Laboruntersuchungen und numerische Berechnungen zur Rissausbreitung in Salzgestein (LARISSA)

Abstract

Das Forschungsprojekt LARISSA ist die Fortsetzung der Projekte RiSa und La-thi-ga. Im Vorgängerprojekt RiSa wurde gezeigt, dass im hohlraumnahen Bereich einer Gasspeicherkaverne thermisch induzierte Spannungszustände auftreten können, die zu einer Infiltrationsrissbildung führen können. Darüber hinaus wurde in La-thi-ga ein Laborprogramm mit einem neuen Versuchsaufbau zum Nachweis der Infiltrationsrissbildung entwickelt. Die in LARISSA an Salzproben durchgeführten mechanischen Extensionsversuche zur Abbildung des thermo-mechanisch gekoppelten Verhaltens in einer Gasspeicherkaverne zeigen, dass Infiltrationsrisse auftreten, sobald die hydraulische bzw. effektive Zugfestigkeit des Materials überschritten wird. Der Nachweis wurde an verschiedenen Lokationen bei unterschiedlichen Druckniveaus, Belastungsregimen und Temperaturen erbracht. Mit den in LARISSA durchgeführten numerischen thermo-mechanisch gekoppelten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Rissbereiche durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Steinsalz und den primären Gebirgsdruck in ihrer Eindringtiefe begrenzt sind. Dies gilt unter Einhaltung der Auslegungskriterien hinsichtlich der Gasdruckgrenzen sowohl für horizontal gerichtete Risse unterhalb des Kavernendaches als auch für vertikale Risse oberhalb des Kavernendaches. Untersuchungen zur Auswirkung von dem Erdgas in unterschiedlichen Konzentrationen zugemischtem Wasserstoff ergaben einen positiven Effekt auf die für die Infiltrationsrissbildung maßgebende Temperaturänderung Des Weiteren konnten erste erfolgreiche thermisch-hydraulisch-mechanische Berechnungen zum Infiltrationsverhalten der Probekörper unter Versuchsbedingungen durchgeführt werden. Datei-Upload durch TIB The LARISSA research project is a continuation of the RiSa and La-thi-ga projects. The previous project RiSa showed that thermally induced stresses can occur in the near-cavity region of a gas storage cavern, which can lead to the formation of infiltration fracture. In addition, a laboratory program with a new test setup was developed in La-thi-ga to demonstrate the formation of infiltration fracture. The mechanical extension tests performed at LARISSA on salt samples to represent the thermo-mechanically coupled behavior in a gas storage cavern show that infiltration fracture occurs as soon as the hydraulic or effective tensile strength of the material is exceeded. This has been demonstrated at different locations, pressure levels, loading regimes, and temperatures. The numerical thermo-mechanical coupled studies performed in LARISSA showed that the infiltration depth of fractures is limited by the low thermal conductivity of rock salt and the primary rock pressure. This applies both to horizontal cracks below the cavern roof and to vertical cracks above the cavern roof, provided that the design criteria for gas pressure limits are observed. Tests on the effect of hydrogen added to natural gas at various concentrations showed a positive effect on the temperature change significant for infiltration fractures. In addition, the first successful thermohydraulic-mechanical calculations of the infiltration behavior of the test specimens under test conditions were performed.