Die Verbrennung fossiler Brennstoffe führt zu einer zunehmenden Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre und ist damit ein entscheidenter Faktor für den globalen Klimawandel. Trotz der Hinwendung zu erneuerbaren Energien erfordert die dominante Rolle fossiler Brennstoffe im weltweiten Energieverbrauch Lösungen wie Carbon Capture and Storage (CCS). CCS beinhaltet die Abscheidung von CO2 aus großen Emissionsquellen und dessen Speicherung in Reservoirs tief unter der Erde, wo CO2 natürliche Fluide wie Sole verdrängt. Die Effizienz dieses Verdrängungsprozesses wird von verschiedenen geologischen und physikalischen Faktoren beeinflusst, was es entscheidend macht, diese zu verstehen, zu quantifizieren und zu optimieren. Diese Arbeit bietet eine umfassende Untersuchung der CO2-Wasser-Verdrängung in porösem Gestein, wobei sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum Einsatz kommen. Die experimentellen Daten werden rigoroser analysiert als bisher dargestellt, was zu einer robusten stochastischen Beschreibung der Zweiphasenströmung in heterogenen porösen Medien führt. Darüber hinaus wurden numerische Experimente zur Untersuchung der Verdrängungsstabilität durchgeführt, die eine neue und unerwartete Skalierung für viskose Instabilitäten liefern. Die Arbeit bietet somit eine umfassende und solide Grundlage für eine Risikoanalyse der CO2-Migration für CCS Projekte. Die CO2 Migration und die Effizienz der CO2-Verdrängung werden hauptsächlich durch Mehrphasenströmungsparameter bestimmt, nämlich der relativen Fluidphasen Permeabilität und der Kapillardruck-Sättigungsfunktionen, die üblicherweise experimentell abgeleitet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zugrundeliegende numerische Datenanalyse basierend auf der soliden Grundlage einer kombinierten stochastischen Interpretation komplementärer experimenteller Datensätze entwickelt. In dem entwickelten Ansatz werden Daten aus verschiedenen experimentellen Methoden (Spezialkernanalyse - SCAL) gleichzeitig analysiert, und ihre Unsicherheit wird rigoros durch state-of-the-art stochastische Methoden bestimmt. Die resultierenden Unsicherheitsintervalle dieser Sättigungsfunktionen beziehen sich auf die intrinsische Unsicherheit von SCAL-Experimenten, jedoch nicht auf Variationen in Gesteinseigenschaften. Durch die Interpretation und Kombination von Experimenten, die mit verschiedenen Methoden und an verschiedenen Proben durchgeführt wurden, bieten die Analysen einen gewissen Zugang zur Heterogenität der Gesteinsformation.
Um die Auswirkungen der Gesteinsheterogenität auf die CO2-Migration zu unterstreichen, wurde der Ansatz auf eine größere Längenskala gehoben, auf der die Gesteinsheterogenität nicht mehr ignoriert werden kann. Traditionelle SCAL-Methodologien berücksichtigen in der Regel keine Heterogenität, was zu Diskrepanzen in Messungen und Feldbeobachtungen in Bezug auf Mehrphasenfluss-Sättigungsfunktionen führt. Heterogenität ist entscheidend für das Verständnis der Dynamik der CO2 Migration und wird in dieser Dissertation ausführlich erforscht. Die Dissertation führt einen Upscaling-Workflow ein, der SCAL-Interpretationen mit großskaligen Experimenten kombiniert, und betont die Notwendigkeit rigoroser Upscaling-Verfahren zur Beschreibung der CO2-Speicherung in heterogenen Formationen wie Karbonaten.
Die CO2 Migration in heterogenen Formationen wird besonders beeinflusst, wenn die Mobilität der verdrängenden Flüssigkeit höher ist als die der verdrängten Flüssigkeit. In dieser Situation sind viskose Instabilitäten zu erwarten, die große Bereiche des Reservoirs umgehen können (Sweep-Effizienz) und somit die Speicherkapazität erheblich reduzieren. Dieser Effekt hängt von der charakteristischen Längenskala der Störung (Heterogenität) im Vergleich zur Fingerbreiten der instabilen Front ab. Diese Arbeit stellt bestehende Theorien über viskose Instabilitäten und deren Beziehung zur Grenzflächenspannung und Permeabilität der Formation in Frage und erweitert sie. Die Ergebnisse aus numerischen Simulationen zeigen Fingerwellenlängen im Bereich von Zehnern bis zu hundert Metern, im starken Kontrast zu traditionellen Vorhersagen basierend auf dem Saffman & Taylor-Modell, das die Wellenlängen erheblich unterschätzt. Diese Einsicht ist entscheidend für die genaue Vorhersage der Plume-Migration in CCS-Projekten, da sie die erhebliche Abweichung vom erwarteten Verhalten basierend auf konventionellen Modellen berücksichtigt. Die Erkenntnisse bieten eine neue Perspektive auf die Komplexitäten der viskosen-unstabilen Verdrängung und fordern bestehende Theorien heraus, indem sie einen genaueren Rahmen für das Verständnis und die Vorhersage der CO2-Plume-Migration in CCS-Szenarien bieten.