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Methoden der K��nstlichen Intelligenz (KI) haben insbesondere in der letzten Dekade wesentliche Beitr��ge zum wissenschaftlich-technischen Fortschritt geleistet. Das Potenzial von KI-Methoden zur Verbesserung der Prognose naturwissenschaftlicher und technologischer Aspekte bei der Standortauswahl sowie bei der Errichtung und (Nach-)Betriebsphase eines Endlagers (Endlagerentwicklung) wurde bisher jedoch nicht systematisch untersucht. Es wird daher empfohlen, im Rahmen von gezielten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben KI-spezifische Methoden bez��glich der besonderen Anforderungen in der Endlagerforschung zu adaptieren und innerhalb von ��bergeordneten und spezifischen Handlungsfeldern, d.h. ausgew��hlten thematische Arbeitsbereichen, zu erarbeiten und zu validieren., Im Rahmen des Projektf��rderprogrammes des BMWi zur Sicherheitsforschung f��r kerntechnische Anlagen als Orientierungshilfe f��r die Erstellung von Projektskizzen und Vorhabenbeschreibungen empfohlenes Papier (siehe auch https://www.ptka.kit.edu/entsorgung-von-hoch-radioaktiven-abfaellen.html)

[Zusammenfassung] Die Analyse des derzeitigen Standes der Technik im Rahmen des Forschungsprojekts SAGS sowie anderer Studien zeigt, dass eine zweckmäßige Vereinheitlichung und Ergänzung der Auslegungspraxis für Erdwärmesonden(systeme), gekoppelt mit Wärmepumpenanlagen weitere Fortschritte bei der Steigerung deren Nachhaltigkeit und Effizienz erwarten lässt. In diesem Zusammenhang wurde ein erweiterter Workflow zur Standortbewertung, Planung und (Vor-)Auslegung entsprechender Anlagen skizziert. Die Vervollständigung standardisierter Vorgehensweisen auf Basis der hier vorgestellten Arbeitsschritte wird angeregt. Weiterhin zeigt eine Analyse der Datenbasis zur oberflächennahen Geothermie, dass Qualität und Quantität der bereitgestellten Daten teilweise deutliche Unterschiede aufweisen. Zur Unterstützung der Standortbewertung und zur Auslegung wird die Entwicklung einheitlich gestalteter Datenbanken zur oberflächennahen Geothermie auf der Basis einer interaktiven, web-basierten Kartenanwendung angeregt. Weiterhin sollten möglichst flächendeckende Daten zum geothermischen Potenzial erhoben sowie die Datenbasis zur spezifischen Entzugsleistung erweitert werden. In Abb. 9 ist eine mögliche Struktur eines entsprechenden Kartenwerks mit den benötigten Eingangsdaten skizziert. Als ein Hauptaspekt der Ergebnisse dieser Studie im Rahmen des Forschungsprojekts SAGS zeigt es sich, dass weniger fehlende Workflows und/oder regulatorische Vorgaben in der aktuellen Auslegungspraxis für oberflächennahe Geothermie mitunter zu unbefriedigenden Prognosen über den Betrieb entsprechender Anlagen führen, wenngleich deren Vereinheitlichung und Ergänzung zweckmäßig sind. Vielmehr wird angeregt, Finanzierungsmodelle sowie spezifische Instrumentarien zur vollständigen Umsetzung der Auslegungsrichtlinien und -empfehlungen für Erdwärmesonden(systeme), gekoppelt mit Wärmepumpenanlagen zu verbessern. Speziell betrifft dies Erkundungs- und Monitoringtechnologien sowie -anforderungen aber auch prognostizierende Studien, für die eine verstärkte Nutzung numerischer Simulationstechniken angeregt wird.

The TERENO network: 1. Regional different effects of global climate change on terrestrial systems, 2. Global change affects all terrestrial compartments (water, soil, vegetation, atmosphere), 3. Most existing observation networks focus on specific compartments and/or scientific questions TERENO: 1. Long-term observations (> 15 years) of hydrological and ecological parameters on different scales, 2. Investigation of interaction between the different compartments, 3. Bridging the gap between measurement, modelling and management, 4. Currently 4 observatories, each operated by one individual Helmholtz Center, 5. Project duration: 2008 until >2023

ANGUS+ Schlussbericht des Gesamtverbundes. Das Projekt ANGUS+ wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Energiespeicher Forschungsinitiative. Betreut wurde das Verbundvorhaben durch den Projektträger Jülich.

Neben anderen Konzepten zählt das Verfahren des Abscheidens, Transports und der geologischen Speicherung von CO2 (Carbon dioxide Capture and Storage - CCS) zu den weltweit diskutierten Optionen, im Sinne einer Übergangstechnologie zur Verringerung des Eintrags schädlicher Treibhausgase in die Atmosphäre beizutragen. Das Verfahren ist nicht nur für die Energiewirtschaft mit ihrem hohen Anteil fossiler Energieträger von Interesse, sondern auch für andere CO2-intensive Wirtschaftszweige, wie beispielsweise der Zementindustrie. Im Jahr 2005 veröffentlichte der Zwischenstaatliche Klimawandelausschuss (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) einen Sonderbericht, in dem Stand, Perspektiven und Wissenslücken von Verfahren der geologischen Langzeitspeicherung von CO2 aufgezeigt werden (IPCC, 2005). Der Modellierung und Simulation von Injektion und Ausbreitung des CO2 im geologischen Untergrund kommt dabei eine entscheidende Bedeutung für das Verständnis der dabei auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse sowie für die Beurteilung von Effizienz und Sicherheit der ausgewählten Speicher zu. Von den potenziell möglichen geologischen Speicherformationen stehen in Deutschland tiefe, saline Grundwassersysteme sowie (nahezu) ausgebeutete Erdgaslagerstätten mit zweckmäßig nutzbaren Kapazitäten zur Verfügung. Die Arbeiten des hier präsentierten Berichts wurden im Teilprojekt M1b 'Numerische Simulation geomechanischer Prozesse bei der Verpressung von CO2' des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens (F&E-Vorhaben) CO2-MoPa ausgeführt. Sie wurden unter dem Förderkennzeichen 03G0686D vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Zeitraum vom 01.04.2008 bis 31.12.2011 gefördert und vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Department Umweltinformatik realisiert. Integrierende Hauptaufgabe des F&E-Vorhabens CO2-MoPa war die Analyse, Bewertung und Quantifizierung von Speichermechanismen bei der Verpressung von CO2 in tiefe, saline Grundwasserformationen (Aquifere). Am Beispiel virtueller Standorte sollten Prozeduren für Dimensionierungs- und Risikoanalysen entwickelt werden, die wesentlich auf experimentell untersetzten Modellierungsansätzen beruhen und Hinweise auf die optimale Gestaltung von Erkundungs-, Nutzungs- und Monitoringstrategien für potenzielle CO2-Reservoire beinhalten.

Um den Planungsprozess von oberflächennahen Geothermieanlagen verbessern zu können, ist es von Vorteil, die Parameter zu kennen, welche besonders großen Einfluss auf die Leistung einer solchen Anlage haben. Um dies zu untersuchen, können globale Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Sensitivitätsanalyse beinhaltet ein Parameterscreening mit der One-Variable-At-a-Time-Methode und eine anschließend durchgeführte globale Sensitivitätsanalyse mithilfe von Sobol‘-Indizes. Hierbei werden die Eingabeparameter des verwendeten Berechnungsmodells innerhalb vorher definierter Wertebereiche und gemäß festgelegter Verteilungen variiert, was in einer großen Anzahl an Modelldurchläufen resultiert. Daher kommen bei Sensitivitätsanalysen oftmals approximierte Modelle zum Einsatz, welche das Verhalten des ursprünglichen Berechnungsmodells nachahmen sollen, um auf diese Weise eine geringere Rechenzeit zu erzielen. Hierfür werden in der vorliegenden Arbeit sogenannte Gauß-Prozess-Emulatoren verwendet. In dieser Arbeit werden die genannten Methoden aus mathematischer Sicht vorgestellt und eingeordnet und abschließend an einem analytischen Modell für die Untergrundparameter einer Geothermieanlage vorgeführt.

Das Verstehen und die Prognose von Wasserqualität bedingen eine gleichzeitige Kenntnis von Wasserherkunft und Fließwegen, da die Hydrology von Strömen und Einzugsgebieten eng miteinander verknüpft sind. Die Überbrückung verschiedenartiger Zeit- und Raumskalen ist eine der Hauptherausforderungen bei der numerischen Untersuchung des Wasserkreislaufes der Erde. Ein physikalisch basiertes numerisches Model zur Kopplung von Oberflächen- und Grundwasser einschließlich des Stoff- und Wärmetransportes wurde innerhalb des Programmpaketes OpenGeoSys entwickelt. Die hydrologischen Prozesse Oberflächen-, gesättigte und ungesättigte Strömung werden durch Diffusionsgleichungen beschrieben und mit Finite-Elemente und Finite-Volumen Verfahren gelöst. Neu ist die Anwendung von Lagrangeschen stochastischen Partikeln (random walk particle tracking) zur Simulation von advektiv-diffusivem/dispersivem Transport in gekoppelten Hydrosystemen. Alternativ können auch Eulersche Methoden verwendet werden. Das Kopplungskonzept ist ein Kompartiment-Ansatz. Typischerweise wird die Hydrosphäre in Oberflächen-, Boden- und Aquifer-Kompartimente aufgeteilt, welche über Austauschflüsse an gemeinsamen Schnittstellen interagieren. Jeder Prozess wird mit seiner eigenen räumlichen und zeitlichen Diskretisierung gelöst und eine weitere Kopplungsschleife wird ausgeführt (partitionierte Kopplung). Ein Schlüssel zur objektorientierten Implementierung des Kompartiment-Ansatzes ist eine Hierarchie von geometrischen, topologischen (Diskretisierungsnetzen) und Prozessbibliotheken, welche für Multiphysik-Probleme entworfen wurden. Die objektorientierte Umgebung von OpenGeoSys für Hochleistungsrechnen wurde bei der Entwicklung eines regionalen hydraulischen Bodenmodelles genutzt. Ein zentraler Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung des neuen Modelles mit einigen Anwendungsbeispielen, welche hydrologische und Transportprozesse von Labor- bis Einzugsgebietsskala umspannen: Zwei Benchmark-Tests zu Horton'schem und Dunn'schem Oberflächenabfluss, eine Modellierungsstudie zu Cryptosporidium parvum Oozysten und drei Fallstudien - am Flussbecken der Lahn in Deutschland, dem Untersuchungsgebiet Borden in Kanada und dem Beerze-Reusel Einzugsgebiet in den Niederlanden. Understanding and predicting water quality require the concomitant knowledge of water origin and flow paths as stream and catchment hydrology are intimately linked. Bridging of various temporal and spatial scales is a key challenge in the numerical investigation of the terrestrial hydrologic cycle. A physically based numerical model for coupled surface and subsurface water flow with heat and mass transport has been developed in the software toolbox OpenGeoSys. The hydrological processes surface water flow, unsaturated, and saturated flow are described by diffusion type equations and solved with finite element and finite volume methods. New is the application of Lagrangian stochastic particles (random walk particle tracking) for the simulation of advective-diffusive/dispersive transport in coupled hydrosystems. Alternatively, Euler methods can be used. The coupling concept is a compartment approach. Typically, the hydrosphere is subdivided in surface, soil, and aquifer compartments, which interact via exchange fluxes at common interfaces. Each process is numerically solved with its own spatial and temporal discretization and an additional coupling loop is executed (partitioned coupling). A key to the object-oriented implementation of the compartment approach is a hierarchy of geometric, topologic (discretization meshes), and process libraries designed for multiphysics problems. The object-oriented environment of OpenGeoSys for high performance computing was used in the development of a regional hydraulic soil model. A central part of this work is the examination of the novel model with several application examples spanning hydrological and transport processes from laboratory to catchment scales: Two benchmark tests on Horton and Dunne overland flow, a modeling study on Cryptosporidium parvum oocysts, and three case studies - at the Lahn river basin in Germany, the Borden site in Canada, and the Beerze-Reusel drainage basin in the Netherlands.

Quellfähige Tone spielen eine bedeutende Rolle bei aktuellen Konzepten zur Endlagerung hoch-radioaktiver Abfälle in kristallinem Wirtsgestein. Zum Schutz vor dem Austritt radioaktiver Substanzen wurden Multi-Barrieren-Konzepte entwickelt. Die Barrieren bestehen aus einem Kupferkanister, aus kompaktiertem Bentonit als Verfüllmaterial (die Geotechnische Barriere) sowie dem Wirtsgestein. Durch Korrosion der Kupferkanister oder Radiolyse kann bei hoch-radioaktiven Abfällen Wasserstoff entstehen. Durch die in diesem Konzept vorgesehene Aufstättigung des Verfüllmaterials mit Kluftwasser wird seine Permeabilität stark reduziert, so dass sich Wasserstoffgas in dem Raum zwischen Kanister und der Geotechnischen Barierre aufstauen kann. Durch diese Gasansammlung kann der Eindringdruck des Verfüllmaterials überschritten werden, und es kommt dann zu einer Migration der Gase durch die Geotechnische Barriere. Zur Untersuchung der thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Verfüllmaterials unter Bedingungen, die in untertätigen Endlagern für radioaktiven Abfall herrschen, wurden verschiedene Laborexperimente konzipiert. Alle Experimente wurde mit Natrium- (SPV Volclay) oder Kalzium-Bentonit (Calcigel), der mit Gesteinsmehl vermischt wurde, unter Verwendung von Wässern aus dem Felslabor Äspö durchgeführt. Kapillardruckkurven wurden für alle Sättigungsbereiche mit einer Kapillardruckmessdose und einem Thermohygrometer bestimmt. Hydraulische Säulenexperimente wurden mit einem speziell angefertigten Permeameter durchgeführt. Unter Anwendung der Darcy-Gleichung konnte die Permeabilität berechnet werden. Die thermischen und nicht-isothermalen Drainage Experimente wurden mit Hilfe inverser Modellierung mit dem Computerprogramm iTOUGH2 ausgewertet. Die thermischen Experimente wurden bis zur konstanten Temperaturverteilung durchgeführt. Für alle Zeitpunkte und an allen Messpunkten entsprach die simulierte Temperaturverteilung sehr gut den Messdaten. Die invers geschätzte gesättigte thermische Leitfähigkeit und gesättigte spezifische Wärmekapazität waren konsistent mit Ergebnissen aus empirischen Gleichungen. Anhand von nicht-isothermalen Drainage Experimenten wurden Drücke, Temperaturen und die drainierte Wassermenge gemessen. Mit Hilfe des automatisierten Kalibrierungsverfahrens im iTOUGH2 wurden die gesättigte Permeabilität, die thermische Leitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und der Gaseindringdruck der Bentonit/Gesteinsmehl-Mischung geschätzt. Diese Inversion ergab den gleichen Parametersatz zur Beschreibung der Kapillardruck–Sättigungsbeziehung wie die Messung mit der Kapillardruckmessdose und dem Thermohygrometer. Das nicht-isothermale Drainage Experiment diente des weitern zum Codevergleich zwischen TOUGH2 und RockFlow/RockMech sowie zur Validierung von RockFlow/RockMech. Anhand unterschiedlichster experimenteller, numerischer und analytischer Verfahren konnten konsistente Materialparameter für das Verfüllmaterial bestimmt werden. Diese Materialparameter können nun als Basis zur Simulation weiterer thermisch-hydraulisch gekoppelter Prozesse in untertägigen Deponien für radioaktive Abfälle dienen. Die neu entwickelten Experimente in Kombination mit inverser Modellierung erlauben somit die Bestimmung von Materialparametern die für thermisch-hydraulische Prozesse unter Endlagerbedingungen von ausschlaggebender Bedeutung sind. Swelling clays play a major role in current concepts for the underground disposal of high-level nuclear waste in deep geological formations. In one of the multi-barrier concepts for preventing the escape of radioactive substances from a high-level nuclear waste repository, the barrier consists of a copper container, compacted bentonite as buffer and backfill (the geotechnical barrier), and the repository host rock. Corrosion of the copper canister and radiolysis both produce hydrogen. When the buffer and backfill are saturated with water and the permeability of the bentonite is reduced by swelling, any hydrogen that is produced can accumulate in the space between the container and the geotechnical barrier. This will result in pressures exceeding the entry pressure of the buffer and backfill, and passage of gas through the geotechnical barrier. An experimental program was developed to investigate the thermal and hydraulic properties of the buffer and backfill under conditions expected to exist in a permanent repository for radioactive waste. All experiments were conducted with mixtures containing sodium- (SPV Volclay) or calcium-bentonite (Calcigel) and crushed rock, and we used water from the Äspö test site. Water retention curves were measured from low to high saturation using a pressure cell and a thermohygrometer. Hydraulic column experiments were carried out with a specially designed permeameter and Darcy’s law was applied to determine the permeability. The thermal and non-isothermal drainage laboratory experiments were analyzed with inverse modeling techniques using iTOUGH2. The thermal experiments were conducted until a time-invariant temperature distribution was reached. The simulated temperature distribution matched the measured data very well at all locations along the column and for all times. The inversely estimated thermal conductivity and specific heat were consistent with the predictions of the empirical relationships. Pressure, temperature and the drained water volume were measured with non-isothermal drainage experiments and jointly inverted to estimate absolute permeability, thermal conductivity, specific heat, and capillary strength parameters of the bentonite/crushed rock mixtures. Consistent capillary pressure curves were obtained with the inversion of transient data and the direct pressure cell method. One of the non-isothermal drainage experiments was treated as a benchmark between TOUGH2 and RockFlow/RockMech. The simulation of the experiment served also a validation for RockFlow/RockMech. The parameters estimated using different experimental, numerical, and analytical procedures were consistent with one another, providing backfill material properties useful for the simulation of gas- and heat-generating nuclear waste repositories. The newly developed experimental setup in combination with inverse modeling allows the identification of key parameters governing hydraulic and thermal processes under repository conditions.