erarbeitet werden, um analoge Untersuchungen für spezielle Speicherstätten zu ermöglichen.