LIAG
 

Wärme- und Massentransport

Das Institut untersucht die oberen Bereiche der Erdkruste, die anthropogen beeinflussbar und für eine wirtschaftliche Nutzung und Daseinsvorsorge wichtig sind. Abhängig von der gewählten räumlichen und zeitlichen Skala werden diese Bereiche statisch durch Geo-Struktur-Modelle oder dynamisch durch Geo-Prozess-Modelle beschrieben. Letztere werden im Wesentlichen durch den gekoppelten Transport von Energie (thermisch und mechanisch) und Masse (im Wesentlichen Fluide) und deren Umwandlungen bestimmt. Diese Prozesse ordnet man gewöhnlich unter die Begriffe thermisch (T), hydraulisch (H), mechanisch (M) und chemisch (C) ein, in der Gesamtheit werden sie als gekoppelte THMC-Prozesse bezeichnet.

Beispiele für die in der Sektion behandelten Systeme sind:

  • In der Gewinnung geothermischer Energie über offene Zirkulationssysteme (z. B. Hot-Dry-Rock) wird die Erfordernis einer THMC-Betrachtung als Prognosemaßnahme besonders deutlich. Durch die Hydraulik in den Bohrungen wird das Gestein gefract, so dass hydraulische Verbindungen zwischen zwei Bohrungen entstehen. Die Fluidzirkulation erzeugt dann Temperaturänderungen im Gebirge, die zu Änderungen der mechanischen Spannung im Gestein führen. Außerdem ist in all diesen Systemen der chemische Angriff der zirkulierenden Flüssigkeit auf das Gestein von großer Bedeutung, da nach einiger Zeit die Mineralfracht in dem zirkulierenden Wasser sehr groß werden kann.
  • Im Kohlebergbau treten besonders starke Kopplungen zwischen hydraulischen, chemischen, Transport- und gebirgsmechanischen Prozessen auf, wenn die Kohle in der natürlichen Lagerstätte durch Sauerstoffzufuhr anfängt zu brennen (siehe auch Kohlebrandprojekt). Die verbrannte Kohle erzeugt Hohlräume, die dann, zusätzlich zu den thermischen Belastungen, in mechanischen Belastungen des Gesteins resultieren und letztlich zu Bruchvorgängen führen. Die so entstehenden Brüche dienen dann als Wegsamkeiten für eine erneute Sauerstoffzufuhr zur Kohle, wodurch sich das Feuer selbst erhält, solange Brennstoff vorhanden ist.
  • Eine besondere Herausforderung stellt auch die quantitative Beschreibung der Strömungs- und Transportprozesse in der ungesättigten Bodenzone dar. Hier sind  Gas- und  Wasserfluss in den Porenräumen gekoppelt.
  • Die vielerorts angedachte geologische Endlagerung von Kohlendioxid aus industriellen Prozessen (CCS: Carbondioxide Capture and Storage) wirft ebenfalls komplexe Fragestellungen der Wechselwirkung von Fluid-Transport, chemischen Umwandlungen und mechanischen Wirkungen auf (siehe Projekt MUSTANG).
  • Erdfälle entstehen infolge unterirdischer, über lange Zeiträume stattfindender Auslaugung (Subrosion) von leicht löslichen Gesteinen wie Karbonaten, Sulfaten und Salzen und einer daraus resultierenden Instabilität der Erdoberfläche. Neben einer numerischen Modellierung von Lösungs- und Transportprozessen, liegt ein Schwerpunkt auf der mechanischen Analyse zum Trag- und Verformungsverhalten des Gebirges.