Der weltweite Energiebedarf steigt kontinuierlich an und erfordert einen bedeutenden Wandel, um Treibhausgase zu reduzieren, den ökologischen Fußabdruck fossiler Ressourcen zu verringern und den Ausbau erneuerbarer Energien zu fördern. Der derzeitige europäische Energiemix muss grundlegend geändert werden, um das vereinbarte 2 °C Ziel zu erreichen und bis 2050 zu einer weitgehend treibhausfreien Wirtschaft zu werden.
Das Konzept der groß angelegten unterirdischen Energiespeicherung, der so genannten „Geo-Batterien“, könnte das gespeicherte Energievolumen erheblich vergrößern, ein saisonales Ein- und Ausladen ermöglichen und die erhöhte Nachfrage im Winter ausgleichen. Bei der Wasserstoffspeicherung in Sedimentgestein wurde ein Nebeneffekt der mikrobiellen Methanisierung festgestellt, der zum Konzept der unterirdischen Energieumwandlung führte. Dabei wird der eingebrachte Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) von hydrogenotrophen Methanogenen in Methan (CH4) umgewandelt. Die Produktion von Methan durch Mikroorganismen aus Kohlendioxid und Wasserstoff löst zwei Umweltprobleme. Sie bindet CO2 und verringert so die Treibhausgasemissionen, indem sie einen nachhaltigen Kohlenstoffkreislauf bildet. Außerdem können der gewonnene Wasserstoff und das Methan zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. In Pilotprojekten werden die Steuerungsparameter zur Erhöhung der Umwandlungsraten untersucht und die Auswirkungen der Biomasseakkumulation auf die Speicherkapazität und die Betriebsbedingungen geklärt.
Experimente im Porenmaßstab sind notwendig, um das Verhalten von Mikroorganismen und die begleitenden chemischen Reaktionen zu beschreiben. Die Anwesenheit und das Wachstum von Mikroorganismen können die hydraulischen Eigenschaften eines porösen Mediums erheblich verändern. In dieser Arbeit wird ein „Digitaler Zwilling“-Ansatz verwendet, um die durch die Biomasse verursachten Effekte auf das poröse Medium durch direkte numerische Simulationen zu lösen. Die Aufgabe dieser Arbeit besteht darin, ein numerisches Modell zu entwickeln, um die Strömung in einem von Mikroorganismen besetzten Mikromodell zu simulieren und die Porositäts-Permeabilitäts-Beziehung mit experimentellen Ergebnissen zu verifizieren. Hierfür wurde eine archäische Kultur von Methanobakterien (M. formicicum) verwendet und in das Mikromodell injiziert. Der Arbeitsablauf beinhaltet eine Verbesserung eines zuvor entwickelten und eingesetzten numerischen Zwillings. Die Krümmung des Mikromodells und die sich verzweigenden Zu- und Abflusskanäle wurden analysiert, um ihre Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse abzuschätzen. Diese zusätzlichen Merkmale sind notwendig, um die Porositäts-Permeabilitäts-Beziehung aufzulösen und aussagekräftige Geschwindigkeits- und Spannungsfelder zu extrahieren.
Die zeitlichen Geschwindigkeits- und Spannungsverteilungen spielen eine wichtige Rolle bei der Rekonfiguration des Biofilms, der Bildung bevorzugter Fließwege und der Durchlässigkeit innerhalb der Biomasse. Die Geschwindigkeits- und Spannungsfelder wurden anhand von Histogrammen analysiert und die Ergebnisse zeigten, dass die Nettoakkumulation von Biomasse die hydraulischen Eigenschaften nach einem Potenzgesetz verringert. Infolgedessen führten engere Porenkanäle zu höheren Geschwindigkeiten und Scherspannungen in dem Simulationsmodell. Außerdem nahm die Breite der Histogramme mit der Zeit zu und es wurde eine bimodale Verteilung der Geschwindigkeits- und Spannungsspitzen festgestellt. Dies bezieht sich auf die angenommene Durchlässigkeit innerhalb der Biomasse und wird erst mit dem Beginn der Biomasseakkumulation festgestellt.
Diese Masterarbeit soll einen Beitrag zum weiteren Verständnis des Konzepts der unterirdischen Wasserstoffspeicherung leisten. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Modellierungsablauf zu verbessern, der für die Simulation von Geschwindigkeits- und Spannungsfeldern für die Charakterisierung von Biomasse in porösen Medien erforderlich ist.